Ядерные испытания Атмосферные ядерные взрывы ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЯВ ВЗРЫВ НА НЕВАДСКОМ ПОЛИГОНЕ ВЗРЫВ НА СЕМИПАЛАТИНСКОМ ПОЛИГОНЕ ПОЛИГОН «НОВАЯ ЗЕМЛЯ»

полигон в Аламогордо, штат Нью-Мексико. Это было испытание первой в мире атомной бомбы. На участке диаметром в 1.6 километра в небо взметнулся гигантский фиолетово-зелено-оранжевый огненный шар. Земля содрогнулась от взрыва, к небу поднялся белый столб дыма и стал постепенно расширяться, принимая на высоте около 11 километров устрашающую форму гриба. Первый ядерный взрыв поразил военных и научных.

Ядерные испытания в СССР Оглавление


ГЛАВА 2

ПОДЗЕМНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ:
ТЕХНОЛОГИИ, ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ,
МЕРЫ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ


2.6   РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТАНИЯХ


Общие направления развития методов физических измерений

Московский договор 1963 года ограничил ядерные испытания только подземными условиями. Это потребовало радикального изменения подходов к физическим измерениям. Основной метод определения энерговыделения - метод "огненного шара", - стал неприменим в подземных условиях. Радиохимический метод в подземных условиях потребовал решения новых научных и технических проблем. Для их решения были созданы методики определения мощности и характеристик заряда по анализу изотопного состава проб из полости взрыва. Неизученными были вопросы о влиянии электромагнитных эффектов подземного ядерного взрыва на электронную регистрирующую аппаратуру и кабельные линии связи, о системах регистрации и передачи информации, о радиационном и сейсмическом воздействии на аппаратуру и т.д. С другой стороны, строго фиксированная геометрия подземных испытаний способ-ствовала широкому развитию методов определения параметров ядерного взрыва по проникающим излучениям, в первую очередь, по гамма- и нейтронному излучениям.

Наличие мощных защитных забивочных комплексов требовало создания чувствительных детекторов и регистраторов. В то же время, возможность размещения детекторов как можно ближе к испытываемым зарядам существенно ограничивалась их радиационной стойкостью.

В первых подземных испытаниях сказывалось отсутствие методов измерения полного энерговыделения, обладающего такой же точностью, как метод "огненного шара" в воздушных испытаниях.

На создание такого метода были направлены усилия видных ученых отрасли уже при подготовке первого подземного взрыва и в ноябре 1960 г. был теоретически обоснован один из методов измерения мощности в условиях подземного взрыва.

В 1962-1963 гг. было предложено применить для измерения энерговыделения искусственное окружение заряда естественной однородной средой, что обеспечивало высокую технологичность и простоту постановки опытов.

Последующие исследования привели к заключению, что для зарядов большой мощности в качестве измерительной среды для ударных волн можно использовать горные породы, окружающие концевой бокс с помещенным в нем зарядом. Это составило основу гидродинамического метода измерения мощности, отработка которого началась в 1965 году и который в последующие годы стал одним из основных методов измерения полного энерговыделения ядерного взрыва с высокой точностью.

В то же время поиски альтернативных методов измерения энерговыделения ядерных зарядов продолжались.

Фиксированная привязка места размещения ядерного заряда и измеритель устройств, возможность вывода проникающих излучений от источника в нужном направлении, высокая степень коллимации этих пучков - все это привело к интенсивному развитию гамма-нейтронных методов определения параметров ядерного взрыва. При этом был разработан широкий круг методов, обеспечивающих измерения как интегральных характеристик полей излучения, так и дифференциальных по времени, энергии, пространству.

Радиохимические исследования при подземных ядерных взрывах применялись достаточно широко. Для отбора радиоактивных проб были разработаны специальные системы.

Большие изменения в постановке измерений в штольнях произошли в связи с появле- нием информативного метода изучения формы "горящей" области ядерного заряда. В литературе его называют методом камеры-обскуры, в нашей практике - методом пространственных измерений гамма-нейтронных изображений.

