Estimate of the impact of storm microseisms on long-term gravimetric measurements

Full Text

Введение

Выполнение наземной гравиметрической съемки разделяется на два равно необходимых этапа – это выполнение полевых и опорных измерений. При этом точность опорных измерений в значительной степени важна для качества получения данных в полевых условиях, в связи с чем в ИФЗ РАН проводятся исследования по оценке влияния внешних факторов на гравиметрические измерения в условиях геофизических обсерваторий.

Ранее были определены особенности построения и использования наземного сейсмогравиметрического комплекса [Абрамов и др., 2010]. Долговременные измерения, выполняемые с помощью данного комплекса, лежат в основе дальнейших исследований по комплексной обработке геофизической информации.

При проведении долговременных гравиметрических наблюдений на комплекс влияет множество различных внешних факторов. Наиболее значительное воздействие на гравиметрические измерения оказывают приливные, сейсмические и метеорологические явления. В ходе проведенных ранее исследований определен уровень влияния землетрясений и метеорологических факторов, в том числе сезонных [Абрамов и др., 2013б; Дробышев 2014; Малышева и др., 2018; Конешов и др., 2023]. Оценен вклад в погрешность измерений неполного или ошибочного учета приливного и сейсмического воздействия по работам [Абрамов и др., 2013а; Дробышев, Конешов, 2013; 2014]. Оценена степень возможного учета сейсмического воздействия, рассмотрена возможность использования сейсмических станций для оценки степени пригодности точек наблюдений к проведению высокоточных гравиметрических измерений и т.д. [Абрамов и др., 2016; Дробышев и др., 2021; 2022] Результаты полученные в ходе исследований могут быть использованы в практической гравиметрии, при мониторинге нефтегазовых месторождений, объектов промышленности и проведении разведывательных экспедиций [Кривицкий, 2012; Грушинский, 1981].

Оценка влияния штормовых микросейсм на долговременные гравиметрические измерения является развитием идеи использования сейсмических станций для оценки степени пригодности пунктов к гравиметрическим наблюдениям. Штормовые микросейсмы представляют особый интерес для исследований проводимых относительными гравиметрами, поскольку они вызваны процессами, имеющими повторяемость и разграничения по силе вызывающих их явлений [Рыкунов, 1967; Любушин, 2014; Соболев и др., 2008; Соболев, 2014; Ardhuin et al., 2011; Friedrich, 1998; Rhie, Romanowicz, 2006].

Целью данной работы является определение уровня влияния штормовых микросейсм на долговременные гравиметрические измерения, выполняемые на различной удаленности от источника, с помощью сейсмометрических данных. Также, учитывая наличие метеорологического прогноза, оценить возможность прогнозирования погрешности гравиметрических измерений на его основе.

Исходные данные и методы

Взаимосвязь данных наземной гравиметрии и сейсмометрии является следствием того, что гравиметр и сейсмометр, действующие на одних физических принципах, устанавливаются на земной поверхности и регистрируют реакцию опоры, каждый в своей полосе пропускания. Сейсмические эффекты, попадающие в полосу пропускания гравиметра, являются помехой для гравиметрических измерений, причем иногда настолько значительной, что встроенная программная и аппаратная системы фильтрации не помогают полностью исключить их влияния [Дробышев и др., 2021; Boddice et al., 2018].

Ранее была предложена концепция математической модели чувствительного элемента гравиметра, использующей в качестве входных данных информацию, полученную с сейсмической станции, которая позволила в значительной мере снизить эффект, оказываемый сейсмическими событиями на гравиметрические измерения [Дробышев, Конешов, 2014]. Реализация математической модели заключается в решении дифференциального уравнения колебательного звена с предварительным подбором коэффициента затухания и частоты собственного колебания маятника, максимально соответствующих данному прибору [Солодовников и др., 1993]. Далее по алгоритму, аналогичному алгоритму гравиметра, по полученным данным рассчитывается модельное значение сейсмической поправки и среднеквадратического отклонения (СКО) [Дробышев, Конешов, 2014]. По тексту статьи под сейсмическими данными будет пониматься именно СКО результатов математического моделирования чувствительного элемента гравиметра с различными сейсмометрическими измерениями в качестве входного сигнала.

В работе использовались данные, полученные одним из наиболее распространенных наземных относительных гравиметров Scintrex CG-5 Autograv, сейсмической станцией UGRA с тремя однокомпонентными датчиками СМ3-ОС и сейсмометрами Streckeisen STS‑1 [Цифровая…, 2005; Относительный…, 2008; Manual 1986]. Гравиметрические измерения выполнялись в геофизической обсерватории “Запольское” во Владимирской области на постаменте гравиметрического пункта первого класса [ГОСТ РВ 1.1-96; Seigel, 1995].

