книги из ГПНТБ / Карапетян Н.К. Спектры сейсмических колебаний на территории Армении

делается допущение, что вступающие в грунт волны обладают одинаковой амплитудой независимо от периода. Вычислен •спектр для Сумпда Парк, Токио, и обнаружено близкое сход- •ство с графиком частоты случаев—периоды микроколебаний в этом месте.

Теоретическое исследование случая трехслойного напла- •стования грунта, подстилаемого скалистым пластом, проведе­ но Канаи и Иосизава [129]. При расчетах авторы затуханием пренебрегают. Ими отмечено, что с возрастанием числа пла­ стов спектр становится более пологим. В спектре для трех­ слойного напластования пик располагается вблизи резонансно­ го периода верхнего слоя. Эти выводы согласуются с графи­ ками частоты случаев—периоды сейсмических колебаний и микроколебаний. Канаи, Осада и Иосизава исследовали одно­ временно записанные сейсмограммы 14 слабых землетрясении на глубине 300 м (палеозойская скалистая порода), на поверх­

ставленном ими графике дано отношение амплитуды на по­ верхности к амплитуде на глубине, в зависимости от среднего периода на глубине; пики наблюдаются соответственно при периодах 0,12 и 0,22 сек. На графиках частоты случаев—пе­ риоды на поверхности пики наблюдаются при этих же периодах. Проведенное ими теоретическое исследование по­ казывает, что соответствующие отношения пиковых амплитуд (около б и 10 соответственно) требуют, чтобы от 3 до 5 после­ довательных полуволн следовали друг за другом с резонан­ сным периодом, близким к периоду колебаний грунта.

Этими же авторами проведена аналогичная работа во время четырех слабых землетрясений [131]. Были измерены перемещения грунта на глубине 300 м (палеозойская скали­ стая порода) и на поверхности (палеозойские почвенные от­ ложения). Отмечено, что для горизонтальных колебаний ха­ рактер графиков частоты случаев—периоды во время земле­ трясений, как и для микроколебаний, дает одинаковую преоб­ ладающую частоту на поверхности. Вертикальные колебания дают различную преобладающую частоту, соответствующую Р-волнам.

Канаи и Сузукн был проведен анализ акселерограмм, записанных в Токио и Иокогама на аллювиальных и плотных грунтах во время 12 землетрясений в 1932—1934 гг.. эпи­ центры которых расположены примерно в 60 км к северу от Токио [132]. Получено близкое совпадение формы огибающих на графиках частоты случаев—периоды и ускорении—перио­ дов. При этом пики располагаются почти в тех же местах в

12

обоих случаях. То же самое имеет место для огибающих на' графике период—число последовательных волн. Для плотногогрунта получен единичный пик, для рыхлого грунта—более- пологая, многопиковая кривая.

Капай проведено исследование микроколебаний места расположения моста Ваката [133]. Им составлены графики частоты случаев—периодов измеренных микроколебании в- разнообразных грунтах в Вакамацу, Киусу. Отчетливые пики имеют место в неглубоких слоях аллювия, в днллювни и на­

Канаи отмечает, что с возрастанием числа слоев вероят­ ность существования преобладающего периода колебаний! грунта становится малой, хотя некоторые комбинации свойств, грунтов могут привести к исключительно большому возра­ станию амплитуд. Период собственных колебаний верхнегослоя часто проявляется как преобладающий период колеба­ ний грунта [134].

На основе данных многолетних теоретических и экспери­ ментальных исследований Канаи выведена формула для ожи­ даемой амплитуды колебаний грунта, выраженная через пре­ обладающий период приходящих сейсмических волн и посто­ янную, определяемую на основе инженерного анализа [135].. Изучая записи сильных колебаний, Байерли пришел к выводу,, что внушающими беспокойство являются периоды между 0,1 и 0,3 сек [109]. При этом он связывает эти периоды не с мест­ ностью, где производится запись землетрясения, а с источни­ ком колебаний.