Начало применения этого метода в наших испытаниях относится к 1965 г. Для его реализации в штольне оборудуется устройство типа камеры-обскуры с малым отверстием. Регистрация осуществляется плоским детектором проникающих излучений.

В практическом плане в этом методе широкое применение нашли телевизионные с способы регистрации и передачи изображений.

При подготовке и проведении первых подземных ядерных взрывов большое внимание было уделено отработке способов и приемов для борьбы с электромагнитными наводками измерительной аппаратуре.

Принятые в ходе испытаний меры обеспечили в дальнейшем получение надежных результатов измерений.

Серьезным недостатком постановки физизмерений в штольнях в их первоначальном варианте при размещении приборных боксов с регистрирующей аппаратурой внутри штольни (рядом с детекторами излучений) были неоднократные случаи частичной или полной потери информации из-за засвечивания фотопленок с осциллограммами радиоактивностью проникающей в приборные боксы после взрыва. В значительной мере опасность такой потери информации была преодолена как за счет разработки и широкого применения в осциллографах фотоприставок с быстрым (в течение нескольких минут) "сухим" проявлением, так и путем изменения постановки физизмерений. В новой технологии вся регистрирующая аппаратура размещалась на устье штольни, то есть вне штольни, сначала в стационарных, а; тем в специальных передвижных приборных сооружениях.

Одним из наиболее сложных видов испытаний, проводимых в штольнях, являлись физические облучательные опыты, предназначенные для изучения поражающего действия ядерного взрыва на различные объекты и выработки рекомендаций по их защите от факторов взрыва. В соответствии с задачами таких физических опытов разрабатывалась редакция эксперимента, определялось его оборудование, комплекс физических измерений.

Для обеспечения объема измерений в таких опытах использовались тысячи детекторов разного назначения и линий передачи информации, десятки передвижных сооружений, со- держащих разнообразную регистрирующую аппаратуру. При этом основной объем физических измерений приходился на изучение действия поражающих факторов ядерного взрыва.

Сложными являлись также групповые опыты в штольнях и скважинах. Прежде всего, в таких экспериментах, естественно, увеличивался объем используемых детекторов, регистрирующей аппаратуры, число кабельных линий, более сложной становилось обустройство приустьевых площадок. Дополнительно возникали трудности с созданием системы, задающей требуемую последовательность подрыва ядерных зарядов, и связанной с этим системы управления работой измерительной аппаратуры. Ядерный заряд, взрываемый первым, вызывал сейсмическое и радиационное воздействие на измерительные системы, относящиеся к зарядам, взрываемым в более поздние моменты. В связи с этим предусматривались дополнительные меры по защите детекторов и кабельных коммуникаций от этих воздействий.

Соответствующим образом должна была создаваться система забивочного комплекса и защитных сооружений, чтобы обеспечить необходимую безопасность группового взрыва.

Проведенный сравнительный анализ показал, что постановка и условия ядерных испытаний в штольнях и скважинах существенно различны.

Скважины на Семипалатинском полигоне, как правило, были заполнены грунтовыми водами или буровым раствором. Поэтому все оборудование, опускаемое в скважину, должно защищаться от гидростатического давления многих десятков атмосфер, либо быть рассчитанным на такие давления. Это существенно усложняло эксперимент и определяло конструктивные особенности испытываемых устройств и измерительного оборудования.

Относительно малые размеры скважины и отсутствие зарядной камеры большого объема приводило к пространственным ограничениям в расположении измерительных датчиков и их числу в опыте.

Методы физических измерений для испытаний в скважинах берут свое начало от экспериментов в штольнях, в исследованиях, проводившихся в ближней зоне ядерного взрыва. При этом было очевидно, что весь положительный накопленный опыт измерений в штольнях нельзя полностью перенести на скважинные испытания. Так хорошо зарекомендовавшие себя в штольнях каналы вывода излучений большой длины было технически трудно реализовать в скважинах. Измерения в ближней зоне взрыва в скважине требовали быстродействующей аппаратуры, способной осуществить регистрацию за время до прихода ударной волны. Детекторы и аппаратура предназначались для измерений в условиях высокой удельной интенсивности гамма-нейтронного излучения, что характерно для ближней зоны ядерного взрыва.

