Математическое моделирование и экспериментальные исследования в задачах активной сейсмологии с мощными вибрационными источниками

В диссертационной работе изложены результаты исследований автора, выполненных в 1975;2005 гг., посвященных математическому моделированию и экспериментальным исследованиям в задачах активной сейсмологии с мощными вибрационными источниками сейсмических волн.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Последние три десятилетия прошлого века характеризовались активным развитием нового направления в геофизике, получившего в последнее время название активной сейсмологии, основанного на применении мощных управляемых вибрационных источников сейсмических волн для глубинных исследований Земли. Работы в этом направлении были инициированы созданием метода вибрационной сейсморазведки и сейсморазведочных вибраторов, показавших возможность эффективного использования невзрывных источников в производственной геофизике. Идея изучения глубинных недр и геодинамических процессов в Земле с использованием вибрационных источников — Вибрационное просвечивание Земли (ВПЗ), была высказана в 1970;х годах (А.В.Николаев, Е. В. Артюшков, И. С. Чичинин, П. А. Троицкий, И.Н.Галкин).

В активных методах сейсмических исследований проявляются преимущества по сравнению с пассивными методами, связанные с точно определенными координатами и временем работы источника, возможностью возбуждения колебаний заранее заданной формы и многократного воспроизведения идентичных воздействий на изучаемую среду (повторяемость эксперимента) — возможностью управления экспериментом на компьютерной основеповсеместностью применения и экологической безопасностью.

Использование мощных вибрационных источников низкочастотного диапазона открывает возможность проведения исследований глубинного строения земной коры и верхней мантииизучения геодинамических процессов в сейсмоопасных и вулканических зонахисследования взаимосвязи волновых полей, генерируемых вибраторами и физических эффектов, возникающих при вибрационном воздействии на геологическую среду, а также практического применения в прикладных областях.

Практическая реализация метода ВПЗ проводилась в рамках программы АН СССР «Вибрационное просвечивание Земли» (руководитель академик А.С.Алексеев), в выполнении которой участвовали институты Сибирского отделения: ИГД, ИГиЛ, ИГФ, ИВМиМГ (ВЦ), НОМВЭ, СКБ ГИТ, СКБ ПГ, СКБ ВТ, совместно с ИФЗ им. О. Ю. Шмидта и ОНИИП. Была решена сложная комплексная научнотехническая задача, связанная с созданием мощных вибрационных источников низкочастотного диапазона и прецизионных систем управления, систем регистрации и обработки вибрационных сигналов, а также с решением теоретических вопросов вибрационного излучения сейсмических волн, моделирования и расчета вибрационных волновых полей, с разработкой методик вибросейсмических исследований.

Ключевым моментом в создании нового направления активной сейсмологии явилась разработка мощных вибросейсмических источников, работающих в диапазоне частот 1−10 Гц. Создание таких источников на принципах сейсморазведочных вибраторов не оказалось эффективным. Решения были найдены на основе разработанных принципов и схем резонансного согласования с грунтом и создания колебательных систем с перестраиваемым резонансом для эффективного излучения в области низких частот. Для целей ВПЗ были разработаны стационарные вибраторы ГСВ-100, ЦВ-100, НЦВ, ЦВА, ГРВ-50 и ГРВ-200 с вибрационным усилием на грунт 500−2000 кН и передвижной вибратор ЦВ-40 с усилием 400 кН. Были созданы также специализированные комплексы цифровой регистрации вибрационных сигналов БЕРЕЗА, КАРС, ВИРС, КРОС-РС, РОСА, ТРАЛ, БАЙКАЛ, ГЕОН с высокими метрологическими характеристиками и системы компьютерной обработки вибросигналов. (Б.В.Войцеховский, А. С. Алексеев, Н. П. Ряшенцев, А. П. Малахов, Н. И. Макарюк, И. С. Чичинин, В. И. Юшин, Н. И. Геза,.

В.В.Ковалевский, Б. М. Пушной, Л. В. Бурый, В. Н. Кашун, Б. М. Глинский, М. С. Хайретдинов. М. Н. Шорохов, А. П. Григорюк и др.).

За время становления и развития метода ВПЗ был проведен большой объем теоретических и экспериментальных работ по обоснованию вибросейсмического метода, по исследованию процессов излучения сейсмических волн вибрационными источниками, характеристик их волновых полей и физических эффектов, возникающих при вибрационном воздействии на геологическую среду (А.С.Алексеев, А. В. Николаев, В. В. Кузнецов, А. С. Алешин, М. В. Невский, И. Н. Галкин, Б. Г. Михайленко, И. С. Чичинин, В. И. Юшин, В. В. Ковалевский, Б. М. Пушной, Б. М. Глинский, М. С. Хайретдинов, В. С. Селезнев, В. М. Соловьев, А. Ф. Еманов, М. В. Курленя, C.B.Сердюков, В. А. Бабешко, Л. Е. Собисевич, А. Л. Собисевич, В. В. Гущин, В. И. Ридигер, Л. Д. Бабиенко, А. С. Шагинян, М. Б. Шнеерсон, В. З. Рябой и др.).

При изучении глубинного строения Земли наибольший объем экспериментальных исследований с мощными вибраторами был выполнен в Алтае-Саянском и Охотско-Чукотском регионах, в районе оз. Байкал с общей протяженностью профилей вибро-ГСЗ более 2000 км. В европейской части России методом вибро-ГСЗ был отработан профиль «Уралсейс» протяженностью 500 км. На Новосибирском, Байкальском и Краснодарском вибросейсмических полигонах проводятся работы по методике вибросейсмического мониторинга и изучения геодинамических процессов (В.С.Селезнев, В. М. Соловьев, А. Ф. Еманов, А. К. Сулейманов, Р. Г. Берзин, А. П. Жуков, В. А. Бабешко, В. И. Юшин, Н. И. Геза, Б. М. Глинский, В. В. Ковалевский, М. С. Хайретдинов, Г. И. Татьков и др.).

Созданные мощные вибрационные сейсмические источники для ВПЗ и выполненные исследования показали возможность их практического использования в новых областях геофизических и инженерных приложений. В настоящее время активно развиваются новые вибрационные геотехнологии: активный вибросейсмический мониторинг сейсмоопасных и вулканических зонвибросейсмическое воздействие на нефтяные пласты для повышения нефтеотдачивибрационное микросейсморайонированиеизучение устойчивости глубинных фундаментов в районах строительства и эксплуатации экологически опасных сооруженийинженерно-сейсмологические исследования зданий, мостов и сооруженийвибросейсмическая калибровка сейсмостанций международной сети IMSперспективные задачи решения проблемы глобальной томографии Земли.

Эти технологии развиваются большими коллективами инженеров и исследователей в ОИФЗ им. О. Ю. Шмидта РАН, ИГД СО РАН, ИГиЛ СО РАН, ИГФ СО РАН, ИВМиМГ СО РАН, ГС СО РАН, АСФГС СО РАН, ГИ СО РАН, ИПНГ РАН, КубГУ, отраслевых и других исследовательских организациях.

Из зарубежных исследований с вибрационными источниками можно отметить работы по созданию электромагнитных вибраторов, выполненных в Голландии, работы по вибросейсмическому мониторингу сейсмоопасной зоны разлома Сан-Андреас в США, и большой комплекс работ по созданию системы вибросейсмического мониторинга ACROSS и проведению вибросейсмических экспериментов в Японии (Р.Унгер, У. А. Ван Кампен, А.Дж.Беркхоут, Т.В.Мак-Эвили, Р. В. Клаймер, М. Кумазава, Дж. Касахара и др.).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является исследование принципов создания мощных резонансных вибрационных источников сейсмических волн с нелинейными колебательными системами и процессов прецизионного управления при излучении вибрационных сигналов на основе разработанных моделей и методов математического моделированияисследование метрологических характеристик метода активного вибросейсмического мониторинга и геофизических процессов при вибросейсмических исследованияханализ и сравнение результатов математического моделирования с экспериментальными даннымиэкспериментальные исследования волновых полей в задачах активной сейсмологии с мощными вибрационными источниками сейсмических волн.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Разработка принципов создания мощных резонансных вибрационных гидромеханических источников с нелинейной колебательной системой на основе результатов математического моделирования, исследование аналитическими и численными методами амплитудно-частотных, энергетических характеристик источников, процессов управления, разработка технических решений источников, экспериментальные исследования динамики источников и излучаемых вибросейсмических волновых полей.

2. Исследование гидрорезонансных вибрационных источников, математическое моделирование нелинейной колебательной системы источник-грунт, системы возбуждения колебаний и системы управления, разработка алгоритмов управления и программного обеспечения для компьютерной системы управления, разработка технических решений источника, анализ результатов и сравнение с экспериментальными данными, экспериментальные исследования излучаемых вибросейсмических волновых полей.

3. Разработка математических моделей и исследование сверхмощных вибрационных сейсмических источников — шахтного гидрорезонансного источника и морского резонансного источника с газонаполненным излучателем, определение резонансных и энергетических характеристик, параметров излучаемого волнового поля.