Гравиметр регистрирует приращение силы тяжести и значение СКО, рассчитанное за время, указанное оператором, таким образом, СКО характеризует погрешность полученного единичного отсчета. Совместно с гравиметром велась запись сейсмической станцией UGRA. Приборы были установлены на одном постаменте, что позволяет считать зарегистрированные инерционные помехи идентичными по происхождению. На рис. 1 представлены ряды СКО гравиметрических данных и СКО рассчитанного по сейсмометрическим измерениям.

 

Рис. 1. Ряд СКО гравиметрических данных, полученный с прибора (светло-зеленый) и ряд СКО, рассчитанный по сейсмометрическим измерениям (темно-зеленый).

 

Использование разработанной модели чувствительного элемента гравиметра позволяет по величине сейсмического воздействия оценить значение СКО гравиметрических наблюдений. Сейсмические данные имеют техногенное или природное происхождение, последние можно разделить на сейсмические события и микросейсмический шум. В данной работе рассматриваем влияние на гравиметрические измерения микросейсмического шума природного происхождения, а именно штормовых микросейсм, не углубляясь в причины их вызывающие.

В современных гравиметрах предусмотрена система сейсмической фильтрации, но, несмотря на это, наблюдается остаточная зашумленность, вызванная тем, что в гравиметре микросейсмические воздействия устраняются простым осреднением [Boddice et al., 2018]. Для оценки зашумленности гравиметрического ряда было рассчитано СКО по 5-минутным отрезкам гравиметрических данных, а затем проведено осреднение скользящим 3-х часовым окном (рис. 2).

 

Рис. 2. Пятиминутное СКО, рассчитанное по минутным гравиметрическим отсчетам (светло-зеленый); трехчасовое среднее (черный).

 

Частичное совпадение характера изменения графиков на рис. 1 и рис. 2 говорит о неполной компенсации сейсмической зашумленности математическим аппаратом гравиметра. Амплитудные отклонения отсчетов достигают 2 мкГал, что в целом незначительно, но это с учетом того, что измерения проводились в сейсмически тихом месте, вдалеке от источников шума. При мониторинге нефтегазовых месторождений, объектов промышленности и проведении разведывательных экспедиций зачастую требуется точность до 5 мкГал и такая неточность уже ощутима, не говоря про то, что при приближении к источнику ошибка также будет возрастать [Кривицкий 2012; Грушинский, 1981].

Результаты

Для анализа взаимосвязи повышенного значения СКО гравиметрических данных и штормов в северных морях использовался открытый сервис Ventusky.com, который также дает прогноз погодных условий на неделю вперед. Измеренное гравиметром СКО было условно разделено по интенсивности на 4 группы, которым соответствовала различная высота волн в указанных акваториях. Для 1 группы – это 1–2 м (практически штиль), для 2 группы – 2–3 м, для 3 группы – 4–5 м, а для 4 группы высота волн достигает 5 м и выше (рис. 3).

 

Рис. 3. Измеренное гравиметром СКО, разделенное на группы по интенсивности (горизонтальные черные линии); для 4 группы интенсивности указана высота волн и примерное место штормов.

 

Зафиксированный микросейсмический шум, мог быть вызван различными явлениями, но корреляция наблюдается прежде всего с высотой волн во время штормов у побережья Норвегии и севера России [Табулевич, 1986; Монахов, 1977; Рыкунов, 1967].

Для оценки степени затухания шумового воздействия на гравиметрические измерения рассмотрим величину помех на проведенных ранее синхронных измерениях в Мурманске и Обнинске [Абрамов и др., 2020]. СКО измерений в Обнинске разделено по интенсивности, аналогичной измерениям во Владимире (рис. 4). У берегов Норвегии 18.03.2018 г. зафиксирован шторм с высотой волн, превышающей 7 м, направленных в сторону берега. Далее наблюдается синхронное снижение зашумленности, до вечера 24 марта, когда в Обнинске происходит повышение СКО, вероятно связанное с прохождением антициклона, вызвавшего увеличение атмосферного давления примерно на 10 мБар.

 

Рис. 4. СКО гравиметрических измерений в Мурманске (синий) и Обнинске (зеленый). Горизонтальными черными линиями показано разделение на группы по интенсивности шумов в Обнинске.

 

На примере шторма 18.03.2018 г. хорошо видно увеличение уровня зашумленности данных при приближении к эпицентру событий. СКО в Мурманске достигает 0.6 мГал, в то время как в Обнинске этот же шторм вызвал повышение до 0.2 мГал.

Основываясь на полученных ранее результатах математического моделирования, которые подтверждают общую идентичность свойств СКО модельного и гравиметрических рядов, была проведена оценка уровня зашумленности в пунктах на различной удаленности от береговой линии по сейсмометрическим измерениям. Для оценки влияния прибойных волн на пунктах наблюдений использовалась сейсмометрическая информация, взятая в базе данных международной организации Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS). В пунктах были расположены идентичные сейсмометры Streckeisen STS-1 [Manual…, 1986].