Программа физических измерений при ядерных взрывах в скважинах формировалась в зависимости от цели опыта, условий его проведения и требований к объему и точности измерений. Для этого были разработаны методы определения энерговыделения взрыва, измерения параметров гамма и нейтронного излучений, а также оптимальные редакции проведения опытов.

Одним из основных методов измерения энерговыделения ядерных зарядов, испытанных в скважинах, являлся гидродинамический метод.

С использованием специальных пробозаборных систем проводились радиохимические исследования параметров ядерного взрыва, в первую очередь - по выходу благородных газов.

Физические измерения при использовании ядерных взрывов в народно-хозяйственных целях имели свои особенности. Прежде всего это было связано с географией проведения таких работ, проходивших зачастую в труднодоступных местах, в условиях более сложных, чем при работе на ядерных полигонах. Естественно, при этом постановка физических измерений была более простой, а число измеряемых параметров минимальным.

Поскольку для использования в народно-хозяйственных целях применялись заряды, ранее хорошо отработанные на полигонах, то неопределенность в ожидаемых параметрах была невелика. Это позволило ограничиться небольшим числом каналов регистрирующей аппаратуры. Измерения носили контрольный характер и состояли в основном в определении энерговыделения и некоторых технических характеристик ядерного заряда. Энерговыделение определялось гидродинамическим методом с использованием многожильного каротажного кабеля.

Опыт проведения ядерных взрывов в скважинах показал достаточно широкие возможности таких испытаний. Комплекс физических измерений обеспечивал получение требуемого объема данных о характеристиках испытываемых зарядов и параметрах ядерного взрыва. Расчетно-теоретические методы, разработанные для изучения формирования ударных волн, полей излучений и других характеристик ядерного взрыва в специфических условиях скважины позволили правильно интерпретировать получаемые экспериментальные результаты.

Одной из важных проблем при подземных ядерных испытаниях как в штольнях, так и скважинах являлась передача информации об исследуемых процессах от детектирующих систем до записывающей аппаратуры. При этом необходимо было учитывать ряд противоречивых факторов. Так, например, необходимость сохранения информации при возможных неблагоприятных условиях радиационной обстановки потребовала удаления регистрирующей аппаратуры от штольни (скважины), создания новых средств записи и передачи информации, работоспособных в условиях радиационной перегрузки. С другой стороны, удлинение кабельных линий от детекторов, расположенных в штольне или скважине, до измерительной аппаратуры, достигавшее нескольких километров, приводило к существенному искажению формы сигналов, особенно высокочастотных и малой длительности.

В процессе развития технологии проведения подземных ядерных испытаний были найдены компромиссные решения, позволившие найти оптимальные варианты постановки измерений. Отметим некоторые из этих решений.

Использование оптических и волоконно-оптических линий связи повлекло за собой широкое развитие и применение в качестве регистрирующей аппаратуры электронно-оп-тических преобразователей, обладающих уникальными возможностями аналоговой реги-страции световых сигналов с пикосекундным временным разрешением.

Следует отметить, что в связи с разработкой аналого-цифрового регистратора появи-лась возможность регистрировать с пикосекундным разрешением и электрические импульсы. Это обстоятельство открыло путь к более широкому использованию для аналоговых измерений волоконно-оптических линий связи.

Регистрирующая аппаратура для аналоговых измерений и вычислительная техника для обработки цифровой информации была размещена в специально разработанных передвижных аппаратурных комплексах (трейлерах) типа СГ, расположенных у устья штолен. Работа аппаратуры измерительных комплексов управлялась бортовым компьютером, связанным с системой автоматики управления опытом. С помощью радиотелеметрических систем часть обработанной информации передавалась на командный пункт автоматики (КПА) для оперативной информации руководства испытаний о результатах опытов. Итогом развития аппаратурного обеспечения физизмерений при подземных испытаниях явилось создание автоматизированной измерительной системы (АИС).

В процессе совершенствования методов физизмерений большое значение имели математические методы восстановления информации, направленные на уменьшение погрешностей измерения наиболее важных параметров специзделий как с помощью встроенной в аппаратуру физизмерений вычислительной техники, так и с использованием методов и аппаратуры внешних вычислительных центров.