4. Исследование метрологических характеристик метода активного вибросейсмического мониторинга при использовании свип-сигналов и гармонических зондирующих сигналов, оценка точности определения временных и спектральных характеристик вибросейсмических сигналов, оценка чувствительности метода' мониторинга к малым вариациям параметров среды на основе математического моделирования для системы «земная кора — мантия» с изменением параметров во внутренней области, экспериментальные исследования по определению связи вариаций' параметров вибросейсмического поля с деформационными процессами, вызванными земными приливами, анализ экспериментальных данных.

5. Математическое моделирование и экспериментальные исследования акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами, исследование на основе разработанных математически моделей процессов излучения акустических волн вибратором, распространения акустических волн в приповерхностном волновом канале, акустосейсмической индукции, сравнение с экспериментальными данными.

6. Анализ геотехнологий с использованием мощных вибраторов — активного вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных зон, глобальной томографии Земли, вибросейсмической калибровки сейсмостанций, разработка концепций и методик, технических предложений и анализ экспериментальных данных.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. При исследовании резонансных вибрационных источников разрабатывались модели механической колебательной системы вибратор-грунт, учитывающие нелинейность характеристик колебательного контура вибратора и системы возбуждения колебаний (привода) и связь его с упруго-инерционной моделью грунта. Рассматривалась система обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка, описывающая динамику системы. Были получены аналитические оценки решений при вводимых ограничениях на параметры. В общем случае система уравнений решалась численно. Исследование взаимодействия колебательной системы и системы возбуждения колебаний рассматривалось с позиций теории колебаний для определения условий существования стационарных режимов колебаний (предельных циклов). Исследования устойчивости режимов управления и алгоритмов опиралось на теорию устойчивости и теорию управления.

При моделировании сверхмощного шахтного вибратора рассматривалась комбинированная модель и решались две независимые задачи — нелинейная задача конечных колебаний столба сжимаемой жидкости на адиабатическом газовом объеме при учете влияния упругости окружающего полупространстваи динамическая задача теории упругости для упругого полупространства с напряжениями на границе цилиндрической полости в качестве граничных условий. Для сверхмощного морского вибратора математическая модель сочетает в себе движение масс оболочек и упругостей, которое описывается уравнениями механики, и движение жидкости под действием пульсирующего газового объема, которое описывается уравнениями динамики сжимаемой жидкости.

Математического моделирование вибросейсмического мониторинга изменений упругих характеристик во внутренней области земной коры выполнено в приближении волнового уравнения и модели системы «земная кора-мантия» в виде слоя на полупространстве с различными величинами скоростей упругих волн. Волновое поле в среде рассчитано в лучевом приближении. Вариации волнового поля в среде и на свободной поверхности определены в дифракционном приближении путем расчета диаграммы направленности фиктивного объемного источника в области изменений характеристик. При исследовании метрологических характеристик метода использованы статистические методы оценки характеристик микросейсмических шумов. При анализе данных экспериментов по исследованию влияния приливов на вариации вибросейсмических полей использовался спектральный анализ с неравномерными рядами данных.

Математическое моделирование акустосейсмических волновых полей вибраторов выполнено для модели атмосферы, включающей низкоскоростной слой у поверхности. Энергетические оценки сделаны в лучевом приближении, для процесса распространения акустических волн решалось двумерное волновое уравнение. Процесс акустосейсмической индукции рассмотрен для упругого полупространства с решением двумерных уравнений динамической теории упругости и граничных условий на поверхности из акустических решений. Выполнены экспериментальные исследования акустосейсмических полей, генерируемых мощными вибраторами и проведено сравнение с результатами математического моделирования.

В качестве фактического материала использовались данные измерений динамических параметров вибрационных источников, выполненных автором в ИГиЛ СО РАН и ИВМиМГ СО РАН, а также данные экспериментов с мощными вибрационными источниками, проводившиеся при участии автора в Отделе геофизической информатики ИВМиМГ СО РАН, и при проведении совместных экспериментальных работ с ИГФ СО РАН, ГС СО РАН, АСОМСЭ СО РАН и ГИ СО РАН.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. На защиту выносятся принципы создания и результаты исследования резонансных вибрационных источников с нелинейными колебательными системами, гидрорезонансных вибраторов с перестраиваемым резонансом и параметрическим возбуждением колебаний, обоснованные методами математического моделирования на основе разработанных математических моделей, результаты математического моделирования колебательных систем «резонансный источник-грунт», систем возбуждения колебаний и систем управления, разработанные принципы построения одноконтурной системы управления резонансными вибраторами, алгоритмы для компьютерной системы управления, новые технические решения построения источников, результаты экспериментального определения параметров источников и генерируемых ими вибросейсмических полей.

Математические модели и результаты математического моделирования сверхмощных вибрационных сейсмических источников — шахтного гидрорезонансного источника и морского резонансного источника с газонаполненным излучателем, схемы их построения, определенные частотные и энергетические характеристики источников и излучаемых волновых полей.

Результаты исследования метрологических характеристик метода вибросейсмического мониторинга при использовании свип-сигналов и гармонических зондирующих сигналов, полученные оценки точности определения характеристик сигналов и аналитические оценки чувствительности метода к малым вариациям параметров во внутренних областях среды. Результаты анализа данных экспериментов по определению связи вариаций параметров вибросейсмического поля с деформационными процессами, вызванными земными приливами.

Результаты теоретического и экспериментально исследования акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами, исследования процессов излучения акустических волн вибратором, распространения акустических волн в приповерхностном волновом канале, акустосейсмической индукции.

Разработанные концепции и методики, технические предложения и результаты анализа экспериментальных данных для новых геотехнологий с использованием мощных вибраторов — активного вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных зон, глобальной томографии Земли, вибросейсмической калибровки сейсмостанций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые выполнены комплексные исследования мощных резонансных вибрационных источников для ВПЗ, включающие создание математических моделей источников, определение на основе математического моделирования параметров основных систем источников, разработку технических решений, создание вибраторов и выполнение экспериментальных исследований. На основе созданных моделей были исследованы резонансные схемы вибрационных источников с нелинейным колебательным контуром и колебательным контуром с перестраиваемым резонансом и параметрическим возбуждением колебаний. Разработанные технические решения резонансных вибраторов обладают новизной и защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

При создании вибрационных источников для глубинных исследований Земли ГСВ-100, ГРВ-50 и ГРВ-200 впервые были найдены такие варианты построения колебательной системы и привода, которые позволили объединить в одном контуре системы управления две функции: настройку и поддержание резонанса колебательной системы и синфазно согласованную с ней работу привода. Для мощных резонансных вибраторов впервые был разработан компьютерный программно-аппаратный комплекс системы управления, объединяющий в себе возможности синтеза широкого класса зондирующих сигналов и различных алгоритмов автоматического управления вибратором.

В задаче исследования метрологических характеристик метода активного вибросейсмического мониторинга при использовании свип-сигналов и гармонических зондирующих сигналов получены оценки точности определения временных и спектральных характеристик сигналов. Впервые получены аналитические оценки чувствительности метода к малым вариациям параметров во внутренних областях среды для гармонических зондирующих сигналов в рамках слоистой модели земная кора-мантия и волнового уравнения. Выполнен анализ данных экспериментов по определению связи вариаций параметров вибросейсмического поля с деформационными процессами, вызванными земными приливами и показано, что чувствительность метода мониторинга к вариациям скоростей сейсмических волн в земной коре может составлять 10″ 5−10~6 на базах наблюдений 300−400 км.

Впервые выполнено математическое моделирование акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами, исследованы процессы излучения акустических воли вибратором, распространения в приповерхностном волновом канале, акустосейсмической индукции. Экспериментально исследованы поверхностные сейсмические волны, индуцируемые акустическим излучением вибратора, проведено сравнение с результатами моделирования.

Новым в разрабатываемых геотехнологиях с использованием мощных вибраторов является концепция построения инструментально-информационной системы мониторинга сейсмоопасной зоны и обоснование ее экспериментами «Круг» и «Байкал», показавшими возможность реализации такой системы в области диаметром 300 км и 550км*250км, соответственно. Для глобальной томографии Земли предложена концепция организации сети сверхмощных вибрационных источников, разработаны и промоделированы конструкции шахтного и морского сверхмощных вибраторов. Для технологии вибросейсмической калибровки. сейсмических станций выполнен анализ экспериментальных данных по сопоставлению волновых полей вибраторов и калибровочных и промышленных взрывов, необходимый для обоснования методики.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ определяется, прежде всего, ее направленностью на решение задач, непосредственно связанных с развитием технических и программных средств и методов активных геофизических исследований с мощными вибрационными источниками. Результаты математического моделирования резонансных вибрационных источников позволили определить параметры колебательных систем, систем возбуждения колебаний и систем управления, необходимые для обеспечения частотного диапазона, силовых и энергетических параметров создаваемых сейсмических вибраторов. Эти результаты были реализованы в конструкциях низкочастотных вибраторов ГСВ-100, ГРВ-50 и ГРВ-200, которые используются в опытно-методических работах по развитию активных методов мониторинга. В частности, результаты математического моделирования процессов управления были использованы при создании первой компьютерной системы управления гидрорезонансными вибраторами.

