ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА
Б.Глинский, доктор технических наук.
|
|
Сотрудники отдела геофизической информатики: кандидат
физико-математических наук М.Шорохов, инженер С.Макаров, д.т.н.
Б.Глинский, научный сотрудник Л.Дворецкая, кандидат технических
наук Б.Пушной, научный сотрудник А.Григорюк, инженер В.Иванов (на
снимке -- слева-направо).
|
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. Его основная задача состояла в
разработке аппаратуры и совершенствовании методов регистрации
геофизических полей, прежде всего, сейсмических, как наиболее
информативных. Были созданы передвижные полевые комплексы,
оснащенные вычислительными средствами на уровне современных
сейсмологических обсерваторий. Они позволили развернуть программу
работ по развитию методов глубинного сейсмического зондирования с
использованием вибрационных (гармонических) сигналов вместо
традиционных импульсных (взрывы, землетрясения). 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 потребовала
разработки специальных алгоритмов, так как полезный сигнал на
значительном удалении от вибратора оказывается в десятки и сотни
раз слабее микросейсмических шумов. Вибрационные установки
мощностью в 100 киловатт и силовым воздействием 100 тонн
обеспечивали регистрацию сигналов на расстояниях до 300 км с
получением содержательных сейсмограмм и обнаружение признаков их
прохождения на расстояние более 1000 км. Это стало возможным
после разработки высокоточных систем компьютерного управления
вибраторами. Возникла перспектива создания глобальных систем
активного сейсмического зондирования для детального исследования
внутреннего строения Земли и геодинамических процессов.
В первых образцах мощных вибраторов использовались центробежные
силы при вращении массивных валов со смещенным центром тяжести.
Эта конструктивная схема имеет технологический предел увеличения
мощности вибровоздействия. В отделе геофизической информатики был
предложен и запатентован новый принцип построения вибраторов --
гидрорезонансный -- и созданы опытные установки на 50 и 200 тонн.
В них используется подходящий резервуар (цистерна, колодец,
шахта, котлован), 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. На этом принципе можно
создавать вибраторы, развивающие силу в тысячи тонн, что
необходимо для глобальной системы активного сейсмического
зондирования. Экономичность конструкции определяется тем, что в
ее основных "силовых" элементах используются такие доступные
материалы, как вода и воздух.
Достигнутый уровень точности позволил перейти к наблюдению
изменчивости геологической среды во времени. Обнаружилась
изменчивость, обусловленная распространением инфразвуковой волны,
возбуждаемой колебаниями поверхности грунта (амплитуда -- 10 мм)
в окрестностях вибратора. Детальное исследование этого явления
помогло обнаружить и проиллюстрировать результатами прямых
измерений эффект атмосферно-литосферной волновой индукции,
которая наиболее интенсивна в местах, где скорость поверхностных
волн в земле близка к скорости звука в атмосфере. Заодно
открылась возможность компенсации нежелательного
дестабилизирующего воздействия звукового "канала" при совместной
обработке сигналов от сейсмоприемников и инфразвуковых
микрофонов.
Дальнейшие 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. Прецизионные системы
глубинного сейсмозондирования, предназначенные для исследования
геодинамики, должны получать результаты "на фоне" приливных
деформационных эффектов. В результате специально проведенного
эксперимента 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.
Создание вибрационных сейсмических систем относится к началу 50-х
годов. К настоящему времени ряд фирм США и Канады довели до
серийного производства хорошие передвижные вибрационные системы
для поиска полезных ископаемых. На их базе проводились
эксперименты по глубинному зондированию, но дальнейшего развития
эти работы не получили. Неоднократно зарубежные специалисты
высказывали сомнение относительно достоверности результатов,
полученных в СО РАН. Для проверки и подтверждения результатов
сотрудники ИВМиМГ совместно с Токийским институтом исследования
землетрясений поставили и успешно провели в августе 1995 года
международный эксперимент по изучению структуры
вибросейсмического поля от мощных вибраторов, установленных на
полигоне у села Быстровка Новосибирской области. Научными
руководителями экспедиционных работ выступили: с российской
стороны -- академик А. Алексеев; с японской -- профессор Джунсо
Касахара. В эксперименте принимали участие специалисты Института
геофизики СО РАН, Новосибирской опытно-методической вибрационной
экспедиции и Центра региональных геофизических и геоэкологических
исследований "ГЕОН" (Москва). Участники использовали свою
аппаратуру, что позволило провести регистрацию сигналов
одновременно на различных удалениях и направлениях и сопоставить
результаты. Все комплекты аппаратуры зарегистрировали интенсивные
сигналы. Доказано экспериментом, что резонансные свойства
поверхностного слоя играют существенную роль в излучении
вибрационных волн. Этот слой на Быстровском полигоне обладает
повышенной упругостью, в нем проявляется резонанс, массы грунта в
окрестностях вибратора интенсивно раскачиваются и в свою очередь
передают усиленное механическое воздействие жестким коренным
породам на большой площади. Излучение волн "сквозь резонанс"
оказалось почти на порядок интенсивнее, чем непосредственно в
коренные породы. Поэтому мощные вибраторы гидрорезонансного типа
будут эффективны при установке в местах, где отсутствует
резонирующий грунт, они имеют собственную резонансную систему.
Информационный взгляд на проблемы построения зондирующей
аппаратуры позволил более строго подойти к постановке
эксперимента в целом. Применение вычислительных методов и средств
в геофизике и геофизическом приборостроении приводит к совмещению
технического зондирования среды с ее математическим
моделированием в едином информационном процессе научного
исследования.
стр.
|