На рис. 5 представлено СКО, рассчитанное по сейсмическим данным для трех исследуемых пунктов: Кево, Обнинск и Ловозеро. Из графиков видно, что СКО, зарегистрированное в Обнинске, достигает 0.03 (безразмерная величина) в пике шторма, в то время как в пункте Кево (Утсйоки, Финляндия), СКО достигает уже 0.13. Данные с пункта Ловозеро, находящегося на среднем расстоянии от источника, также расположены и на графике с максимумом СКО 0.06.

 

Рис. 5. СКО модельных данных сейсмических станций Обнинск (красный), Ловозеро (оранжевый) и Кево (синий).

 

Интенсивность шума в пункте Кево, наиболее близком к береговой линии Норвегии, выше интенсивности шума в пункте Обнинск примерно в 4 раза. Отношение интенсивности шума гравиметрических измерений в пунктах Мурманск и Обнинск составило около 3, что меньше чем на сейсмических данных, но и Мурманск примерно на 260 км дальше от берега Норвегии, чем пункт Кево, в результате чего коэффициент соотношения можно считать заниженным, а результаты сопоставимыми. Для точного определения соотношения безусловно необходимо провести синхронные измерения не только гравиметрами, но и сейсмометрами, что является одним из планов будущих работ.

Обсуждение результатов

Показана зависимость интенсивности шумовой составляющей гравиметрических измерений, проводимых на разном удалении от побережья. Кроме того, было замечено, что величина СКО гравиметрических измерений зависит не только от высоты волн, но и от их направленности относительно береговой линии. Максимума погрешность достигает при направлении волн, ортогональном берегу. На основе проведенных гравиметрических измерений в Мурманске была составлена таблица соответствия уровня зашумленности от силы штормов, являющаяся первой характеристикой зашумленности пункта.

 

Уровень зашумленности гравиметрических измерений в пункте Мурманск, разделенный по группам, в зависимости от силы штормов

Группа	Высота волн	СКО, мГал	dG, мкГал
1	2–3	До 0.1	До 0.005
2	3–4	0.1–0.2	0.005–0.015
3	4–5	0.2–0.3	0.015–0.02
4	5 и выше	0.3 и более	0.02 и более

 

Расчет подобной характеристики на пункт опорных гравиметрических измерений для процесса мониторинга нефтегазовых месторождении, объектов промышленности и проведения разведывательных экспедиций даст объективное представление об интенсивности шумовой составляющей, в частности в осенне-зимний период, характеризующийся повышенной штормовой активностью.

Полученные зависимости являются первой характеристикой зашумленности гравиметрических измерений в пункте, которая может быть рассчитана без проведения долговременных измерений геофизическим комплексом.

Учитывая наличие недельного метеорологического прогноза на примере сервиса Ventusky.com в части силы штормов и направления ветра, можно с определенной вероятностью прогнозировать качество выполняемой высокоточной гравиметрической съемки. Проведенные недельные наблюдения показали, что точность прогноза может быть достаточной для внесения коррективов в процесс измерений, например, приближение штормовой волны к береговой линии, прогнозируемое на 7-й день в 18:00, произошло в итоге в 12:00, что говорит о том, что данные прогноза следует учитывать при долгосрочном планировании как один из факторов, способствующих повышению точности съемки.

Выводы

1. Подтверждено значительное влияние штормовых микросейсм на высокоточные гравиметрические измерения, величина погрешности составляет порядка первых десятков мкГал, что важно для процесса мониторинга нефтегазовых месторождений, объектов промышленности и проведения разведывательных экспедиций.
2. На примере штормовых микросейсм оценено соответствие изменения шумовой составляющей, вызванного удаленностью пункта наблюдений от акваторий подверженных штормам в модельных данных, полученных по сейсмометрическим измерениям выполненным различными сейсмометрами, и в гравиметрических отсчетах, полученных идентичными поверенными приборами.
3. При наличии метеорологического прогноза в части силы штормов и направления ветра, можно запланировать возможное внесение коррективов в процесс выполнения полевых измерений и высокоточной гравиметрической съемки.

Финансирование работы

Данная работа выполнена в рамках государственного задания ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, а также при финансовой поддержке РНФ в рамках гранта 22-17-20035.

About the authors

M.  N.  Drobyshev

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences; Vladimir State University

Email: Drmika88@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Vladimir

D.  V.  Abramov

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: Drmika88@gmail.com
Russian Federation, Moscow

V.  N.  Koneshov

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences; Vladimir State University

Author for correspondence.
Email: slavakoneshov@hotmail.com
Russian Federation, Moscow; Vladimir

References

Supplementary files