Значительные работы по изучению спектрального состава, сейсмических волн проведены в Калифорнийском Технологи­ ческом институте Хаузнером, Мартелем и Альфордом. Имиопределены спектральные кривые скорости и ускорения с по­ мощью электроаналога [106]. В сущности электроаналог-счет­ чик использует электрическую схему так, что напряжение пот­ ребляемого тока пропорционально ускорению колебаний поч­ вы; координаты спектра прочитываются прямо на катодно-лу- чевой трубке. Напряжение вводится через фотоэлемент, кото­ рый следит за вращающейся пленкой. Пленка приготовлена посредством специальной чертежно-графической доски., с- помощью которой вычерчивается переменной ширины траекто­ рия, ширина которой пропорциональна величине ускорения: колебаний почвы во время землетрясения. Посредством следя­ щей щели световой луч, общая интенсивность света которого' пропорциональна этой ширине, возбуждает ток в фотоэлемен-

13-

те. Таким путем авторами были определены 88 спектров ско­ рости и ускорения для сильных землетрясений, на основании которых они приходят к выводу, что относительно небольшие изменения затухания ведут к значительным изменениям вели­ чины реакции. Хаузнером, Мартелем и Алсрордом не обнару­ жено корреляции между спектрами и местностью, за исклю­ чением землетрясений в Сиэттле в 1949 г. и в Хелене в 1935 г. [117]. К этому же выводу приходит Хаузнер при исследовании спектров, построенных по акселерограммам сильных земле­

рыхлых грунтов на фильтрацию высоких частот. В качестве примера он приводит землетрясение в Сиэттле в 1949 г. По

тле, чтон объясняется фильтрацией высоких частот в рыхлых грунтах в месте расположения приборов в Сиэттле.

Иоко, Хатанака и Исава были определены спектры уско­ рений для 16 землетрясений в районе Конто при помощи кру­ тильных маятников [122].

Хауэллом и Матхуром произведен частотный анализ сей­ смических колебаний, зарегистрированных при взрывах зарядов динамита весом 0,5±0,006 кг на расстояниях от 3,5 до

грунтовых условий, чем это наблюдалось во время сильных зе­ млетрясений. Вычислены теоретические периоды и найдено З'довлетворителыюе их согласование с наблюдавшимися перио­ дами. Составлены графики для преобладающего периода в за­ висимости от суммарных амплитуд. Выявлена тенденция уве­ личения преобладающего периода до определенного значения в связи с возрастанием суммы амплитуд.

Аки предложил эффективный спектральный метод изуче­ ния природы волн и применил его при анализе микроколебалий грунта [105]. В дальнейшем этот спектральный метод изучения природы волн был успешно использован при исследо­ вании сейсмических волн близких землетрясений в Японии [1].

Немецкие ученые Дейст и Дор по сейсмограммам станций Гамбург и Геттинген исследовали изменение преобладающих

14

периодов в главной фазе землетрясения в диапазоне эпицентральных расстоянии от 100 до 10000 км [114]. Ими было •отмечено, что с увеличением эпицентрального расстояния в •спектре возрастает часть длиннопериодных волн. Определив из спектров по записям одной станции периоды с наибольшим

.действительным смещением почвы, Дейст и Дор рассчитали средние периоды «главных волн» для группы одинаковых землетрясений и затем построили графики зависимости этих средних периодов от эпицентрального расстояния.

Рассмотренные выше работы показали важность и необ­ ходимость изучения спектрального состава колебаний почвы. •Однако в этих работах нет однозначных ответов на многие вопросы в этой области. Один из таких вопросов: существует ли для данной местности преобладающий период колебаний, и если существует, то как зависит он от эпицентрального рас­ стояния, глубины и мощности очага (силы землетрясения или количества взрывчатого вещества при взрывах). Другой не менее важный вопрос—зависит ли спектральный состав колебаний от грунтовых условий данной местности, от усло­ вий возбуждения, от типа волны, от эпицентрального рас­ стояния, от глубины и мощности очага, и если зависит, то ка­ кова эта зависимость. Недостаточно исследован также вопрос о наличии в спектре одного или нескольких пиков (преобла­ дающих периодов) и факторов, влияющих на их образование.

