Геофизики создают карту распределения сейсмических шумов для ЦКП «СКИФ»
- 16.03.2022
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (ИНГГ СО РАН) и Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук» (ФИЦ ЕГС РАН) ведут совместную работу по измерению уровня сейсмических шумов на ускорительном комплексе Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»). Специальная система сейсмического мониторинга фиксирует любые, даже самые мельчайшие, изменения вибрационного фона, чтобы в дальнейшем можно было учитывать эти данные при проведении экспериментов. Тестовые измерения произведены на коллайдере ВЭПП-4М и непосредственно на площадке строительства СКИФа. В данный момент несколько сейсмических станций работают на территории, прилегающей к объекту.
«Ускорители заряженных частиц в силу своих параметров очень чувствительны к любым возмущениям внешней среды, например, они хорошо “видят” землетрясения. По сути это своеобразные сейсмографы, только очень большие и дорогие. Комплекс “СКИФ” — не исключение. Из-за того, что размер пучка в ускорителе совсем маленький, то есть частицы в пучке сильно сконцентрированы, любые возмущения почвы будут на нем сказываться. Например, где-то проедет поезд и раскачает грунт, вибрация вызовет колебания в несколько миллиардов раз меньше метра, но это может существенно изменить параметры пучка», — прокомментировал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Григорий Баранов.
Источник СИ — это своеобразный фонарик, который «светит» в пользовательскую станцию. Если этот фонарик начнет колебаться, его эффективный размер — пятно, которое он будет засвечивать — увеличится. Это приведет к тому, что параметры излучения изменятся, они будут уже не такими точными, как требуется. Именно поэтому важно знать, какой вибрационный фон будет присутствовать на экспериментальной площадке. Эти данные необходимо учитывать уже на этапе строительства объекта, чтобы понимать, какой силы должна быть система подавления колебаний.
«Мы хотим, чтобы у нас действовала полноценная система подавления, как на крупных зарубежных установках, к примеру, Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе или источнике СИ ESRF во Франции. Пользуясь опытом наших коллег-геофизиков, можно уже сейчас задуматься над тем, чтобы после завершения строительства и запуска в эксплуатацию комплекса “СКИФ” у нас была налажена некая система сейсмического мониторинга. Для этого по всей площадке, где расположена установка, нужно разместить сейсмические датчики. Даже если в нескольких километрах пройдет поезд, эти датчики будут фиксировать сейсмические волны. Если эти волны будут чрезмерны, конечный пользователь установки будет попросту “выкидывать” побочные данные из эксперимента. Либо система заблаговременно, по принципу обратной связи, сама будет вносить правки в движение пучка заряженных частиц тем самым стабилизируя его, чтобы любое внешнее возмущение отрабатывалось правильным образом», — сказал Григорий Баранов.
Максим Родякин (ИЯФ), Григорий Баранов (ИЯФ), Петр Дергач (ИНГГ), Ксения Карюкина (ИЯФ) с геофизическим оборудованием
на площадке строительства СКИФа. Фото Юлии Клюшниковой.
Для предварительных замеров использовалось оборудование ИНГГ СО РАН: специальные датчики (сейсмометры) фиксировали колебания грунта и записывали их на сейсмический регистратор, состоящий из аналогового-цифрового преобразователя, системы привязки к точному времени по GPS, wi-fi-модуля для передачи данных на компьютер и пр. «С помощью этих устройств на площадке строительства СКИФа мы производили одновременную запись примерно в 20 различных точках. То есть нам понадобилось не менее 20 сейсмометров. Нашей целью было определить уровень и частотный состав сейсмических колебаний от техногенных источников (автомобилей и поездов), чтобы минимизировать их воздействие на стройплощадку. Измерив в каждой отдельно взятой точке уровень шума от транспорта, курсирующего в пределах нескольких километров, мы определили, допустимый этот уровень или нет (в пределах нормы — смещения порядка 50 нанометров). На основе полученной информации составлены карты распределения шумов по площадке для различных интервалов времени (день/ночь, рабочие/нерабочие часы и так далее). Время — важный фактор, поскольку в различные интервалы времени уровень шумов также будет изменяться», — прокомментировал научный сотрудник ИНГГ СО РАН Петр Дергач.
Кроме того, ИЯФ СО РАН заключил контракт на проведение геофизических измерений с ФИЦ ЕГС РАН. «Мы ведем наблюдения с начала ноября, — рассказал заместитель директора по научной работе Алтае-Саянского филиала ФИЦ ЕГС РАН кандидат геолого-минералогических наук Алексей Еманов. — Вокруг СКИФа установлено пять сейсмостанций с оборудованием высочайшего класса. Изначально планировалось больше, но поскольку на площадке уже началась работа по зачистке территории (выпиливание деревьев, снятие грунта), было принято решение выбрать несколько точек по периметру — со стороны ликеро-водочного завода, автотрассы и железной дороги. Также был установлен ряд станций в дальнем окружении площадки. На ближайшей станции РЖД мы получили расшифровку списка поездов, чтобы можно было посмотреть, что это за типы составов, в какое время и в каком направлении они движутся. С помощью сейсмометров мы фиксируем характерные сигналы и оцениваем их интенсивность. Сейчас по записям сейсмических станций в районе площадки СКИФ можно однозначно сказать, какие поезда проходят на ближайшей станции и даже в каком направлении».