Измерения параметров волны сжатия при проведении подземных ядерных взрывов

Исследования параметров волн, распространяющихся по массиву при подземных ядерных взрывах, начались одновременно с проведением первых подземных испытаний. На первом измерения параметров волновых полей проводились в основном для определения средних зависимостей, которые могли бы использоваться для оценки мощности взрыва по результатам измерения величин массовых скоростей и смещений в сейсмовзрывной волне. В последующие годы был проведен ряд специальных экспериментов в которых исследовалось воздействие сейсмовзрывных волн на различные фрагменты фортификационных сооружений и конструкций. В восьмидесятые годы при проведении некоторых экспериментов измерения параметров волны сжатия использовались для изучения процесса деформирования реального горного массива, содержащего неоднородности различного масштаба. Наряду с традиционными параметрами такими как смещение, ускорение и массовая скорость движения грунта в этих экспериментах проводились измерения динамических и остаточных деформаций на разной базе, величин остаточных смещений по структурным нарушениям.

В общей совокупности измерения параметров волновых полей в ближней зоне подземного взрыва проводились на Семипалатинском полигоне в нескольких десятках экспериментов. Существенно различными были и горногеологические условия проведения испытаний (степень выветрелости массива, обводненность, наличие крупных структурных нарушений и т.д.).

Основные закономерности излучения и распространения упругих волн при взрыве в однородной среде могут быть проиллюстрированы на основе предложенной В. Н. Родионовым схемы развития камуфлетного взрыва, которая позволяет, сильно упростив начальные этапы явления, свести число определяющих параметров к минимуму. Использование на последнем этапе развития полости квазистатического приближения ?позволяет определить на границе неупругой зоны (r = bт) зависимость от времени смещения или радиального напряжения и, вычисляя из решения задачи Шарпа потенциал упругих смещений Ф(t) и рассчитать с его помощью поля скоростей v, смещений u, деформаций и т.д.


здесь , Vp - скорость распространения волны

При оценке максимальных скоростей, смещений и характерных периодов излучаемых при взрывах волн можно, как показывают оценки, воспользоваться приближенным выражением для упругого потенциала:



где Т0 ~ 3-4bm / Vр - характерный период излучаемых при взрыве волн.

Изучались зависимости максимальной массовой скорости от расстояния, рассчитанные по формулам (1)-(2) для упругой среды (декремент поглощения σ = 0) и для сред с различной степенью поглощения (σ = 0,05 - типичное значение для прочных скальных пород типа гранитов - и σ= 0,1). Влияние поглощающих свойств среды на амплитуду распространяющейся продольной волны учитывалось способом, предложенным, для импульсов простейшей формы. Расчетные кривые показывают, что на близких расстояниях (r ≤ 8 - 10bm) закон изменения максимальной массовой скорости с расстоянием можно представить в виде:



где n ≈ 1,4 ÷ 1,6

На больших расстояниях в упругой среде максимальная скорость смещения изменяется обратно пропорционально расстоянию, а в среде с поглощением степень затухания зависит от диссипативных свойств среды и возрастает с расстоянием.

Схема развития камуфлетного взрыва позволяет оценить размеры упругого излучателя радиуса неупругой зоны).

Для пород типа гранита



где d - коэффициент разуплотнения породы в зоне разрушения (d ≈ 1,5 ÷ 2);
E -
энергия взрыва; ρ - плотность; σ* - характерная прочность породы

Оценки по (4) дают значение радиуса упругого излучателя bm ≈ 50—70 м/кт1/3. Используя зависимости (1), (2) и определяющие соотношения для параметров упругого излучателя (4), несложно показать, что параметры излучаемых волн в упругой среде будут подчиняться закону геометрического подобия, то есть на приведенном расстоянии R/q1/3 и в приведенные моменты времени t/q1/3 смещение в излучаемом сигнале пропорционально корню кубическому из энергии взрыва, а скорость колебаний не зависит от энерговыделения заряда. Величина максимальной массовой скорости vт слабо зависит от прочностных свойств среды, а максимальное смещение и периоды волн при взрывах в разных породах могут заметно отличаться (um ~ (σ*)-n, где n ≈ 0,8 ÷ 1).