Значительные работы по изучению спектра сейсмических колебаний проводились и в настоящее время проводятся у нас в Советском Союзе.

Так, Ф. М. Гольцманом детально рассмотрены графиче­ ские и аналитические приемы вычисления спектра и предло­ жен графоаналитический способ частотного анализа сейсми­ ческих колебаний, согласно которому все последовательные экстремумы исследуемого колебания аппроксимируются раз­ личными синусоидами, спектры которых рассчитываются по формулам [16]. Возможность такой аппроксимации, согласно Ф. М. Гольцману, следует из того, что спектры импульсов, •сильно отличающихся по форме от экстремума синусоиды, практически совпадают со спектром последней на низких ча­ стотах. Им выведено аналитическое выражение для прибли­ женного значения комплексного спектра сейсмического сигна­ ла в случае, когда нулевые значения двух соседних синусои­ дальных экстремумов не совпадают.

Ф. М. Гольцманом предложен также приближенный ме­ тод частотного анализа сейсмических волн, основанный на замене истинного спектра S(wj), соответствующего исследуе-

13

ш> у)с [16а]. Предложенный метод частотного анализа за­ ключается в нахождении сумм рядов, в виде которых пред­ ставлены вещественная и мнимая составляющие спектра S ( ю). Для вычисления рядов автором предложены номограммы и таблицы. В результате расчетов определяется амплитудный и фазовый спектры импульса. Ф. М. Гольцман на примере ра­ счета спектра отрезка синусоиды по точной формуле и приб­ лиженному методу показывает достаточную точность предло­ женного метода.

С целью определения преобладающих периодов сейсми­ ческих колебаний на территории Средней Азии Е. М. Бутов­ ская и И. Ч. Гросс исследовали инструментальные записи ко­ лебаний, вызванных землетрясениями и взрывами [9] . При анализе этих записей применялись методы частотного, периодограммного, а также гармонического анализов.

Исследование преобладающих периодов в области 1—12 сек производилось по записям землетрясений на сейсми­ ческой станции «Ташкент» за 1941 —1949 гг. приборами Б. Б. Голицына с частотной характеристикой, устойчивой в интер­ вале 1—25 сек. Оказалось, что в продольных волнах преобла­ дают периоды 1; 1,5—1,7; 6 сек, и иногда отмечается слабый максимум при периоде около 3 сек, а в поперечных волнах пре­

периода. Тип очага также не влияет на период, но изменяет

0,1—\сек преобладающие периоды для продольных волн со­ ставляют 0,25—0,40 и 0,65—0,8 сек, а для поперечных волн— 0,35—0,40 и 0,7—0,9 сек. В пределах 20—230 км эпицентральное расстояние не влияет на преобладающий период. Изме­ нение веса заряда от 40 до 2300 г также не влияет на преоб­ ладающий период. На запись взрывов механическими сейсмо­ графами влияют грунтовые условия.

По мнению авторов, избранность периодов колебаний свя­ зана с границами раздела в земной коре, а именно колебания с. малыми преобладающими периодами обусловлены наличием лессовых отложений, а остальные преобладающие периоды в

16

области более длинных волн связаны с более мощными слоя­ ми земной коры.

Если сравнить полученные авторами результаты при землетрясениях и взрывах, можно заметить, что для земле­ трясений наименьшее значение преобладающего периода по­ лучилось равным 1 сек, а для взрывов преобладающий период в 1 сек (точнее 0,9 сек) являлся наибольшим его значением.