Моделирование активного вибросейсмического мониторинга при использовании свип-сигналов и гармонических зондирующих сигналов позволило обосновать методику, получить оценки метрологических характеристик метода, его точности и чувствительности к малым вариациям параметров среды. Математическое моделирование и экспериментальные исследования акустосейсмических волновых полей, генерируемых вибраторами, позволили внести уточнения в методику вибросейсмического мониторинга с гармоническими сигналами. Эти результаты используются в настоящее время при проведении вибросейсмического мониторинга Байкальской сейсмоопасной зоны, выполняемого БФ АСОМСЭ СО РАН и ГИ СО РАН.

Результаты анализа геотехнологий с использованием мощных вибраторовактивного вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных зон, глобальной томографии Земли, вибросейсмической калибровки сейсмостанций, положены в основу разработанных концепций, методик и технических предложений их реализации.

АКТУАЛЬНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Работа выполнялась в соответствии с планами следующих научно-исследовательских работ, программам и проектов: план научно-исследовательских работ ИВМиМГ СО РАН по темам «Геофизическая информатика» (номер государственной регистрации 01.9.30 002 294), «Информационные системы для геофизических исследований» (номер государственной регистрации.

01.20.2 869), «Исследование и моделирование волновых полей и процессов при вибросейсмическом мониторинге среды» (номер государственной регистрации.

01.20.2 870) «Математическое моделирование, методы и алгоритмы обработки геоинформации в задачах исследования волновых сейсмических полей, вибросейсмического мониторинга и дистанционного зондирования. Теоретические исследования и математическое моделирование вибросейсмического мониторинга среды" — государственные научно-технические программы: ГНТП «Перспективные информационные технологии», НИП № 661 «Разработка и создание новых геоинформационных технологий для прогноза землетряесений» НИП № 1054 «Разработка новых информационных технологий для вибрационного просвечивания земной коры и верхноей мантии», ГНТП «Глобальные изменения природной среды и климата», НИП № 2.5.2. «Развитие методов и аппаратных средств решения задач геофизического мониторинга с целью изучения типовых сейсмических регионов России», НИП № 5.1.3 «Теоретическое и экспериментальное исследование возможности глобальной томографии Земли" — программы Госкомитета по науке и технике № 024 «Содержание уникальных стендов и установок» «02−09 Вибросейсмический комплекс для глубинных исследований Земли. Гидрорезонансные вибросейсмические излучатели»;

Федеральная целевая программа «Интеграция», проект № 368 «Учебно-научный комплекс Кубань-Сибирь-Москва на службе стабилизации устойчивого развития двух регионов», проект № Б 0121 «Геоэкологическая безопасность и ресурсы Краснодарского края и Юга России" — программа Президиума РАН № 13.10 «Разработка теоретических и экспериментальных основ метода мониторинга Байкальской сейсмоопасной зоны с использованием гармонических вибросейсмических полей" — проект МНТЦ № 1067 «Создание технологии калибровки сейсмических станций и сейсмических трасс с использованием мощных сейсмических вибраторов" — программа СО РАН «Сибирь» «Комплексное исследование региональных и глобальных геологических процессов и ' создание научных основ наращивания минерально-сырьевого потенциала" — программа СО РАН «Математическое моделирование, информационные технологии и вычислительная техника», целевое задание «Активное вибросейсмическое зондирование Земли" — интеграционный грант СО РАН № 77 «Стратегия прогноза землетрясений на ЮжноБайкальском геодинамическом полигоне», «Исследование и разработка методических и технических средств для мониторинга Байкальской рифтовой зоны с использованием мощного вибратора ЦВ-100», экспедиционных грантов СО РАНпроекты РФФИ 96−05−65 600, 98−05−65 306, 01−05−74 687, 03−05−64 614, 03−05−78 082, 0405−74 745, 04−05−79 008, 95−05−15 552,.98−05−65 210, 00−05−65 292, 00−05−65 323, 01−05−65 182, 03−05−65 292, 04−05−64 177, 05−05−97 270-рбайкал.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Всего по теме диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано более 100 работ, в том числе 2 монографии, 10 патентов на изобретения, 46 статей, из которых 20 — в ведущих отечественных и зарубежных изданиях, 26- в тематических сборниках, 42 — в материалах конференций. Материалы диссертации и основные полученные результаты отражены в работах [1, 2, 6, 12−14, 20−25, 46−55, 97−103, 145−152, 209, 210, 298−302, 335, 340−347, 368]. В монографиях [1,2] вклад автора в главах по вибрационным источникам, вибросейсмическим исследованиям глубинного строения коры, активному вибросейсмическому мониторингу, моделированию сверхмощных источников, исследованию взаимосвязи волновых полей вибраторов, вибросейсмической калибровке сейсмотрасс. При разработке в соавторстве конструкций вибрационных источников, выполненных в ИГиЛ СО РАН и защищенных авторскими свидетельствами [46−53], выбор конструктивных схем и основных технических решений принадлежит Б. В. Войцеховскому, автором выполнено теоретическое обоснование, математическое моделирование и технические решения систем управления. Автору принадлежит идея и основные технические решения гидрорезонансных вибраторов, созданных в ИВМиМГ СО РАН в соавторстве и защищенных авторскими свидетельствами [54, 55], а также разработка принципов построения одноконтурных систем управления резонансными вибраторами и алгоритмов [209,210].

Концепция активной сейсмологии с мощными вибрационными источниками, описанная в работах [14, 102, 300], развита под руководством и с определяющим вкладом А. С. Алексеева, автором выполнялось решение вопросов создания вибрационных источников и участие в получении и обработке экспериментальных данных. Концепция глобальной томографии Земли, описанная в работах [6, 21] развита совместно с А. С. Алексеевым и Б. М. Глинским, автору принадлежит идея, технические решения и выполнение математического моделирования сверхмощных вибрационных источников [344, 346]. Концепция инструментально-информационной системы мониторинга сейсмоопасной зоны, описанная в работах [99] развита совместно с А. С. Алексеевым и Б. М. Глинским. В работах по вибросейсмическому мониторингу [20, 101, 102, 345] автором предложена методика вибрационной интерферометрии, выполнена обработка и анализ экспериментальных данных и выявлена коррелированность вариаций поля с земными приливами. В работах по исследованию акустосейсмических эффектов [24, 149, 340,] автором выполнен теоретический анализ, участие в экспериментах и обработка экспериментальных данных. В работах по изучению физических эффектов при работе вибраторов, изучения строения земной коры, калибровке сейсмических трасс и разработке геотехнологий [13, 22, 25, 97, 103, 298, 368] автор участвовал в разработке концепций, обосновании методик, в экспериментах и обработке данных.

Автор является инициатором, организатором и участником проведения экспериментов «Круг» и «Байкал» по натурному моделированию систем вибросейсмического мониторинга, организатором и участником создания гидрорезонансных вибраторов ГРВ-50 и ГРВ-200 на Быстровском полигоне СО РАН.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных семинарах по проблемам прогнозирования землетрясений (Лагос, Нигерия, 1990, Берлин, Германия, 1991), на международных конференциях Общества разведочной геофизики SEG (Сан-Франциско, США, 1990, Санкт-Петербург, 1995), на Генеральной Ассамблее Европейского геофизического общества EGU (Ницца, Франция, 1998), на международном симпозиуме по теории и технологии мониторинга землетрясений (Токи, Япония, 1998), на международном семинаре (Чунгнам, Корея, 2003), на Генеральных Ассамблеях Ассоциации сейсмологии и физики Земли IASPEI (Ханой, Вьетнам, 2001, Сантьяго, Чили, 2005), на ежегодных собраниях Американского геофизического союза AGU (Сан-Франциско, США, 2001, 2004), на 1-ом международном симпозиуме по прогнозу землетрясений (Афины, Греция, 2003), на 17-ом международном симпозиуме по электромагнитной индукции в Земле (Мумбай, Хайдерабад, Индия, 2004), на 1-ом международном симпозиуме по активному мониторингу в геофизике твердой Земли (Мизунами, Япония, 2004), на 2-ом международном симпозиуме «Активный геофизический мониторинг литосферы Земли» (Новосибирск, Россия. 2005), на Выставке научно-технических достижений Сибирского Отделения РАН (Шеньян, Китай, 2002), на международной конференции «Математическое моделирование в экологии» (Новосибирск, 1996), на международной конференции по Договору о взаимном запрещении ядерных испытаний (Москва, 1996), на международном семинаре «Мониторинг и обнаружение подземных ядерных взрывов и землетрясений» (Москва, 1997), на 6-ом международном семинаре «Распределенная обработка информации-98» (Новосибирск, 1998), на международной конференции «Методы изучения, строение и мониторинг литосферы» (Новосибирск, 1998), на международной конференции «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000), на международных конференциях «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Боровое, Казахстан 2000, 2002, 2004), на Всероссийской конференции «Внутреннее ядро земли. Геофизическая информация о процессах в ядре» (Москва, 2001), на Всероссийской научной конференции, посвященной 10-летию Российского фонда фундаментальных исследований (Иркутск, 2002), на 16-ом международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002), на международной конференции «Проблемы сейсмологии III-го тысячелетия» (Новосибирск, 2003), на международной конференции «Математические методы в геофизике» (Новосибирск, 2003), на международной конференции МНТЦ (Москва, 2003), на 13 сессии Российского акустического общества (Москва, 2003), на 3-ем международном семинаре «Математическое моделирование динамических процессов в атмосфере, океане и твердой Земле» (Новосибирск, 2004), на международной конференции по вычислительной математике ICCM-2004 (Новосибирск, 2004), на научных семинарах Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта (1984), Института исследования землетрясений Университета Токио, Япония (1999), Университета Нагойя, Япония (2004), Лоренс Ливермор Национальной лаборатории, США, (2001), Национальной лаборатории Беркли, США (2001), Сейсмологического бюро провинции Хэбей, Китай (2000), Чунгнамского Университета, Корея, (2002), НИИ Импульсной техники Минатома РФ (1997), Института геофизики СО РАН, Геофизической службы СО РАН, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (1995;2005).