Таким образом, при рассмотрении параметров волн, излучаемых при взрыве, удобно пользоваться приведенными единицами (R/q1/3, и m/q1/3, t/q1/3).

В силу слабой зависимости максимальной скорости колебаний от характеристик грунта исходя из удобства сравнения амплитудных параметров для взрывов различной мощности хорошей корреляции величины vm со степенью повреждения сооружений, большая часть измерений параметров волны сжатия при проведении подземных ядерных взрывов на Семилатинском полигоне проводилась датчиками массовой скорости.

При подземных испытаниях применялись также датчики ускорений различных типов (пьезоэлектрические, емкостные, тензометрические и др.).

Самое широкое распространение при измерениях массовой скорости с конца 60-х годов настоящее время получили датчики ЖИС (жидкостные измерители скорости). Их большим преимуществом по сравнению со всеми применявшимися до этого измерителями являются малые габариты и вес, позволяющие устанавливать их даже в стандартные шпуры.

Применение ЖИСов позволило уверенно регистрировать максимальную амплитуду колебаний в десятки метров в секунду, а при взрывах на выброс и вспучивание были зарегистрированы максимальные перемещения до нескольких десятков метров, причем эти результаты хорошо согласовывались с оптическими методами регистрации.

В качестве основных характеристик волновых полей при подземных взрывах обычно рассматриваются максимальная скорость колебаний vm, время нарастания скорости до максимума tн, длительность положительной фазы τ+. По результатам измерений расчитывались (при использовании рассчитывались и датчиков смещения измерялись непосредственно) максимальные значения ускорения аm и смещения um.

В экспериментах первых лет для каждого взрыва по результатам измерений устанавли-вались эмпирические зависимости основных характеристик колебаний от расстояния типа



Было установлено, что степень затухания величины массовой скорости с расстоянием в большей части опытов изменяется в пределах m = - (1,6 ÷ 1,8).

По результатам обобщения большого количества экспериментальных данных была установлена уточненная средняя зависимость для Дегелена (В.С.Бочаров, Н.И.Павленко, 1972), которая стала основной при оценке значений максимальной массовой скорости при проведении испытаний.

Проведенный анализ результатов измерений при подземных ядерных взрывах в горном массиве Дегелен в 1962-1987 годах показал (И.В.Бригадин, Б.А.Иванов, Г.Г.Кочарян, 1987), что в целом все массивы в которых проводились испытания можно подразделить на три группы:

а) Прочные скальные массивы (скорость распространения продольных волн более 4 км/сек), в которых взрывы проводились впервые.
б) Сильно выветренные нарушенные массивы (скорость распространения продольны) волн менее 4 км/сек).
Для данной группы взрывов характерна повышенная степень затухания колебаний с расстоянием. Аномально высокими в таких массивах являются обычно длительности положительной фазы волны, что не может быть связано только с повышенным уровнем диссипации энергии. Увеличение длительности положительной фазы наблюдается также и в прочных массивах вблизи тектонических нарушений. Подобные эффекты связаны, по-видимому, с инерционным движением отдельных блоков горного массива, разделенных более мягкими межблоковыми границами. Следует заметить, что размеры этих блоков являются довольно значительными. Они определяются как структурой и прочностными характеристиками массива горных пород, так и параметрами воздействия и составляют L ~ 20 ÷ 50 м/кт1/3.
в) Прочные скальные массивы, нарушенные действием ранее проведенных взрывов.

Подчеркнем, что речь идет о массивах, в которых повторные испытания не проводились на достаточном удалении от эпицентра предыдущих взрывов. Величина максимальных напряжений в волне сжатия предыдущего взрыва составляла, как правило, 300-500 бар.

В результате первого воздействия на массив, по-видимому, оказались нарушенным межблоковые связи, что сказалось на более чувствительных амплитудных и временных пар; метрах колебаний и слабо повлияло на кинематические характеристики волн (времена прихода в точку наблюдения).

