Поиск - новости науки и техники

Проницательные волны. О незыблемости сооружений позаботится сейсморазведка.

Казалось бы, что общего между оптикой и сейсморазведкой? Если поразмыслить, то можно вспомнить, что и в том, и в другом случае имеют дело с волнами. А еще их объединяет то, что все это сошлось в одном исследовании. Судите сами: используя возможности новейшего оборудования, научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН Александр СЕРДЮКОВ разрабатывает комплексный метод малоглубинной сейсморазведки по данным преломленных, отраженных и поверхностных волн. Исследование получило государственную поддержку – грант Президента РФ. Молодой ученый рассказал нашему корреспонденту об особенностях малоглубинной сейсморазведки и о том, где можно использовать предлагаемый им метод.
– Для начала напомню, что при сейсморазведке полезную геолого-геофизическую информацию получают, анализируя сигналы, которые приходят от искусственно возбуждаемых упругих волн, – говорит Александр Сергеевич. – Большая часть геофизиков, специализирующихся на сейсморазведке, сосредоточена на решении задач, связанных с поиском и разработкой нефтегазовых месторождений. Это можно назвать “большой сейсморазведкой”. В ней имеют дело с глубинами в несколько километров. У нас масштаб более скромный. Мы исследуем свойства грунтов и горных пород на глубинах в 10-30 метров. То есть занимаемся малоглубинной сейсморазведкой. Термин этот не очень удачный – слишком общий, но он прижился.
Специфика решаемых в данной области задач состоит в том, что приходится учитывать сложную физику распространения сейсмических колебаний в “рыхлых” средах, эффекты рассеяния и поглощения энергии колебаний. Это можно сравнить с задачами по обеспечению звукоизоляции в помещениях. Чтобы их решить, отказываются от жестких материалов, стараются использовать те, что помягче. В ход идут рифленые покрытия на стенах, позволяющие добиться рассеяния звуковых волн. Подобные явления не имеют большого значения для “настоящих” твердых пород, которыми занимается “большая сейсморазведка”. Возникают и другие ситуации, нетипичные для нее. 
Влажность и водонасыщенность грунтов – ключевые параметры, влияющие на скорости распространения сейсмических волн. Например, скорость продольных волн при пересечении уровня грунтовых вод может повыситься в несколько раз, в то время как скорость поперечных остается практически неизменной. Это происходит из-за того, что скорость распространения колебаний в воде выше, чем в самой твердой основе грунта. Скорость звука в воздухе также может быть выше скорости сейсмических волн в поверхностных слоях грунтов. Для плотных горных пород на глубинах в километры скорость распространения волн выше скорости звука в воздухе в десятки раз. Несмотря на эти моменты, подходы малоглубинной и “большой” сейсморазведок, в целом, схожи. Различия – в используемых при обработке типах сейсмических волн. 
– С какими волнами вы работаете? 
– Сейсморазведка похожа на оптику. Мы тоже используем такое понятие, как луч. И там и тут наблюдаются явления отражения, преломления. А особенность наших задач – в наличии резких контрастных границ, при переходе через которые скорости сейсмических волн сильно меняются. Это может быть уровень грунтовых вод. Или выход скальных пород, даже на небольшой, порядка 10 метров, глубине. Вдоль таких границ и распространяются преломленные волны. Допустим, есть два слоя: в верхнем скорость значительно меньше, чем в нижнем. Волны от источника, расположенного на поверхности, “ныряют” до границы, затем бегут в высокоскоростном слое прямо вдоль границы, а потом выныривают обратно. Эти волны приходят раньше остальных, поэтому их легко выделить из записей сейсмоприемников и использовать для определения строения среды. Важную информацию дает время пробега этих волн. 
Если известны время и расстояние, то несложно узнать скорость распространения волны. По скоростям сейсмических волн можно потом судить о свойствах и строении толщи грунтов, определить уровень грунтовых вод или глубину, на которой уже начинаются скальные породы. Эти методики называют “алгоритмами на основе времен первых вступлений”. 
Метод преломленных волн (МПВ) – это классика сейсморазведки. Сейчас мы изучаем работы 1970-1980-х годов. Именно тогда МПВ активно развивался. Многие действительно неплохие подходы, особенно из тех, что разрабатывались в СССР, оказались забытыми. Одна из наших задач – их модернизация. У современной измерительной аппаратуры и компьютеров, на которых происходит обработка, совсем иные возможности. Другой тип волн, которые мы используем, – поверхностные. Они распространяются вдоль дневной поверхности. Эти волны хороши тем, что амплитуда колебаний в них самая сильная. Известно, например, что при землетрясениях именно поверхностные волны вызывают самые большие разрушения. Для наших задач эта особенность, наоборот, очень полезна. Сейсмограммы всегда содержат помехи и шумы. Даже просто ветер может оказаться проблемой. Поэтому чем волны “сильнее”, тем лучше.