БЛАГОДАРНОСТИ. Результаты исследований, приведенные в диссертации, были получены автором во время работы в больших коллективах исследователей в Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН и Институте вычислительной математики и математической геофизики (ВЦ) СО РАН, а также при проведении совместных работ с Институтом геофизики СО РАН, Геофизической службой СО РАН, Алтае-Саянской Опытно-методической Сейсмологической Экспедицией СО РАН.

Автор выражает искреннюю благодарность академику А. С. Алексееву за многолетнее руководство, помощь и поддержку в проведении исследований. Автор сохранил признательность и память о своем первом руководителе академике Б. В. Войцеховском, во многом повлиявшем на становление и начало научной деятельности. Автор благодарен директору ИВМиМГ СО РАН чл.-корр. РАН Б. Г. Михайленко, своим коллегам по институту и Отделу геофизической информатики Б. М. Глинскому, Б. М. Пушному, М. С. Хайретдинову, М. Н. Шорохову, Г. В. Решетовой, Г. А. Фатьянову, В. Н. Мартынову и всем остальным сотрудникам, а также коллегам из институтов РАН В. С. Селезневу, В. М. Соловьеву, А. Ф. Еманову, В. И. Юшину, Н. И. Геза, М. И. С. Чичинину, В. Н. Кашуну, Л. Е. Собисевичу, Г. И. Татькову и многим другим за творческое сотрудничество, помощь и критику при проведении работ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ И КРАТКИЙ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

За последние 30 лет созданы и внедрены в практику геофизических исследований мощные вибрационные источники сейсмических волн. Основной побудительной причиной к их созданию была фундаментальная проблема Наук о Земле — изучение внутреннего строения Земли и геодинамических процессов в ее недрах. В этих задачах традиционно использовались в качестве источников волн землетрясения и взрывы (химические и ядерные). Из-за низкой точности и технологичности исследований на основе использования неконтролируемых, неповторяемых и не повсеместно применимых, источников такого типа в сейсмологии наметилось значительное отставание по точности и надежности результатов от результатов современных методов сейсморазведки.

В 60-х годах прошлого века для геолого-геофизической разведки нефтяных и газовых месторождений была создана технология сейморазведки, использующая механические управляемые сейсмоисточники и на их основе системы наблюдения с многократными перекрытиями. Это позволило применить временное и пространственное накопление идентичных вибросейсмограмм и автоматизировать обработку полей отраженных сейсмических волн от геологических границ (метод отраженных волн с общей глубинной точкой — MOB ОГТ). Новая технология обладала рядом преимуществ по точности, надежности, производительности и наглядности результатов. В это же время в отраслевых институтах и конструкторских бюро выполнялось большое количество разработок вибрационных источников на различных принципах действия, предназначенных для работы на суше и в воде. На их базе были созданы сейсморазведочные комплексы с вибраторами СВ-10/100, комплекс «Вибролокатор», комплексы морской невзрывной сейсморазведки [38, 41, 77, 87, 96, 112, 157, 228, 248, 264, 314].

Параллельно с прикладными работами в 1960;70 гг. в институтах РАН и других исследовательских организациях выполнялись теоретические и экспериментальные работы по обоснованию вибросейсмического метода, по исследованию процессов излучения сейсмических волн вибрационными источниками и физических эффектов, возникающих при вибрационном воздействии на геологическую среду [86, 268, 274, 277, 278, 282,].

Развитие методов и успехи вибрационной сейсморазведки позволили предложить и обосновать возможность глубинных сейсмических исследований (ГСИ) с использованием мощных вибрационных источников, которые обеспечивали бы дальность регистрации 500−1000 км. Такие источники открывали возможность проводить изучение строения Земли, как в сейсмоактивных, так и в асейсмичных и густонаселенных районах, а также исследовать геодинамические процессы в сейсмоактивных зонах, что напрямую связано с проблемой прогноза землетрясений.

В работах [188, 190, 192] были впервые сформулированы и исследованы основные задачи вибрационного просвечивания Земли с помощью управляемых источников и получены оценки их характеристик. Было показано, что по выделяемой сейсмической энергии землетрясение с магнитудой М=5 эквивалентно непрерывной работе вибратора с излучаемой сейсмической мощностью 100 квт в течение 15 часов. Оценка диапазона частот колебаний, необходимых для обеспечения глубинного зондирования Земли и регистрации волн на расстояниях более 1000 км, составляет единицы герц — 1−5 Гц. Было оценено также, что для излучения энергии 100 квт в сейсмические волны на частоте 2 Гц, вибратор, работающий на скальном грунте, должен развивать усилие десятки тысяч тонн. При этом вибратор должен обеспечивать постоянное совпадение фазы излучаемого сейсмосигнала с фазой опорного сигнала с точностью 1−2 градуса за время от десятков минут до нескольких часов работы, что соответствует требуемой стабильности поддержания частоты колебаний 10~6−10~7 и является высоким требованием для механических колебательных систем большой мощности.

Мощные вибрационные источники и системы регистрации вибрационных сигналов. В средине 70-х годов прошлого века несколько институтов и СКБ Сибирского Отделения Российской Академии Наук: Институт горного дела, Институт гидродинамики, Институт Геофизики, Вычислительный центр, СКБ Гидроимпульсной техники, СКБ Прикладной геофизики, СКБ Вычислительной техники, Новосибирская Опытно-Методическая Вибросейсмическая Экспедиция совместно с Институтом Физики Земли РАН и Омским НИИ приборостроения (ОНИИП) начали работы по программе «Вибрационное просвечивание Земли» (руководитель академик Алексеев A.C.).

В этой программе предусматривалось создание всего комплекса технических и программных средств для глубинных вибросейсмических исследований, включающего мощные сейсмические вибраторы с компьютерными системами управления, регистрирующие комплексы, комплексы и программы выделения и обработки вибросейсмических сигналов. Важной составляющей было теоретическое обоснование и сопровождение нового направления — планировалось решение широкого круга задач по созданию математических моделей и развитию методов математического моделирования в задачах вибросейсмических исследований, методов решения динамических задач теории сейсмических волн.

Выполнение программы «Вибрационное просвечивание Земли» обеспечило становление в России нового метода геофизических исследований, который в настоящее время называют методом активной сейсмологии • с мощными вибрационными источниками. Этим термином обозначают все теоретические, экспериментальные методы и технологии, которые используют мощные контролируемые сейсмические вибраторы, способные создать после накопления волновой эффект средних землетрясений, и которые могут быть использованы как для решения классических задач сейсмологии так и для создания новых вибрационных геотехнологий [1,2].

За прошедшее время было создано несколько типов мощных стационарных и передвижных вибрационных источников, прецизионные компьютерные системы управления процессами излучения сейсмических волн и системы регистрации вибросейсмических сигналов с точной временной привязкой по вРБ, а также комплексы обработки на основе длительного (до нескольких часов) накопления слабых вибросигналов с амплитудами меньшими уровня микро сейсмического шума. Теоретически и экспериментально был разработан резонансный метод согласования вибратора с грунтом и созданы вибрационные источники с перестраиваемым резонансным колебательным контуром для эффективного излучения в области низких частот.

Одним из первых мощных вибрационных источников является разработанный в ИГиЛ СО РАН гидромеханический вибратор ГСВ-100. Он построен по резонансной схеме, имеет подвижную инерционную массу величиной 300 тонн и развивает вибрационные усилия на грунт до 100 тонн в диапазоне частот 1−3 Гц. С эти вибратором были впервые поставлены эксперименты по регистрации гармонических сейсмических сигналов герцового диапазона на расстоянии 1000 км и 2000 км [50,146].

В настоящее время разработаны и смонтированы на Быстровском вибросейсмическом полигоне СО РАН под Новосибирском несколько типов излучателей. Из вибрационных источников наиболее мощным является вибратор ЦВ-100, который создает вертикально ориентированную возмущающую силу амплитудой 100 тонн в полосе частот 5 -10 Гц с помощью синхронно вращающихся дебалансов, установленных на платформе. Использование режима излучения вблизи резонансной частоты системы «вибратор-грунт», лежащей в районе 7 Гц, позволяет многократно увеличить мощность излучения. Основанный на этом принципе сборно-разборный источник передвижного типа ЦВ-40 обеспечивает усилия на грунт до 40 тонн в полосе частот от 6 до 12 Гц. Вибраторы типа ЦВ-100 установлены также на Байкальском и Краснодарском прогностических полигонах [1,2, 170].

