ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА

Математические методы геофизики, развиваемые на базе вычислительных технологий, предъявляют высокие требования к точности и достоверности результатов наблюдений. Это привело в 1978 г. к созданию в институте нового подразделения — Отдела геофизической информатики, основная задача которого состояла в разработке мощных сейсмических источников, многоканальной аппаратуры регистрации и совершенствовании методов обработки полевых данных, полученных от низкочастотных источников. Интенсивное развитие вычислительной техники позволило в сравнительно короткий срок создать экспериментальные образцы полевых измерительно-вычислительных комплексов, в которых запись информации сопровождалась её анализом и математической обработкой. Особое внимание уделялось анализу микросейсмических помех и методам фильтрации сигналов.

Продолжительное излучение сейсмических волн специальным вибратором по общей энергии эквивалентно мощному взрыву, но при этом излучатель не вызывает разрушений и изменений в грунте и может многократно и с высокой точностью повторять излучение сигналов со строго заданными параметрами, что невозможно осуществить при взрывной технологии зондирования. Регистрация таких сигналов и извлечение из них информации о строении геологической среды требует разработки специальных алгоритмов, так как полезный сигнал на значительном удалении от вибратора оказывается в десятки и сотни раз слабее микросейсмических шумов.

Вибрационные установки с силовым усилием на грунт в 100 тонн обеспечивают в настоящее время регистрацию сигналов на расстояниях до 300 км с получением содержательных сейсмограмм и регистрацию монохроматического сигнала на расстояниях более 1000 км. Это стало возможным после разработки высокоточных систем компьютерного управления вибраторами, многоканальных цифровых систем регистрации и специальных методов обработки информации.

В нашем отделе был предложен и запатентован новый принцип построения вибраторов — гидрорезонансный — и созданы опытные установки на 50 и 200 тонн. В них используется подходящий резервуар (цистерна, шахта), наполненный водой, на дне которого расположена «воздушная подушка». Масса воды образует с упругостью воздуха резонансную систему, которая «раскачивается» пневматическим приводом. Такая схема хорошо согласуется с условиями эффективной передачи силового воздействия прилегающему грунту и не имеет практического предела повышению мощности. Компьютерная система управления клапанами привода изменяет объём воздушной подушки, обеспечивая резонанс на любой частоте рабочего диапазона. Задача управления оказалась весьма сложной, но погрешности воспроизведения сигналов удалось снизить до долей миллисекунды на сеансах продолжительностью в несколько часов. Достигнутый уровень точности позволил перейти к наблюдению изменчивости геологической среды во времени.

Исследования были направлены на обнаружение аномалий распространения сейсмических волн, обусловленных деформациями литосферы под воздействием лунно-солнечных приливов. Гравитационное воздействие Солнца и Луны рассматривается как природный эталон деформирующих сил, имеющий точное математическое описание, идеально прогнозируемый по времени и координатам и действующий в глобальном масштабе. В результате специально проведенного эксперимента (32 сеанса гармонического излучения на частотах 6,4 и 7 герц в течение 4 суток и регистрации двумя полевыми вычислительными комплексами на удалении 356 км) была обнаружена изменчивость времени распространения c периодами 12 и 24 часа, что соответствует спектральному составу приливного ускорения. Относительное изменение скорости распространения волн составило 10^-6. Система зондирования с такими метрологическими параметрами может оказаться полезной для отслеживания вариаций напряженного состояния в очагах потенциальных землетрясений и живущих вулканов.

Эти первые эксперименты и информационный взгляд на проблемы построения зондирующей аппаратуры, систем временной привязки источников и регистраторов позволил более строго подойти к постановке экспериментов в целом. Удалось создать уникальную систему вибросейсмического зондирования, содержащую мощные источники, многоканальные распределенные регистраторы вибросейсмического поля, спутниковую систему временной привязки на основе GPS. В настоящее время проведен широкий спектр работ по новому направлению, получившему название «активная сейсмология».

В августе 1995 г. совместно с Токийским институтом исследования землетрясений был поставлен и успешно проведен международный эксперимент по изучению структуры вибросейсмического поля от мощных вибраторов, установленных на полигоне у села Быстровка Новосибирской области. Был пройден профиль в 95 км с шагом около 5 км в восточном направлении от Быстровского полигона. Отдельная точка регистрации была поставлена на расстоянии 312 км в южном направлении. Все комплекты аппаратуры зарегистрировали интенсивные сигналы, излучаемые вибраторами. Этот эксперимент развеял сомнения зарубежных ученых и доказал возможность глубинного зондирования Земли с применением мощных низкочастотных вибраторов.

Эксперимент Дегелен-Быстровка был поставлен совместно с АСОМСЭ, Институтом геофизических НЯЦ (Казахстан), Ливерморской лабораторией (США) в 1999 году. Целью эксперимента являлось изучение глубинного строения на профиле длиной 620 км (Семипалатинский полигон-Быстровский полигон) эквивалентности волновых полей мощных взрывов и низкочастотных вибраторов. На одном конце профиля (Дегелен) проводились мощные химические 100-тонные взрывы (серия Омега 1,2,3) на другом работал 100-тонный вибратор. Для регистрации волновых полей использовалась аппаратура, разработанная в отделе. Удалось построить встречные годографы и скоростной разрез для этого профиля, пересекающего несколько разнородных геологических структур.

Эксперименты 2001-2004 года направлены на создание методики активного мониторинга с использованием мощного вибратора. Эксперимент «Круг» предусматривает изучение волновых полей вибратора, проходящих через разнородные структуры (Алтае-Саянская складчатая зона, Западно-Сибирская плита и др.). В настоящее время от 100-тонного вибратора, находящегося на Быстровском полигоне получены данные на радиусах 120 и 150 км. В 2003 году начаты эксперименты по изучению деформационных процессов протекающих в Байкальской рифтовой зоне с применением монохроматических сигналов, излучаемых 100-тонным вибратором, установленном в пос. Бабушкино.

Актуальной задачей в настоящее время становится создание математических моделей для вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных зон и магматических камер живущих вулканов.

Б. Глинский, д.т.н.
В. Ковалевский, к.т.н.

стр. 8