Project


Monitoring of Illegal Testing
#0001


General Information  

Full Title
Theoretical Research of Spreading of the Seismic Waves Arising from Underground Explosions and Earthquakes

Tech Area / Field
  • ENV-SEM: Environment / Seismic Monitoring

Status
1 2 3 4 5 6 7 8
 Project completed

Senior Project Manager
Komarkov D A

Leading Institute
MIFI

Supporting institutes

Collaborators
  • Los-Alamos National Laboratory
  • Sandia National Laboratories
  • Texas Technical University / Department of Mathematics

Project Summary  

The Project is connected with development and Improvement of physical and mathematical models of the processes concerning underground and underwater nuclear explosions. The aim of the project Is to develop the Software for analysis of dynamics and quazistatic properties of decamouflage factors of unsanctioned nuclear tests.

As well known the main decamouflage factors of an undergro-und or underwater nuclear test are different kinds of seismic waves registered at the different distance from the nuclear exp-losion's epicenter. There are remaining quazistatic phenomena in the epicentral zone's vicinity after a nuclear explosion.

The radiate and electro-magnetic effects of the nuclear underground or underwater nuclear explosion (UNE)aren't consi-dered In the Project.

The mathematical problems connected with different aspects of an UNE would be solved to calculate different decamouflage factors.

1. THE NEAREST ZONE OF THE NUCLEAR EXPLOSION. DETERMINATION OF THE SEISMIC SOURCE FUNCTION.

It Is necessary to Investigate the dynamic processes In the zone of non-elastic rock strains of t&e UNE (Including the rupture zone) to calculate the efficient seismic source function for analysis of the seismic signal spreading at the distance about 100-10000 km. The up-to-date state equations, of rocks are proposed to use for decision of the problem In the Project. These equations take Into account gas-water saturation of rocks, plas-tic and quazibrittle failure processes In materials, dilatancy etc.

The Software developed In the Project would be used for analysis of the elastic waves radiated by the UNE. The signal characteristic frequency connected with the rupture zone size and the medium seismic efficiency could be calculated by using the Software.

The fitting parameters of the seismic source function (Blandford-Seggern, Muller-Murphy) could be determined during the analysis of the explosion mechanical effects for various types of geological media. Some calculations would be carried out for decoupling.

2. REGIONAL AND TELESEISMIC DISTANCES. MATHEMATICAL ANALYSIS SYNTHETIC SEISMOGRAMS.

Calculated seismic source functions of UNE blasted under various conditions would be used for exploring of the radiated seismic signal characteristics registered at different distances from the explosion epicenter. New physical models of elastic waves spreading In the Earth's core, crust and mantle would be used at the project. The models take into account Earth's layered structure, nonlinear, disslpatlve and dispersive properties of rocks and seismic wavepath.

The epicenter of an underwater explosion can be located at different distances from a shore near the ocean or sea free sur-face. The problem of discovering and identification of under-water nuclear tests would be considered in the Project.

The analysis would help to Investigate the principal prob-lems of the UNE identification and yield estimation by modeling the processes occuring at unsanctioned UNE tests.

3. QUAZI-STATIC PROCESSES IN THE EPICENTER ZONE.

The Software would be used in modeling quasi-static pro-cesses in the nearest UNE's zone. The elastic waves velocities in destruction and cracking zones, percolation of gazes from the epicenter, cavity formation would tie calculated by using the Software also.

One of the main results of the Project would be the development of the practical recommendations for seismic sounding, acoustic emission measuring after explosion and other measurements In the case of unsanctioned UNE testing.

Предлагаемый проект посвящен разработке и совершенствованию физико-математических моделей явлений, сопровождавших подземный или подводный ядерный взрыв и созданию на базе этих моделей единого комплекса вычислительных программ, позволяющих рассчитывать динамические и квазистатические характеристики демаскирующих факторов несанкционированных ядерных испытаний.

Как известно, основным демаскирующим фактором несанкционированного подземного или подводного ядерного испытания являются различные типы сейсмических волн, регистрируемых на различных расстояниях от эпицентра. Кроме этого, существуют остаточные квазистатические явления в окрестности эпицентральной зоны при подземном испытании.

Радиационные и электромагнитные проявления ядерных испытаний в проекте не рассматриваются.

Для расчета характеристик демаскирующих факторов в проекте предлагается решение ряда задач, связанных с различными стадиями подземного или подводного ядерного взрыва. Для вычисления эффективной функции сейсмического источника (ЭФСИ), которая является исходной для анализа распространения сейсмического сигнала взрыва на расстояния в 100–10000 км, необходимо исследовать процесс динамического развития подземного взрыва в области неупругих деформаций вмещающей горной породы с учетом ее разрушения. Для этого в проекте предлагается усовершенствовать и использовать уравнения состояния различных типов горных пород с учетом газоводонасыщенности, дилатансионных эффектов, процессов квазихрупкого разрушения и т.п.

Предлагаемый программный комплекс позволит моделировать процесс излучения упругих волн как подземного, так и подводного взрыва. Будут определяться сейсмическая эффективность взрыва, вытесненный объем, характерная частота излучаемого сигнала, связанная с размером зоны разрушения.

На основе математического моделирования механического эффекта взрыва на широком классе геологических сред будут определены константы модельных потенциалов (Блэнфорна-Сегерна, Мюллера-Мерфи) для различных сред. Аналогичное моделирование будет проведено для случаев применения специальных мер сокрытия подземных ядерных взрывов (декаплинг).

Несанкционированные ядерные испытания могут также проводиться в морях и океанах на различной глубине. В проекте предлагается рассмотреть проблему обнаружения и идентификации подводных взрывов на основе математического моделирования и расчета характеристик ЭФСИ в океаническом ложе.

Рассчитанные ЭФСИ для различных условий несанкционированных ядерных испытаний будут использованы при изучении! распространения сейсмического сигнала на различные расстояния от Эпицентра и для определения амплитудно-частотных характеристик сейсмического волнового поля ядерного взрыва в месте регистрации. Для решения этой проблемы в проекте предусмотрена разработка и использование физических моделей распространения упругих волн в земной коре, мантии и ядре. учитывающие слоистость, нелинейности, диссипативно-дисперсионные свойства среды, шероховатость земной поверхности и поверхности раздела между слоями и другие особенности трассы распространения сейсмического сигнала.

Проведение Подобных расчетов позволит теоретическими методами решить основные задачи обнаружения несанкционированных ядерных испытаний (сейсмического мониторинга) – задачу идентификации взрыва и оценку его мощности.

Предлагаемый программный комплекс позволит также провести в рамках единого расчета подробное математическое моделирование квазистатических процессов в эпицентральной зове подземного взрыва. Предполагается, что при этом будут рассчитаны изменения скоростей упругих волн во вмещающем массиве горных пород в зоне разрушения и трещиноватости, процесс обрушения полости с учетом действия тектонических напряжений, фильтрации взрывных газов и подземных вод. Результатом исследований будет являться разработка практических рекомендаций при проведении сейсмической локации, измерении поствзрывной акустической эмиссии и других измерениях при возможном проведении международной инспекции в районе несанкционированного ядерного испытания.