Гидрорезонансные вибраторы ГРВ-50 и ГРВ-200 с усилием 50 и 200 тонн и частотным диапазоном 2−10 Гц созданы по резонансной схеме. В них в качестве инерционной массы используется столб жидкости, колеблющийся в вертикальном или горизонтальном корпусе между пневматическими пружинами. Возбуждение колебаний осуществляется периодической подачей сжатого воздуха в пневмопружину синфазно с колебаниями инерционной массы с помощью специально разработанных быстродействующих клапанов с гидравлическим приводом и компьютерной системой управления [54, 55, 209].

Гидрорезонансная схема построения вибраторов сделала возможным масштабирование, то есть увеличение размеров источника и, следовательно, мощностных и силовых параметров. Это позволило разработать проект сверхмощных вибраторов для глобальной сейсмологии отказавшись от машиностроительной концепции и используя совершенно иную технологию — шахтостроение. Разработан проект создания водозаполненного шахтного источника на резонансном принципе диаметром 12 м и глубиной 100 м. Такой источник может обеспечить амплитуду силы до 10 000 тонн и дальность регистрации до 10 тысяч километров [21].

Другой, не менее важной, составляющей вибросейсмической техники являются специальные системы регистрации полевых данных, которые могут быть удалены на десятки и сотни километров от источника. Методика регистрации вибросейсмических сигналов на больших базах наблюдений отличается от общепринятой в сейсмологии. Измерительная сейсмология ориентирована на обнаружение сейсмических событий. При этом сигналы от мощных взрывов и землетрясений могут превышать уровень сейсмического шума в сотни и тысячи раз. В отличие от импульсных сейсмических событий уровень вибрационных сейсмических сигналов на базах наблюдений более 100 км находится ниже уровня сейсмического шума в 10−100 раз. Поэтому при проведении вибросейсмических экспериментов необходимо обеспечить долговременную регистрацию микросейсмического шума со скрытым под ним полезным сигналом для его последующего выделения. Это требует создания регистрирующей аппаратуры с высокими коэффициентами усиления, фильтрами высоких порядков, в которой обеспечена высокая температурная стабильность параметров.

В СО РАН для крупномасштабных вибросейсмических экспериментов были разработаны многоканальные цифровые регистрирующие комплексы БЕРЕЗА, КАРС, ВИРС, КРОСС-РС, РОСА с высокими метрологическими характеристиками и синхронизацией процессов излучения и регистрации вибрационных сигналов с применением GPS-систем. В настоящее время в вибросейсмических экспериментах используются также современные цифровые сейсмические станции Трал, Альфаи Дельта-Геон, Байкал, Reftek и др. [2, 111, 266].

Основные задачи активных тбросгйсмических исследований. В активных методах сейсмических исследований отчетливо проявились следующие преимущества по сравнению с пассивными методами: точно определенные координаты источника и времени начала его работымногократное воспроизведение идентичных воздействий на изучаемую среду (повторяемость эксперимента) — возможность возбуждения колебаний заранее заданной формы и поляризациивозможность управления экспериментом на компьютерной основеповсеместность применения, включая густо заселенные и несейсмоактивные зоныэкологическая безопасность, т.к. регистрируемый сигнал находится на уровне микросейсм, а желаемые соотношения сигнал/шум обеспечиваются методом накопления слабых сигналов.

В настоящее время определились основные фундаментальные и прикладные задачи, которые могут быть решены методами активной сейсмологии с мощными вибрационными источниками. Практическое использование методов активной сейсмологии в новых областях геофизических и инженерных исследований осуществляется при создании новых геотехнологий с использованием мощных вибрационных сейсмических источников [1, 2]. К таким задачам и технологиям прежде всего относятся: изучение глубинного строения Земли, включающее изучение земной коры и верхней мантииизучение геодинамических процессов при длительных наблюдениях вариаций вибросейсмических полейизучение взаимосвязи сейсмических и акустических волновых полей, генерируемых вибраторамиисследование реологического состояния горных пород (трещиноватости и проницаемости) вибросейсмическими методамиизучение физико-механических свойств горных пород (и другого вещества) при вибровоздействияхисследование нелинейных эффектов и процессов в многофазных геологических средах при вибровоздействияхактивный вибросейсмический мониторинг сейсмоактивных зонвибросейсмическое воздействие на нефтяные пласты для повышения нефтеотдачиактивное микросейсморайонирование на больших площадяхизучение устойчивости глубинных фундаментов в районах строительства или эксплуатации экологически опасных инженерных сооружений, крупных химических производств, атомных электростанций, плотин в горных местностях и др. объектовинженерно-сейсмологические исследования зданий и крупных промышленных сооруженийвибросейсмическая калибровка сейсмостанций международной сети IMS-, перспективные задачи решения проблемы глобальной томографии Земли (основным инструментом исследований могут быть современные цифровые сейсмологические сети и мощные вибросейсмические источники, установленные на континентах).

Результаты экспериментальных работ. Геофизические исследования с мощными вибрационными источниками сейсмических волн, созданными в Сибирском отделении РАН, проводятся в течение трех десятилетий в различных районах Сибири и Дальнего востока. Полученные в процессе проведения полевых экспериментов уникальные сейсмические данные положены в основу построения региональных карт сейсмического районирования изучаемых территорий. В проведении широкомасштабных экспериментальных вибросейсмических исследований на территории Сибири участвовали научные коллективы институтов Сибирского отделения РАН — ИГФ, ГС, АСОМСЭ, ИВМиМГ, ИГД,. В ряде экспериментов участвовали ученые ИФЗ РАН им. О. Ю. Шмидта, ИГИ НЯЦ Республики Казахстан, Японии, США, организаций промышленности и Высшей школы [23, 127, 222, 128].

Результаты вибросейсмических исследований в различных регионах Сибири дают представление о строении земной коры и о структуре волнового поля, создаваемого мощными вибросейсмическими источниками на различных удалениях в регионах с различной геологией.

В Алтае-Саянском регионе был выполнен наибольший объем экспериментальных исследований с мощными вибрационными источниками. Изучение строения земной коры и закономерностей вариаций параметров сейсмических волновых полей проводилось вдоль сейсмических профилей различной протяженности и азимутальной направленности. Основные профили, вдоль которых проводились экспериментальные работы: 1) Быстровка-Алейск-Савушки — протяженность 356 км, ориентация север-юг- 2) Быстровка-Маслянино-Прокопьевск — протяженность 200 км, ориентация запад-восток- 3) Быстровка-Малиновое озеро (направление Быстровка-Дегелен, Семипалатинский полигон) -протяженность 372 км, ориентация северо-восток — юго-запад- 4) Быстровка-Барабинскпротяженность 300 км, ориентация запад-восток. [23, 239, 240].

С использованием стационарного виброисточника ЦВО-ЮО и пневмоисточника (на акватории оз. Байкал) отработан субмеридиональный профиль Бугульдейка-Бабушкин-Селенга. Совместный анализ материалов позволил детально охарактеризовать строение верхней части земной коры вкрест простирания Байкальского рифта и получить новое представление о механизме сочленения Сибирского кратона и Хамардабанского складчатого террейна. [223, 238].

Экспериментальные исследования с мощными вибрационными источниками в Нижнеудинском районе Присаянья проводились в 1990;1991 гг. Здесь решались задачи по отработке технологии эксперимента с новым передвижным 40-тонным виброисточником, сопоставления волновых полей от взрывов и вибратора и изучения глубинного строения на 80-километрвом вблизи отработанного 300-километрового профиля ГСЗ с взрывными источниками [2].

В Охотско-Чукотском регионе начаты работы по вибро-ГСЗ на профиле Магадан-О.Врангеля протяженностью 2000 км. Полевые исследования проводились совместно СНИИГИМС и АСОМСЭ на 320 км участке профиля 2-ДВ г. Магадан-п.Усть-Среднекан с использованием передвижного вибросейсмического комплекса на базе вибратора ЦВ-40. В 2005 г. пройденный участок профиля имел протяженность 1250 км. По результатам работ построен обобщенный глубинный сейсмический разрез, представленный из сейсмотомаграфического разреза земной коры по результатам интерпретации волн в первых вступлениях поверхности Мохоровичича, построенной по данным головных и закритических отраженных волн [127, 241].

В европейской части России методом виброТСЗ был отработан профиль «Уралсейс» протяженностью 500 км. В качестве источников использовалась группа из 4−5 излучателей СВ-10/180 с амплитудой вибрационного усилия 10 тонн. Был построен сейсмический разрез до границы Мохо. В результате работы было проведено сравнение разрешенности и детальности разреза по вибросейсмическим и взрывным данным [196, 249].

Из научно-методических работ с мощными вибраторами следует отметить Российско-Японский эксперимент 1995 г., когда был пройден 100 км профиль с расстоянием между регистраторами 5 км и отдельными точками регистрации на расстоянии 160 — 356 км. С высокой детальностью было зарегистрировано волновое поле как продольных, так и поперечных волн до удалений 356 км [19]. Для сравнения волновых полей мощных вибрационных источников и 100-тонных химических калибровочных взрывов серии Омега на Семипалатинском полигоне была проведена встречная регистрация волновых полей на 620-км профиле Дегелен-Быстровка [26, 35, 37]. Количественные характеристики волновых полей от вибрационных источников исследовались в ряде экспериментов, результаты которых приведены в [288, 289].