Карта СКИФ с обозначением сейсмостанций. Фото: ФИЦ ЕГС РАН.
Специалисты ФИЦ ЕГС РАН используют несколько типов оборудования — в частности, аналоговые датчики и цифровые регистраторы, которые делают оценку событий и записывает их в память компьютера в виде цифровых отчетов. Привязка ко времени производится с помощью приемников GNSS (спутниковой системы навигации). Эти приемники измеряют время с точностью до 10-8 с. Диапазон измерений, выставленный специалистам ФИЦ ЕГС РАН по техническому заданию — от 2 до 100 Герц. Однако возможности геофизического оборудования гораздо шире — несколько из работающих станций представляют собой широкополосные высокоточные приборы, которые позволяют фиксировать колебания фактически от 0,01 Герца с периодом 120 секунд. Это помогает уловить даже далекие землетрясения.
«Когда происходит сейсмическое событие, например, землетрясение, есть некоторый спектр энергии, который излучается из очага. Зачастую бывает, что локальные грунтовые условия начинают реагировать на колебания. В строении верхней части разреза есть коренные породы, более плотные, и относительно рыхлый осадочный слой, который лежит сверху (глина). В этом осадочном слое максимум энергии передается из высокоскоростной среды, из коренных пород, в низкоскоростную среду, в осадочные породы, которые становятся своеобразной ловушкой для сейсмических волн. Здесь возникают резонансы, усиливающие колебания. Поэтому перед строительством зданий часто проводится микросейсморайонирование, которое может дать информацию о том, какие усиления происходят именно в этом месте. В своей работе мы производим такую оценку резонансов. Когда мы говорили с коллегами из ИЯФ, один из вопросов касался системы компенсации. Если мы будем знать, какое событие приходит, то сможем попытаться его скомпенсировать для того, чтобы не допустить “вычета” нужных параметров», — отметил Алексей Еманов.
Плотную сейсмическую сеть в районе площадки СКИФ также можно рассматривать и как сейсмическую группу, другими словами, сейсмическую антенну. В этом случае для обработки приходящих сигналов используются такие методики сейсмического группирования, как построение луча направленного приема и частотно-волновой анализ. В своей работе сотрудники Алтае-Саянского филиала ФИЦ ЕГС РАН показали, что эти методы можно использовать для определения азимута и угла выхода сейсмических сигналов, приходящих к СКИФу.
Алексей Еманов (Алтае-Саянский филиал ФИЦ ЕГС РАН). Фото Юлии Клюшниковой.
В рамках работы по СКИФу геофизиками ФИЦ ЕГС РАН было зарегистрировано очень редкое для Новосибирской области природное событие с магнитудой больше 4.9. Оно было записано, колебания этого события зарегистрированы в очень широком частотном диапазоне, от долей герца до 45 Гц, пиковое смещение грунта составило 9 мкм, пиковая скорость 0,0143 см/сек, а пиковое ускорение 0,3148 см/сек2. Этим значениям соответствует интенсивность сотрясений поверхности в районе площадки СКИФ менее 1 балла. Но гораздо большее влияние на объект, по мнению специалистов, могут оказывать более слабые и более частые близкие события, к которым относятся техногенные взрывы при добыче полезных ископаемых, движение поездов и автомобилей. К этому необходимо готовиться.
«Специалисты ИНГГ СО РАН и ФИЦ ЕГС РАН имеют большой опыт в сейсмических изысканиях, у них есть современное специализированное оборудование. Они знают, как правильно производить измерения, обрабатывать и интерпретировать полученные данные. Предварительные измерения проводились в ИЯФ СО РАН, на коллайдере ВЭПП-4М. Сейчас мы перешли к замерам вибрационного фона на площадке в Кольцово. Они показали, что большую часть времени амплитуды сейсмических колебаний грунта удовлетворяют требованиям эффективной работы источника СИ “СКИФ”, но движение поездов по близлежащему железнодорожному переезду выводят колебания за допустимые нормы. Поэтому по ходу строительства мы будем производить дальнейший контроль и развивать всю систему», — подчеркнул Григорий Баранов.
По словам ученого, система сейсмического мониторинга может выполнять и другие полезные функции, поскольку комплекс «СКИФ» содержит много компонентов, которые могут вызывать вибрации — к примеру, источники питания в магнитной системе. Даже люди, работающие на установке, будут вносить свой вклад в колебания пучка. Работа насосов, погрузочно-разгрузочных устройств, движение воды в трубах и т.д. – все это может стать бытовыми источниками вибраций. Чтобы вовремя выделить эти вибрации из общего фона, и, при возможности, нейтрализовать их воздействие, необходима подобная система непрерывного мониторинга.