Рассматривая спектр на некотором интервале периодов, меньших и больших 1 сек, как для землетрясений, так и для взрывов, и сравнивая их характер, можно было бы судить об их связи пли отличии. Такого рода анализ, к сожалению, ав­ торами не проведен. Досадным является еще и тот факт, что исследование преобладающих периодов при землетрясениях проведено начиная с 1 сек, что было обусловлено применением приборов Б. Б. Голицына. Вследствие этого и не были опре­ делены преобладающие периоды колебаний при землетрясении для интервала высоких частот, наиболее интересных как для сопоставления их с данными, полученными при взрывах, так и для решения задач инженерной сейсмологии.

Разработана и освоена отечественная аппаратура для производства частотного анализа, исключающая ошибки вы­ числительного характера.

Так. В. С. Воюцким и А. И. Слуцковским была сделана попытка получения приближенного частотного состава сейсми­ ческих колебаний с помощью резонансных усилителей узкополоснон сейсмической станции ВС-3, которые содержат весь­ ма остро настроенные контуры (ширина полосы пропускания контура на уровне 0,701 около 3 гц), настраиваемые на раз­ личные частоты в пределах диапазона 10—85 гц [12]. Взрыв принимается одним сейсмографом, который включается па­ раллельно на все каналы станции. Каждый канал станции запи­ сывает одну компоненту сложного колебания, соответствую­ щую настройке включенного в данный канал усилителя. По относительным величинам амплитуд записей на ленте отдель­ ных компонент строится спектр сейсмических колебаний. В 1948—1949 гг. по предложенному методу авторами в ряде районов были произведены полевые работы и получены пред­ варительные данные по частотному анализу, согласно кото­ рым, чем больше расстояние от пункта взрыва, тем меньше в спектре выражены высокие частоты и в пределах точности из­ мерений не отмечается характерных особенностей спектров, связанных с типом волны.

В 1951—1952 гг. Г. В. Березой, А. И. Слуцковским и М. К. Полшковым была создана специальная аппаратура для поле­ вого приближенного частотного анализа сейсмических колё-

баний и разработана методика полевых наблюдений с этой аппаратурой [7] . Основой аппаратуры для частотного анали­ за сейсмических колебаний послужил набор из 24 слабо зату­ шенных гальванометров, каждый из которых имеет свою соб­ ственную резонансную частоту и весьма малый коэффициент затухания.

При полевых экспериментах А. М. Иванчуком изучалась зависимость характера частотного спектра упругих волн вбли­ зи пункта взрыва от условий возбуждения [26]. Работы прово­ дились в Нижнем Поволжье «а выходах пород различного лнтологического состава и возраста. Анализ записей волн про­ водился при помощи механического гармонического анализа­ тора разложением на 25 гармоник, охватывающих диапазон частот от 7 до 200 гц.

В результате наблюдений было установлено, что спектры волн—резонансные, причем для песчаных пород резонансная частота выше, чем для глинистых. Спектр упругой волны ста­ новится более низкочастотным (при одинаковых условиях возбуждения) при увеличении веса заряда ВВ пли пути про­ бега волны от источника к приемнику. Увеличение твердости пород в очаге взрыва приводит к обогащению спектра упругой волны высокочастотными составляющими.

Однако в работе не указано, какой тип упругих волн изу­ чался, а также не приведены частотные характеристики ис­ пользованной аппаратуры.

Ф. М. Гольцманом и Ю. И. Лимбахом разработан элек­ трический Фурье-анализатор [18]. Прибор состоит из 19 па­ раллельно включенных ячеек, собранных из потенциометров. На лимбах потенциометров набираются линейные комбинации значений анализируемой функции в точках, взятых через до­ статочно малые интервалы. Коэффициенты Фурье-функции считываются с микроамперметра. Анализатор предлагается для частотного анализа и синтеза сейсмических колебаний. Абсолютная величина погрешности при анализе составляет

стотного анализа сейсмических импульсов при помощи остро­

теля, позволяющего многократно воспроизводить иссле­ дуемый импульс, широкополосного линейного усилителя и гармонического анализатора типа Родмана с фоторегнстри-