Таким образом, за двадцатипятилетнюю историю проведения подземных ядерных испытаний силами ряда организаций была отработана методика измерений параметров сейс- мовзрывных волн, которая позволила исследовать закономерности излучения и распространения волн сжатия в ближней зоне взрыва.



Остаточные сейсмические явления, вызванные подземным ядерным взрывом

Сложное блочно-иерархическое строение реальной геофизической среды определяет ряд ее специфических свойств, основным из которых является накопление необратимых проявлений в результате внешних возмущений с последующей релаксацией. При этом масштаб релаксационных процессов может определяться не только масштабом внешнего воздействия, но также величиной тектонических напряжений, установившихся в массиве горных пород в результате эволюции конкретного участка. Последнее, в частности, означает что небольшие либо умеренные по амплитуде внешние возмущения могут привести в отдельных случаях к весьма неприятным последствиям, сопровождающимся подвижками горных пород оползнями и микроземлетрясениями.

С точки зрения механики деформирования твердой среды крупномасштабное воздействие при подземном ядерном взрыве приводит к весьма значительным необратимым проявлением в большом объеме массива горных пород. При этом подземный ядерный взрыв может выступать как в роли самостоятельного источника структурных аномалий либо неравновесных энергетических полей, так и в качестве инструмента перераспределения в пространстве изначально высоких тектонических напряжений (триггерный эффект). И в том и другом случае к образованию в горном массиве области (либо нескольких изолированных областей), характеризующихся неравновесным состоянием среды. Следствием этого являются релаксационные процессы, в результате которых среда стремиться перейти в новое (вообще говоря, отличное от начального) равновесное состояние (с известным приближением допустимо считать, что по сравнению с сильным механическим воздействием подземного ядерного взрыва флуктуацию естественных полей напряжений можно рассматривать в качестве квазиравновесного состояния среды).

Указанный переход сопровождается явлениями, связанными с высвобождением «излишних» запасов упругой энергии. В рамках механики такими процессами являются: относительная подвижка структурных блоков массива горных пород и его локальные разрушения, структурные элементы, слагающие горный массив в месте проведения взрыва, могут иметь естественное происхождение (размер и архитектура блочного строения определяется естественной тектонической нарушенностью), либо могут образоваться в результате разрушения массива при взрыве. При этом, если в среде изначально присутствуют поверхности ослабления прочности, разрушение (формирование поверхностей сдвига) происходит по указанным зонам или в непосредственной близости от них.

Относительный сдвиг отдельных структурных элементов массива горных пород сопровождается излучением сейсмических волн разной интенсивности.

Помимо указанных причин высвобождения запасенной в среде энергии сейсмические эффекты при подземных ядерных взрывах могут порождаться процессом, не связанным с накоплением либо перераспределением упругой энергии: обрушением горной породы, расположенной непосредственно над камуфлетной полостью. Однако указанные процессы носят нерегулярый характер, что не позволяет использовать их при разработке методик, связанных, например, с контролем проведения подземных ядерных взрывов. Выделение таких сейсмических сигналов из общего сейсмического процесса, как показывает опыт, облегчается наличие у них характерных признаков: относительно низкая преимущественная частота колебания около 1—2 Гц, длительность — первые десятки секунд после взрыва и возможностью размещения сейсмических источников (очагов) в непосредственной близости от камуфлентной полости


Методика регистрации афтершоков подземного ядерного взрыва

Регистрация остаточных сейсмических проявлений (афтершоков) подземных ядерных взрывов проводилась в аналоговом виде, а также с помощью автономной цифровой станции «Экспресс». В качестве первичных преобразователей использовались модифицированные сейсмоприёмники СМ-ЗКВ со встроенными предварительными усилителями. Структурная схема измерительного комплекса включала: центральный пункт регистрации (здесь же осуществлялся сбор и накопление сейсмической информации) и несколько периферийных пунктов регистрации, размещенных на местности.

Каждый периферийный пункт был связан с центральным пунктом кабельной линией для передачи сейсмических сигналов и приема сигналов калибровки. Предварительное усиление сигналов непосредственно на периферийных пунктах обеспечивало надежную помехозащищенность измерительного тракта, что имеет принципиальное значение при удалениях периферийных пунктов от центра сбора данных более, чем на 500 м.