В 1996;1997 гг. ИВМиМГ СО РАН был поставлен ряд экспериментов с использованием высокостабильных вибрационных источников, целью которых являлось выявление малых вариаций пространственно-временных характеристик волнового сейсмического поля и установление их связи с деформационными процессами, вызванными земными приливами. В качестве источника использовался 100 тонный центробежный вибратор ЦВ-100, расположенный на Быстровском полигоне. Сеансы зондирования проводились через три часа непрерывно в течение 4 суток на гармонических сигналах, частотой 6.3 Гц и 7.0 Гц длительностью 20 — 25 мин.

Обработки временных рядов вариаций амплитуд и фаз вибросигналов показала, что в спектре вариаций параметров вибросигналов присутствуют максимумы с периодами близкими к 12 и 24 часам хорошо коррелированные с периодами приливных вариаций силы тяжести. Полученные оценки величин вариаций параметров вибросигналов показали, что влияние земных приливов скорости сейсмических волн на базах 356¹³⁰ км по результатам проведенных экспериментов характеризуется величиной 10″ 5−10″ 6. Эти оценки получены впервые с использованием высокостабильных вибросейсмических источников и наиболее точных фазовых методов регистрации. Обнаружение столь малых проявлений земных приливов в изменениях сейсмических характеристик среды подтвердило высокие метрологические свойства и чувствительность разработанной системы вибросейсмического мониторинга, и возможность ее использования для изучения даже очень слабых проявлений геодинамических процессов, которые могут служить признаками готовящихся землетрясений в сейсмоопасных зонах [30].

В последние годы значительно расширился круг исследовательских задач, решаемых с помощь вибросейсмических систем.

Ряд работ посвящен изучению взаимосвязи сейсмических и акустических волновых полей, генерируемых мощными вибраторами. Экспериментально было обнаружено, что мощные вибраторы, работающие на поверхности излучают наряду с сейсмическими волнами, акустические волны, распространяющиеся в атмосфере. Исследованы процессы излучения акустических волн вибрационным источником, работающим на свободной поверхности, распространения акустических волн от вибрационного источника на большие расстояния вдоль поверхности земли и возбуждения поверхностных сейсмических волн гармонической акустической волной приходящей в точку регистрации. Проведены эксперименты по регистрации акустосейсмических волн на расстоянии 20, 40 и 50 км от вибратора [21, 30, 39, 43].

Выполнены эксперименты по исследованию нелинейного взаимодействия вибрационных полей низкочастотных и высокочастотных вибраторов [207]. Изучению нелинейных эффектов, возникающих при генерировании вибрационных сигналов и дальнем распространении, посвящены работы [32, 259, 260, 330−333]. Принципиально новые результаты получены в исследовании электромагнитных, акустических и иных геофизических эффектов, возникающих при вибрационной воздействии на геологическую среду [98,281].

Вибрационные геотехнологии. Создание мощных сейсмических вибраторов 100-тонного класса, работающих в низкочастотном диапазоне, разработка перспективных схем сверхмощных вибрационных источников и выполненные экспериментальные исследования показали возможность практического их использования в новых областях геофизических и инженерных исследований — создания новых геотехнологий с использованием мощных вибрационных сейсмических источников.

Активный вибросейсмический мониторинг литосферы относится к числу новых геофизических технологий, включающих методы наблюдения за состоянием земной коры по изменению характеристик распространения сейсмических волн, возбуждаемых наиболее контролируемым среди существующих источников сейсмических колебанийвибрационным излучателем. Активный вибросейсмический мониторинг может иметь различную целенаправленность, но наиболее важной областью его применения в данное время следует считать проблему изучения вариаций напряженно-деформированного состояния земной коры ориентированную на задачу прогноза землетрясений. Основная задача активного вибросейсмического мониторинга — обнаружение опасных тектонических напряжений и оценка запасенной в них энергии до того, как произойдет быстрое ее высвобождение, сопровождаемое катастрофическими сейсмическими последствиями. Концепция и обобщенная модель информационной системы для активного вибросейсмического мониторинга описана в [100].

Первым опытом масштабных работ по активному вибросейсмическому мониторингу напряженно-деформированного состояния земной коры был двухлетний цикл режимных вибросейсмических просвечиваний в очаговой зоне разлома Сан-Андреас в Калифорнии, США, проведенный в 1976;1978 гг. с использованием сейсморазведочных вибраторов[169, 339].

В России начальный практический опыт активного вибросейсмического мониторинга с целью изучения связи тектонических вариаций с земными приливами был получен в 1991 г в районе Байкальского рифта в вибросейсмических экспериментах на базе наблюдений 125 км, выполненных в ИГФ СО РАН с вибратором ЦВО-ЮО установленным в п. Бабушкин [286]. Регулярные работы по методике мониторинга с использованием этого вибратора продолжаются по настоящее время. С 2003 г. БФ АСОМСЭ СО РАН и ГИ СО РАН (Улан-Удэ) с участием ИВМиМГ СО РАН начал внедрять методику мониторинга с использованием гармонических зондирующих сигналов и принципов вибросейсмической интерферометрии.

Эксперименты по определению чувствительности системы вибросейсмического мониторинга на базе наблюдений 356 км были проведены ИВМиМГ СО РАН в 1997 г. в Алтае-Саянской сейсмоактивной зоне [101, 102]. С 1997 г. в ГС СО РАН и АСОМСЭ СО РАН выполняется непрерывный ряд вибросейсмических наблюдений тектонических и сезонно-климатических вариаций волнового поля в Новосибирской области, который позволяет подробно исследовать сезонные изменения спектров сейсмограмм и вариации времен прихода продольных и поперечных волн [125].

В Японии работы по мониторингу сейсмоопасной зоны в районе о. Авай с использованием вибросейсмического комплекса ACROSS проводятся с 2000 г. [329, 348, 369].

Одним из перспективных методов повышения нефтеотдачи является технология вибросейсмического воздействия на нефтяные пласты поверхностными вибраторами. В экспериментальных работах было выявлено влияние вибросейсмических полей на многофазную среду нефтяной залежи и фильтрационные характеристики нефтеводонасыщенных пластов. Была подтверждена эффективность низкочастотного вибросейсмического воздействия на сильнообводненные нефтяные пласты для снижения их остаточной нефтенасыщенности и увеличения их конечной нефтеотдачи. Опытные работы проводились на месторождениях в Предкарпатьи, Киргизии, Башкортостане, Поволжье и Западной Сибири с различными вибрационными источниками СВ-10/100М, СВ-20/60, ВРП-30/120 и ЦВ-100. Было обнаружено, что эффект увеличения нефтеотдачи в результате вибровоздействия, которое обычно продолжалось от нескольких суток до месяца, сохранялся от нескольких месяцев до двух лет и составлял 10−25%, что характеризует перспективность технологии [34, 162−165, 218, 219, 225−227].

На основе использования вибрационных источников для возбуждения колебаний зданий разработана технология инженерно-сейсмологических исследований зданий и крупных промышленных сооружений. Особенностью технологии является высокая детальность исследования при использовании малоканальной аппаратуры. Технология основывается на выделении и анализе стоячих волн, резонансно возбуждаемых в здании при вибрационном воздействии в широком диапазоне частот. Исследуется многомодовая картина колебаний здания и определяется распределение амплитуд. Оценка сейсмостойкости зданий основана на определении усиления колебаний в зданиях на частотах наиболее интенсивных нормальных мод, поэтому вибрационная технология позволяет определять не только дефектные зоны в здании, но повышает уровень точности в оценке сейсмостойкости. Разработанная методика обследования инженерных сооружений нашла применение при обследовании зданий в г. г. Новосибирск и Улан-Удэ, при обследовании автомобильных мостов в г. г. Новосибирск и Тюмень, при исследовании плотин Саяно-Шушенской и Чиркейской ГЭС [2, 122, 124, 275].

Активное микросейсморайонирование вибросейсмическими методами и изучение устойчивости глубинных фундаментов в районах строительства или эксплуатации экологически опасных инженерных сооружений, крупных химических производств, атомных электростанций, плотин в горных местностях и др. объектов являются одним из направлений практического применения методов активной сейсмологии. Контроль состояния горного массива и геодинамики разломов в местах расположения хранилищ ядерных отходов является одной из актуальных задач атомной энергетики и экологии. Работы по вибросейсмическому мониторингу районов захоронений отходов проводятся в Японии в Геофизическом центре Тоно, и Подземном исследовательском центре в Хоноробе с использованием вибросейсмического комплекса ACROSS [329, 348, 369]. Работы этого направления планируются в России в Красноярске в рамках проекта МНТЦ.