Сейсмологи, исследующие строение Земли совсем в других масштабах, по волнам от землетрясений, тоже активно используют именно поверхностные волны. Наши методы схожи. Отличие в том, что мы можем поставить источник там, где захотим. Еще есть возможность чаще расставлять приемники. Как мне кажется, во многом двигателем прогресса в нашей области служит как раз усовершенствование измерительной аппаратуры. Стали доступны такие вещи, как GPS, беспроводные системы обмена данными. Раньше одной из проблем была синхронизация записей приемников. Сейчас можно одновременно записывать много сигналов от разных сейсмоприемников, так называемых “каналов”, с помощью относительно недорогой аппаратуры. В результате такого технического прогресса в последние 10-15 лет появился и активно развивается целый ряд методов под общим названием “многоканальный анализ поверхностных волн”. Мы тоже работаем в этом направлении. Что же касается отраженных волн – с ними сложнее всего. В “большой сейсморазведке” их любят. Волна бежит до границы, отражается и прибегает обратно, как эхо. Можно работать по принципу эхолота, которым измеряют глубину на кораблях. В наших задачах отраженные волны чаще всего не видны на сейсмограммах на фоне более “сильных” поверхностных. Это как тихие слова на фоне громкой музыки. Нужно применять специальные алгоритмы. В англоязычной научной литературе используют словосочетание “challenging problem”. “Расслышать” отраженные волны, чтобы потом их использовать, – именно к такой задаче подходит определение “вызов”.
– Как разрабатывается комплексный метод малоглубинной сейсморазведки? Какие специалисты в этом участвуют?
– В “большой сейсморазведке” есть специализация: одни группы, как правило, сотрудники сервисных компаний, занимаются полевыми работами и сбором данных, другие – их обработкой и интерпретацией результатов. Это индустрия, пробиться в которую со своими научными разработками сложно. Даже просто достать данные для проверки своих алгоритмов проблема. Сама же обработка требует использования суперкомпьютеров. Для решения наших задач достаточно постучать кувалдой, записать колебания с помощью недорогой аппаратуры и обработать полученные сейсмограммы на обычном ПК. Такой формат работы позволяет проводить теоретические исследования, разрабатывать методы, планировать и проводить эксперименты, обрабатывать данные – все в рамках коллектива в несколько человек, работающих в нашей лаборатории динамических проблем сейсмики под руководством Антона Альбертовича Дучкова. Конечно, каждый участник команды имеет свою специализацию. Одни занимаются аппаратурой и проведением полевых работ, другие – теоретическими исследованиями и разработкой методов обработки данных, программным обеспечением. Для взаимодействия с остальными от каждого требуется понимать проблему в целом. Любителям бокса или хоккея, например, знакомо понятие “игровой стиль”. В наших научных исследованиях мы придерживаемся схожей манеры: постоянно применяем новые методы, проверяем какие-то идеи, пробуем комбинации известных подходов, стараемся подойти к решаемой проблеме с разных сторон. Надо искать комплексные подходы, например использовать разные типы волн. Наш проект на это и нацелен. Конечно, сложно объять необъятное, но в данной ситуации мы имеем дело именно с таким случаем, когда к этому надо стремиться – максимально использовать всю ту информацию, которую содержат записи сейсмограмм.
– Что позволяет узнать ваш метод, какие проблемы решить? 
– Есть такой вид деятельности, который называется “инженерно-геофизические изыскания”. Решаются задачи, связанные, в основном, со строительством. Конечно, более широко используется метод инженерно-геологических изысканий: бурятся скважины, извлекаются керны, проводятся лабораторные испытания. У такого подхода есть очевидные преимущества. Применение сейсморазведки позволяет оценивать свойства непосредственно в ненарушенном массиве. Это важно в ряде ситуаций. Кроме того, часто нужны именно параметры распространения сейсмических волн в исследуемой среде. На обширных территориях нашей страны при строительстве зданий и инженерных сооружений положено оценивать возможное сейсмическое воздействие при сильных землетрясениях. Необходимо оценивать жесткость грунтов и горных пород, лежащих под фундаментом. От свойств и строения среды на глубинах в 10-30 метров (в зависимости от типа сооружения) сильно зависит то, как повлияют землетрясения на целостность здания. Этим занимается дисциплина, которая называется “сейсмическое микрорайонирование”. Сейсморазведка в ней – один из основных методов. 
Изыскательная деятельность для нас – не первостепенная задача, мы ведь все-таки ученые. Но для прикладной науки важно не терять связь с народным хозяйством. Кроме сейсмического микрорайонирования есть и другие приложения. В горном деле, например, это оценка устойчивости бортов карьеров. А исследование состояния грунтов под дорожным полотном помогает понять причины просадок или постоянного размывания в одних и тех же местах. Наши подходы можно использовать в археологии. 
Нам интересно придумывать новые точки приложения наших методов. Многие идеи, правда, потом оказываются неновыми. Но это не важно. Главное, что мы их можем реализовать и проверить.
Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации предоставлены А.Сердюковым

Нет комментариев