Оборудованная таким образом малоапертурная сеть сейсмических пунктов ПОЗВОЛЯЛА выполнять площадные измерения, связанные с регистрацией импульсных микросейсмических колебаний волнового типа, которые интерпретировались как тектонические афтершоки подземного ядерного взрыва.

В связи с интенсивными псевдосейсмическими помехами в дневное время (движение автомобильного транспорта и т.п.) основная регистрация проводилась в ночное время.

Выделение афтершоков подземного ядерного взрыва на фоне естественных микросейсмических колебаний проводилось в автоматическом режиме на основе вычисления и сравнения дисперсионных соотношений в узком и широком временных окнах, а также с помощью частотной селекции. Выбор оптимального фильтра осуществлялся с помощью спектрально-временного анализа. Метод реализовывался путем проведения скользящей оценки интенсивности сейсмических колебаний в различных частотных интервалах. При этом полезному импульсному сигналу соответствовала область повышенных значений дисперсии, которая определяла частотный диапазон и размещение сигнала на временной оси.

Локация (определение координат) афтершоков осуществлялась с привлечением одной из двух стандартных методик: корреляционного анализа колебаний после поляризационной фильтрации и анализа записей, полученных в центральном пункте трехкомпонентной регистрации и периферийных пунктах однокомпонентной (вертикальная составляющая) регистрации.

В зависимости от конкретных условий проведения эксперимента и качества сейсмической записи точность локации очагов составляла величину от 25 м до 100 м.


Характеристика афтершоков как сейсмических событий

Регистрация наведенной сейсмичности проведена при 7 подземных ядерных взрывах мощностью от ~ 1 до 100 кт в скальных массивах гранитоподобного типа (табл. 2.15).


Таблица 2.15
Эксперимент1234
Дата проведения взрыва18.10.8125.04.8418.09.8418.09.87
Мощность взрыва, кт20-15020-15010<20
Глубина взрыва, м52554056068
Характеристики средысредней нарушенностисредней нарушенностислабонарушенные гранитысильнонарушенные граниты
C, час-140054022010
h0,70,70,60,2
b0,650,650,61,2
Эксперимент567 
Дата проведения взрыва06.09.8808.07.8902.09.89
Мощность взрыва, кт8,520-150<20
Глубина взрыва, м790550402
Характеристики средыпесчаникислабонарушенные гранитыграниты, сланцы
С, час-1202228-
h0,41,0-
b0,60,83-

Наведенные взрывом сейсмические явления представляют собой последовательность сейсмических событий разного масштаба. Всего (напомним, что регистрация проводилась сеансами) в конкретном эксперименте регистрируется от 100 до 2500 афтершоков. Время существования наведенной взрывом сейсмичности определяется многими факторами и, как показали наблюдения, составляет в разных экспериментах величину от 5 суток до 2,5 месяцев.

Одной из наиболее важных характеристик афтершоковых последовательностей отражающих напряженное состояние и другие свойства геофизической среды, является регулярность распределения отдельных сейсмических событий во времени. Временное распределение афтершоков хорошо апроксимируется зависимостью:



где N(t) - число афтершоков в единицу времени; t - время с момента взрыва;
C и h - эмпирические константы (см. табл. 2.15).

С той достоверностью, которую обеспечивают экспериментальные измерения, установлено, что характер изменения интенсивности афтершоковых событий со временем для афтершоков с разной граничной амплитудой примерно одинаков (за исключением афтершоков, характеризующихся значительной амплитудой). Необходимо отметить, что при взрыве в сильно нарушенных массивах горных пород поствзрывная сейсмическая эмиссия характеризуется более слабой интенсивностью и заметно меньшими значениями степени h (опыты 4 и 5, таблица 2.15). При этом время существования остаточных сейсмических явлений существенно меньше, чем при взрыве в слабонарушенных прочных горных массивах.

Характерно, что экспериментальная зависимость (1) соответствует временному распределению афтершоков естественных и техногенных землетрясений (закон повторяемости Omori).