В Международной системе мониторинга (ISM) Договора о запрещении испытаний ядерного оружия и при решении других прикладных задач практической сейсмологии существует проблема калибровки сейсмических станций международной и региональных сетей. При проведении калибровки определяются кинематические и динамические поправки для сейсмических станций, позволяющие поднять точность определения времени, координат и мощности взрывов и других сейсмических событий. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности использования мощных вибраторов для задач калибровки было выполнено в проекте МНТЦ № 1067 «Создание технологии калибровки сейсмических станций и сейсмических трасс с использованием мощных сейсмических вибраторов» 1999;2001 гг. Мощные сейсмические вибраторы дают возможность определения с повышенной точностью поправок времен пробега и амплитуд волн в результате анализа вибрационных сейсмограмм, получаемых при излучении вибратором колебаний в широком диапазоне частот. Важные метрологические преимущества вибраторов в задачах калибровкивысокая стабильность и идеальная повторяемость излучаемых сигналов, что позволяет получать идентичные сейсмограммы в точке регистрации. Исполнителями проекта были ИВМиМГ СО РАН, ГС СО РАН, АСОМСЭ СО РАН, НИИИТ Мнатома РФ. Результаты работ приведены в [13, 97, 298].

Возможность создания сверхмощных сейсмических вибраторов делает реальной глобальную сейсмическую томографию Земли с использованием управляемыхискусственных источников. Разработана концепция глобальной томографии Земли с сетью сверхмощных шахтных вибрационных источников с усилием 1000−10 000 тонн, построенных по гидрорезонансному принципу. Возможность выбора места установки источника делает возможным просвечивание тех зон Земли, которые практически не изучены из-за неравномерного пространственного распределения землетрясений. Предполагается, что из-за значительных затрат на создание источников, цепь сверхмощных вибраторов будет состоять из несколько крупномасштабных установок на земном шаре, с возможно равномерным расположением на континентах и островах. Организация такой сети может быть начата с одиночных источников, которые функционируют в рамках национальных геофизических программ с последующим включением в сеть новых источников. Для регистрации вибросейсмических сигналов предполагается использовать международные и национальные сети сейсмических станций. Реализация предлагаемого метода глобальной томографии Земли с использованием искусственных вибрационных источников сейсмических волн может составить предмет международного научного проекта по изучению строения Земли активными вибросейсмическими методами [14, 21, 269].

Задачи математического моделирования в проблеме активного сейсмического мониторинга. Вибросейсмические системы для глубинных исследований Земли представляют собой сложные комплексы технических и программно-информационных средств, описанные выше. Теоретические исследования и математическое моделирование присутствуют в проблематике активной сейсмологии на всех этапах, начиная от теории метода, проектирования вибросейсмических систем, задач управления, методов обработки вибросейсмических сигналов, заканчивая прямыми и обратными задачами теории сейсмических волн.

Теоретические вопросы излучения сейсмических волн вибрационными источниками рассмотрены в работах [89, 114, 267, 268, 272, 273, 276]. Рассмотрены различные модели сферических источников и решены задачи динамической теории упругости для получения аналитических выражений для волнового поля источника и его энергетических характеристик. Исследования процессов генерирования сейсмических волн поверхностными вибрационными источниками рассмотрены в работах [69, 72, 80, 86, 114, 157]. В ряде работ исследуются вопросы влияния строения среды под источником на формирование волнового поля. Для моделей слоистых сред рассмотрены задачи резонансного характера взаимодействия источника со средой [71, 82,135, 197].

При создании мощных вибрационных источников большое внимание уделялось математическому моделированию механических колебательных систем источников и вопросам согласования со средой. Были исследованы вопросы резонансного согласования вибратора со средой. Выполнено моделирование сверхмощных резонансных источников для суши и акваторий [14,36,135, 267−269].

В конструкциях мощных вибрационных источников важное место занимают прецизионные системы управления, выполняющие задачи синтеза зондирующих сигналов и собственно управления механической колебательной системой и приводом вибратора. Теоретические вопросы синтеза зондирующих сигналов и их математические модели рассмотрены в работах [282]. Ряд работ посвящен возможности использования для вибропросвечивания свип-сигналов с нелинейным законом изменения частоты во времени для коррекции спектра излученного сигнала и сопутствующим математическим задачам [129, 158]. Системы управления вибрационными источниками различных типов рассмотрены в работах [44, 262, 290].

Математическим вопросам обработки вибросейсмических данных посвящено большое количество работ, так как этот раздел вибросейсмического метода является основным при получении данных во всех направлениях исследований как фундаментального, так и прикладного характера. Это работы связанные с корреляционным и спектральным методами выделения вибрационных сигналов. В большой части работ исследуются характеристики шумов и математические методы фильтрации в задачах выделения вибрационных сигналов. В последние годы появились работы связанные с применением вейв-лет анализа в задачах вибросейсмических исследований [1, 2, 87−90, 138−140, 142, 174,175, 205−208, 211, 250−253, 256].

Динамические задачи теории сейсмических волн в проблеме активного сейсмического мониторинга представляют отдельный раздел теоретических исследований, связанный с решением динамических уравнений теории упругости для сложных реалистичных моделей сред и вибрационных источников [3, 5, 153,154, 176−179, 202, 254, 255, 303, 304, 336−338, 358, 362]. Применение вибрационных источников в сейсмологии для изучения строения Земли и мониторинга реологического состояния очаговой зоны дало новые возможности использования динамики волн и полных сейсмических полей. Эти возможности связаны со стабильностью формы сигналов в источнике независимо от точки его приложения и времен начала работы. Реализация этих возможностей связана с решением динамических задач для трехмерных реалистичных моделей среды. Практические приемы количественной обработки и интерпретации материалов наблюдения сейсмических и акустических волн основываются сейчас на физических представлениях и математическом аппарате лучевого метода [7, 9]. В задачах для сложных сред эти физические представления и количественные лучевые формулы имеют часто лишь асимптотический смысл в области достаточно высоких частот. От классического лучевого метода в этих случаях переходят либо к его нетривиальным физико-математическим расширениям [74], либо к использованию общих численных методов решения задач для дифференциальных уравнений [30, 178]. Метод определения формы дифрагирующего тела и его физических характеристик основывается на использовании информации о динамических свойствах волн в точках регистрации. Такие задачи относятся к классу обратных динамических задач дифракции волн [31]. В этих задачах не только строится образ рассеивающего тела, но и изучаются проблемы единственности их решения при разных схемах наблюдения, а также вопросы устойчивости решения при постоянно присутствующем дефиците измерительной информации и существовании ошибок измерения и других шумов. Имеется успешный опыт решения двумерных обратных кинематических задач глобальной сейсмологии, когда был построен двумерный разрез верхней мантии Земли по сейсмологическим измерениям кинематического типа вдоль профиля Памир-Байкал [29], один из первых примеров «сейсмотомографии» — термина который появился позднее [117, 221] и применяется в настоящее время. В задачах активной сейсмологии с управляемыми вибрационными источниками становится возможным решение динамических обратных задач, основываясь на точно известных и контролируемых характеристиках излучаемого волнового поля, т. е. реализация возможностей «динамической томографии» трехмерных объектов в скалярном волновом поле [1, 29, 31].

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Объем диссертации 336 страниц, включая 186 рисунков и 17 таблиц.

Список литературы

содержит 373 наименования.

Выводы по шестой главе:

1. Разработана концепция инструментально-информационной системы для вибросейсмического мониторинга сейсмоактивных зон. Компонентами инструментально-информационной системы активного мониторинга являются: вибрационные источники сейсмических волн с компьютерными системами управления, системы регистрации вибросейсмических сигналов: малые сейсмические группы на базе автономных сейсмических модулей, полевые вычислительные комплексы, осуществляющие сбор данных с модулей, обработку данных, вычисление контролируемых характеристик и их вариаций, средства телекоммуникаций для передачи информации в региональный центр обработки данных. Предложен вариант построения системы мониторинга, состоящей из 4 источников и 16 регистрирующих систем, позволяющий обеспечить мониторинг на площади приблизительно 40 000 кв.км.

2. Приведены результаты экспериментального моделирования полномасштабных прототипов системы мониторинга на Быстровском полигоне и в Байкальской сейсмоопасной зоне. В экспериментах «Круг» и «Круг-2» проводилась регистрация волнового поля мощных вибраторов по различным азимутальным направлениям на расстояниях 120 км и 150 км от вибратора ЦВ-100 (Быстровский полигон). Была реализована минимальная конфигурация системы мониторинга с одним источником и 9 приемными антеннами на базе 15 канальных мобильных регистрирующих комплексов. Показана возможность построения системы мониторинга с использованием ограниченного числа мобильных регистрирующих комплексов для обслуживания нескольких точек регистрации каждым комплексом. Характерный размер области мониторинга, которую могут обеспечить один вибрационный источник с силой Ю6Н (100 тонн) и мобильные регистрирующие комплексы составляет 300 км в диаметре и имеет площадь около 70 тыс. кв. км.