18

Для изучения частотных спектров землетрясений К. К. Запольским в 1954 году была разработана и построена ста­ ционарная частотно-избирательная сейсмическая станция типа ЧИСС-54 [24]. Приемно-регистрирующая станция ЧИСС-54 представляет собой комплект, состоящий из шести отдельных каналов усилитель—гальванометр с общим сейсмоприемником в качестве датчика. Каждый канал станции регистрирует ко­ лебания на отдельной дорожке сейсмограммы, причем каждый

гальванометра. При помощи станции ЧИСС-54 в 1955--1956 гг. проводились наблюдения последовательно в двух точках: на

стояния, территориального положения очаговых зон и от силы землетрясений. В 1956 г. К. К. Запольским была создана, а в

регистрации землетрясения 'несколькими идентичными стан­ циями в разных точках наблюдения. В 1957 г. в Средней Азии проведены совместные полевые наблюдения тремя станциями типа ЧИСС-57 и получены предварительные результаты о частотных спектрах.

В отделе сейсморазведки Геофизического института АН

СССР в 1953—1955 гг. Л. Л. Худзинским и А. Я. Меламудом была разработана аппаратура для частотного анализа сейсми­

стоит из следующих частей: 15-канальной широкополосной сейсмической аппаратуры, служащей для получения вспомо­ гательного сейсмического материала, фотовоспроизводителя, с помощью которого осуществляется многократное воспроиз­ ведение в отраженном свете непосредственно с сейсмограмм, анализирующего устройства, состоящего из гармонического анализатора Родмана, и вырезающего устройства, устройства для фотографической регистрации частотных спектров, так называемого характерографа и катодного осциллографа со ждущей разверткой. Вся аппаратура станции частотного ана­ лиза смонтирована в аппаратурном шкафе и устанавливается в кузове стандартной сейсмической станции. В 1955 г. станция частотного анализа была опробована в полевых условиях в

19

Раменском районе Московской области.' Были получены спектры волн Лява, а также спектры волн при повт.орпыч взрывах в скважине.

Однако и при получении спектров сейсмических колеба­ нии с помощью специальной аппаратуры возможны погрешно­ сти, вносимые в анализ вследствие того, что бывает трудно выделить какое-либо одно колебание, обусловленное простои волнойПри этом, даже при возможном выделении какой-то простой волны, возникают затруднения, связанные с тем, что анализу можно подвергнуть лишь небольшой участок записи, соответствующий простой волне. Погрешности в спектре сей­ смических волн получаются также вследствие возможных аппаратурных искажений.

Работы по изучению спектрального состава сейсмических колебаний нами были начаты в 1958 г. Была сделана попытка

мощью электроаналога. С этой целью были использованы спектральные кривые для некоторых сильных землетрясений, происшедших в США, полученные Г. В. Хаузнером, Р. Р. Мар-

В 1959 г. нами был получен частотный состав колебании почвы по записям кавказских, турецких и иранских землетря­ сений, зерегистрированных на сейсмической станции «Ереван», путем измерения видимых периодов, соответствующих макси­ мальным амплитудам продольных, поперечных и поверхност­ ных волн [75]- Для рассмотренных землетрясений при азимутах на эпицентр от 7 до 336° и эпицентральных рас­ стояниях 120—500 км были получены преобладающие периоды колебаний по отдельным волнам в следующем диапазоне: для продольных волн 0,6—1,6 сек, для поперечных волн 1,4— 5,0 сек, для поверхностных волн 1,8—8 сек.

Эти работы были доложены на объединенной научной сессии научно-исследовательских строительных институтов За­ кавказья в декабре 1959 г. [39].

В 1960 г. нами были получены линейные спектры сейсми­ ческих колебаний и микросейсм путем гармонического анали­ за [76], а в 1961 г.—первые спектры сейсмических колебаний с учетом их непериодичности, о чем было доложено на сес­

20