Соотношение между афтершоками разной интенсивности

Привлекая материалы инструментальных наблюдений, можно установить основные закономерности формирования афтершоков как некоторых сейсмических событий, сходных по своей природе с афтершоками землетрясений, и в первую очередь - землетрясений техногенного происхождения. Как известно, одним из наиболее важных соотношений, характеризующих сейсмический режим конкретного участка земной коры, является зависимость, связывающая повторяемость сейсмических событий с величиной их магнитуды:



где N1 - число сейсмических событий с магнитудой, большей или равной М;
t - время с момента взрыва;
A и b - эмпирические константы.

Не касаясь на данном этапе вопроса об определении и установлении магнитуды афтершоков, проанализируем зависимость величины 1g N1 от амплитуды афтершока А0. Воспользуемся зависимостью между энергией сейсмического события E и его магнитудой:



Так как полная сейсмическая энергия связана с амплитудой А0 соотношением Е ~ A02, получаем с использованием (2),(3):



С использованием зависимости (4) легко восстанавливаются значения параметра b в зависимости (2) для разных экспериментов. Несмотря на сильно отличающиеся условия экспериментов, величина параметра b варьирует не сильно (табл. 2.15):




Энергия афтершоков

Сейсмическая энергия афтершоков характеризуется быстрым спаданием во времени. Полная сейсмическая энергия афтершоков, например, в эксперименте Bencham (Невада, США, мощность взрыва 1100 кт) составила около 1% от энергии взрывной волны, которая, в свою очередь, составила 2,6% от энергии взрыва. При этом распределение энергии по афтершокам различной магнитуды существенно неравномерное. Так в трех афтершоках подземного ядерного взрыва Bencham с магнитудами 4,4; 4,3 и 4,1 выделилось 90% от суммарной сейсмической энергии всех афтершоков, в то время как сейсмическая энергия всех афтершоков с магнитудой в интервале 0 ÷ 1,3 составила лишь 0,005%.

Приведенные данные можно рассматривать как типичные для крупномасштабных подземных взрывов. Однако известны случаи (хотя и единичные), когда энергия афтершока существенно превышает энергию взрыва. Последнее может произойти в том случае, когда значительный по объему участок массива горных пород с большим запасом тектонической энергии находится в состоянии неустойчивого равновесия. В этом случае подземный взрыв может явиться спусковым механизмом для землетрясения. Примером подобного техногенного землетрясения может служить крупное сейсмическое событие, произошедшее 16 апреля 1989 г. в районе Кировского рудника производственного объединения "Апатит" (г. Кировск, Мурманской области) после проведения химического взрыва. Взрыв 230 тонн химического ВВ представлял собой обычный взрыв с целью отбойки очередного блока горной породы в подземных условиях. Система замедлений с последовательным подрывом скважин занимала интервал 400-500 мс. Именно в этом интервале с некоторой задержкой от начала взрыва произошло землетрясение, которое по сейсмическому эффекту в эпицентре имело силу 6-7 баллов. В г.Кировске, отстоящем от эпицентра на 6 км, внешние проявления соответствовали уровню в 4-5 баллов. Магнитуда землетрясения М = 4,8-5 соответствует сейсмической энергии 1012 Дж (для сравнения сейсмическая энергия рассматриваемого взрыва составляет ~ 109 Дж).

Локация очагов афтершоков представляет особый интерес, поскольку пространственное распределение событий не только указывает на величину зоны неравновесного состояния среды, но и позволяет судить также о роли структурно-тектонического строения среды в формировании неравновесных энергетических полей при подземных ядерных взрывах.

Определенный вклад в развитие отечественной гражданской и военной сейсмологии внёс и Институт сейсмологии АН Узбекистана, созданный по инициативе автора этих строк в 1966 году после разрушительного Ташкентского землетрясения. Наши достижения в 80-х годах прошлого столетия в области автоматизации сейсмических наблюдений способствовали возникновению в Ташкенте и другого, сугубо "военизированного", научного учреждения - НИИ "Алгоритм" АН Уз ССР, в котором работали и мои воспитанники и подопечные.
Измерения при подземных ядерных испытаниях