3. В Байкальской сейсмоопасной зоне (эксперимент «Байкал») ИВМиМГ СО РАН совместно с БФ АСОМСЭ СО РАН и ИГ СО РАН организованы эксперименты по методу мониторинга с использованием стационарных вибросейсмических полей и принципов вибросейсмической интерферометрии. Были начаты работы по вибросейсмическому мониторингу в районе 550 км на 250 км (площадь около 100 тыс. кв.км.) с использованием мобильных регистрирующих комплексов и сейсмических станций региональной сети. Использование данных с этих сейсмостанций позволяет организовать непрерывный мониторинг сейсмоопасной зоны Байкала на основе периодических сеансов излучения гармонических сигналов вибратора. Аналогичных работ по этой методике активного мониторинга и масштабам области исследования в других странах нет. Результаты работ имеют практическую направленность для решения задачи среднесрочного прогноза землетрясений в сейсмоактивных районах, и, в частности, в Байкальской сейсмоактивной зоне. В настоящее время проводится непрерывный мониторинг по методике вибросейсмической интерферометрии с использованием сейсмостанций региональной сейсмической сети.

3. Для глобальной томографии Земли предложена концепция организации сети сверхмощных вибрационных источников и принципов их создания. На основе анализа экспериментальных данных изменения амплитуд сейсмических волн с расстоянием, а также данных экспериментов со 100-тонными низкочастотными вибраторами получены оценки требуемых амплитуд сил сверхмощных источников. Показано, что для создания сверхмощных вибраторов можно эффективно использовать гидрорезонансную схему, реализованную и испытанную в источниках ГРВ-50 и ГРВ-200 и технологию шахтостроения. Описан проект сверхмощного шахтного гидрорезонансного источника. Обоснованы принципы построения сети сверхмощных источников для глобальной томографии Земли.

4. Рассмотрена общая характеристика проблемы вибросейсмической калибровки сейсмостанций Международной системы мониторинга и возможности применения мощных вибраторов для целей калибровки. Выполнен анализ экспериментальных данных по сопоставлению волновых полей вибраторов и калибровочных и промышленных взрывов, полученных при выполнении проекта МНТЦ № 1067 «Создание технологии калибровки сейсмических станций и сейсмических трасс с использованием мощных сейсмических вибраторов» в 1999;2001 гг. Приведены результаты регистрации сигналов от специальных калибровочных взрывов, проводимых на Семипалатинском полигоне серии ОМЕГА-1, ОМЕГА-2 и ОМЕГА-3. Исследованы их спектрально-временные характеристики и их особенности, связанные с условиями проведения взрывов. Проведен анализ данных по встречной регистрации сигналов калибровочного взрыва и вибратора на профиле Дегелен-Быстровка.

5. При выполнении проекта МНТЦ № 1067 были поставлены экспериментальные работы, основанные на принципе взаимности в цепи «излучатель-приемник» применительно к карьерным взрывам и 100-тонному вибратору. Приведены результаты эксперимента на принципе взаимности по сопоставлению волновых полей взрвов и вибратора на профиле Быстровка — карьер Бачатский. Выполненный спектрально-временной анализ волновых полей вибратора, калибровочных и карьерных взрывов показал в первом приближении хорошее совпадение основных типов продольных и поперечных волн этих источников, не смотря на различные характеристики излучателей. Результаты проведенных исследований позволили сделать вывод об эквивалентности волновых полей на удалениях более 200 км от данных источников, что позволяет использовать мощные низкочастотные вибраторы для калибровки сейсмических трасс и сейсмологических станций. Кратко описана методика калибровки, разработанная при выполнении проекта МНТЦ 1067.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований комплекса задач активной сейсмологии с мощными вибрационными источниками, к которым относятся: обоснование физических принципов и моделей резонансных низкочастотных источников для глубинных исследований Земли, оптимизация их схем и систем управления, исследование методами математического моделирования их характеристик, разработка алгоритмов и программ прецизионного компьютерного управления, экспериментальное определение динамических характеристик источников и излучаемых ими волновых полейразработка моделей сверхмощных вибрационных источников для глобальной томографии Земли на основе гидрорезонансной схемы, моделирование их волновых полейтеоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик и чувствительности метода активного вибросейсмического мониторинга к слабым геодинамическим процессамисследование взаимодействия акустических и сейсмических волновых полей, генерируемых при работе мощных вибрационных источникованализ и разработка перспективных геотехнологий на основе использования мощных вибрационных источников для прикладных задач.

На основе созданных моделей и выполненного математического моделирования были исследованы резонансные схемы вибрационных источников с нелинейным колебательным контуром, а также с колебательным контуром с перестраиваемым резонансом и параметрическим возбуждением колебаний. Использование в колебательном контуре нелинейных упругих элементов и реализация режима автоколебаний позволяет существенно упростить систему управления и свести ее к одноконтурной с управлением одним из параметров системы возбуждения колебаний. Такие варианты реализованы при создании вибрационных источников для глубинных исследований Землигидромеханического вибратора ГСВ-100, и гидрорезонансных вибраторов ГРВ-50 и ГРВ-200. Разработаны математические модели механической колебательной системы вибратор-грунт, выполнено математическое моделирование, определены амплитудно-частотные, спектральные и энергетические характеристик источников.

Для мощных гидрорезонансных вибраторов ГРВ-50 и ГРВ-200 впервые разработан компьютерный программно-аппаратный комплекс системы управления, объединяющий в себе возможности синтеза широкого класса зондирующих сигналов и различных алгоритмов автоматического управления вибратором. Разработаны алгоритмы и программы прецизионного компьютерного управления Выполнен большой объем экспериментальных работ по исследованию характеристик созданных резонансных источников и генерируемых ими волновых полей, с регистрацией вибрационных сигналов до расстояний 1000 и 2200 км.

Выполнено математическое моделирование сверхмощных резонансных вибрационных источников. Для сверхмощного шахтного вибратора общая математическая постановка задачи сводится к объединению трех систем уравненийдинамической теории упругости для упругого полупространства, динамики сжимаемой жидкости для колеблющегося столба жидкости и адиабатических характеристик газового объема. В результате моделирования определены резонансные характеристики столба сжимаемой жидкости на адиабатической пневмопружин’е и выполнен численный расчет полного волнового поля шахтного источника в однородном упругом полупространстве и в низкоскоростном слое на однородном полупространстве.

Выполнено моделирование сверхмощного морского вибратора с газонаполненным излучателем в виде жестких оболочек. Показано, что для источников с радиусом излучателя 3−5 м возможно резонансное излучение упругих волн в диапазоне частот 2−6 Гц с мощностью излучения боле 100 кВт. Математическая модель вибратора сочетает в себе как движение твердых тел, и упрутостей, которое описывается уравнениями механики, так и движение жидкости под действием пульсирующего газового объема и колеблющегося груза, для которого использовано гидродинамического описание.

В задаче моделирования активного вибросейсмического мониторинга при использовании свип-сигналов и гармонических зондирующих сигналов получены оценки точности определения временных и спектральных характеристик сигналов. Впервые получены аналитические оценки чувствительности метода к малым вариациям параметров во внутренних областях среды для гармонических зондирующих сигналов в рамках слоистой модели земная кора-мантия и волнового уравнения. Выполнен анализ данных экспериментов по определению связи вариаций параметров вибросейсмического поля с деформационными процессами, вызванными земными приливами и показано, что чувствительность метода мониторинга к вариациям скоростей сейсмических волн в земной коре составляет на базах наблюдений 300−400 км.

Выполнено математическое моделирование акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами, исследованы процессы излучения акустических волн вибратором, распространения в приповерхностном волновом канале, акустосейсмической индукции, Экспериментально исследованы поверхностные сейсмические волны, индуцируемые акустическим излучением вибратора, проведено сравнение с результатами моделирования.

В разрабатываемых геотехнологиях с использованием мощных вибраторов предложена концепция построения инструментально-информационной системы мониторинга сейсмоопасной зоны на базе мощных вибрационных источников, цифровых регистрирующих комплексов и ситем телекоммуникаций. Возможность практической реализации такой системы с использованием существующих источников и систем регистрации обоснована экспериментами «Круг» и «Байкал в области диаметром 300 км и 550км*250км, с площадью области мониторинга 70−100 тыс. кв.км. соответственно.

Для глобальной томографии Земли предложена концепция организации сети сверхмощных вибрационных источников и принципов их создания. На основе теоретических оценок, а также данных экспериментов со 100-тонными низкочастотными вибраторами получены оценки требуемых амплитуд сил сверхмощных источников. Показано, что для создания сверхмощных вибраторов можно эффективно использовать гидрорезонансную схему, реализованную и испытанную в источниках ГРВ-50 и ГРВ-200. Описан проект сверхмощного шахтного гидрорезонансного источника и морского резонансного источника. Обоснованы принципы построения сети сверхмощных источников для глобальной томографии Земли.

Рассмотрена общая характеристика проблемы вибросейсмической калибровки сейсмостанций Международной системы мониторинга и возможности применения мощных вибраторов для целей калибровки. Выполнен анализ экспериментальных данных по сопоставлению волновых полей вибраторов и калибровочных и промышленных взрывов, полученных при выполнении проекта МНТЦ № 1067 «Создание технологии калибровки сейсмических станций и сейсмических трасс с использованием мощных сейсмических вибраторов». Результаты проведенных исследований позволили сделать вывод об эквивалентности волновых полей на удалениях более 200 км от данных источников, что позволяет использовать мощные низкочастотные вибраторы для калибровки сейсмических трасс и сейсмологических станций. Кратко описана методика калибровки, разработанная при выполнении проекта.