CC BY
75
УДК 551.2.03, 550.31:550.834
Диссипативная сейсмика
И.Я. Чеботарева, А.Н. Дмитриевский
Институт проблем нефти и газа РАН, Москва, 119333, Россия
Приведены результаты полевых исследований энергоактивных зон земной коры с использованием двух методов, объединенных под общим названием диссипативная сейсмика. Оба метода являются экологичными и в качестве входных данных используют записи естественного сейсмического шума Земли, зарегистрированные на поверхности. В совокупности методы позволяют быстро выявлять положение энергоактивных зон на большой площади; обеспечивают возможность трехмерной локализации эмиссионных кластеров в разной помеховой обстановке во всем диапазоне глубин, включая границу Мохо; позволяют количественно оценивать изменения в состоянии геосреды и отслеживать развитие процессов самоорганизации или хаотизации. Использование диссипа-тивной сейсмики перспективно для проведения фундаментальных научных исследований, для разработки методов прогноза геофизических катастроф, а также для совершенствования методов разведки полезных ископаемых. Набор методов под общим названием диссипативная сейсмика может быть расширен за счет методов, разработанных в нелинейной динамике.
Ключевые слова: энергоактивные зоны, сейсмическая эмиссия, диссипативные структуры, эмиссионная томография, нелинейные открытые системы
DOI 10.24411/1683-805X-2020-11002
Dissipative seismicity
I.Ya. Chebotareva and A.N. Dmitrievskiy
Oil and Gas Research Institute RAS, Moscow, 119333, Russia
This paper reports the results of field studies in the energy active zones of the Earth's crust using two methods grouped under the general name of dissipative seismicity. Both methods are environmentally friendly and use records of the natural seismic noise recorded on the Earth's surface as input data. By using these methods together, it is possible to quickly identify the position of energy active zones over a large area, to perform three-dimensional localization of emission clusters in different noise conditions over the entire depth range, including the Moho boundary, to quantify changes in the state of the subsurface, and to track the self-organization or randomization processes. Dissipative seismicity methods show promise for fundamental research, geophysical disaster prediction, as well as for improving mineral exploration methods. The group of dissipative seismic methods can be expanded by nonlinear dynamics methods.
Keywords: energy active zones, seismic emission, dissipative structures, emission tomography, nonlinear open systems
1. Введение
При проведении независимых исследований И.Г. Киссиным и С.Ю. Баласаняном [1-4] экспериментально обнаружено, что на поверхности Земли существуют сильно локализованные участки, для которых регистрируются высокоамплитудные колебания различных геофизических полей (сейсмических, электромагнитных, эмманационных, химических, гидрологических). Вследствие высокой тензочувствительности здесь четко проявляются постсейсмические эффекты и высокоамплитудные
предвестники удаленных сильных землетрясений, ярко выражены колебания на характерных частотах лунно-солнечных приливов. Такие участки получили название «чувствительные зоны земной коры» [1] и «энергоактивные зоны Земли» [3]. Специальных широкомасштабных работ по выявлению и изучению энергоактивных зон не проводилось. Это связано отчасти с трудностью обнаружения подобных объектов на больших площадях. Однако по материалам работ [1-4] установлено, что энергоактивные зоны локализуются
© Чеботарева И.Я., Дмитриевский А.Н., 2020
на пересечении крупных активных и, возможно, проникающих до мантии тектонических разломов или на контактах крупных блоков. Согласно теоретическим и экспериментальным оценкам [3], наиболее ярко выраженные ядра чувствительных зон на поверхности наблюдения малоразмерны и в плане могут даже составлять 10-20 м. В то же время они должны быть существенно протяженными по глубине. То есть энергоактивные зоны являются вертикальными каналами, которые приурочены к крупным глубинным разломам с мантийными корнями либо к ветвям сопряженных по глубинам вертикальных и наклонных разломов и горизонтальных волноводов. По этим каналам происходят циркуляция и взаимодействие двух встречных потоков вещества и энергии: восходящего из недр Земли и нисходящего из гелиосферы. Земля рассматривается как открытая динамическая система, испытывающая внешние физические воздействия, многие из которых имеют суточную периодичность. Энергоактивные зоны являются концентраторами деформаций и наиболее термодинамически неустойчивыми элементами геосреды. Согласно гипотезе [3], здесь наиболее активно развиваются разномасштабные геофизические, геохимические и геологические процессы, механизмы которых контролируются единым круговоротом электромагнитной энергии.
Явление энергоактивных зон полностью согласуется с моделью дискретной иерархически структурированной геосреды [5, 6]. Многомасштабная блочная структура литосферы обуславливает ее нелинейность и энергонасыщенность, наиболее ярко проявляющиеся в области межблочных контактов и повышенной гетерогенности пород [611]. Высокая тензочувствительность присуща структурно-неоднородным, гранулированным и флюи-донасыщенным пористым средам, а также многофазным средам, где нелинейные эффекты часто сильно выражены даже при умеренных значениях статиче ских и динамических воздействий [11, 12]. Таким образом, из имеющихся экспериментальных фактов следует, что энергоактивные зоны по своим свойствам являются многокомпонентными открытыми неравновесными системами с ярко выраженной нелинейностью и высокой чувствительностью к внешним воздействиям, с диссипацией, которая присуща всем геологическим объектам. В таких системах диссипация играет конструктив-
ную роль, способствует развитию кооперативных явлений и образованию различных структур [1315]. Для их обозначения И. Пригожин [13] ввел специальный термин «диссипативные структуры». Иногда эти устойчивые локализованные образования называют «диссипативными солитонами» [16, 17]. С математической точки зрения солито-ны — это локализованное решение нелинейных уравнений в частных производных. С физической точки зрения — это локализованный объект или структура поля. В нелинейной оптике теоретически и экспериментально изучен широкий класс дис-сипативных солитонов различной геометрической размерности и показано, что они могут быть стационарными и пульсирующими, неподвижными, вращающимися и поступательно перемещающимися, могут образовывать комплексы [16]. Вероятно, что похожие объекты существуют и в геофизических полях. Можно предполагать, что в иерар-хично-блоковой среде класс геофизических соли-тонов будет также иерархичен, т.к., согласно принципам физической мезомеханики [18], процесс деформирования на каждом структурном мезоуров-не развивается отличным образом и имеет свое математическое описание. Это необходимо учитывать при планировании полевых экспериментов.
Изучение энергоактивных зон Земли является перспективной темой не только для фундаментальных исследований, но имеет очевидную практическую актуальность, связанную с разработкой методов прогноза геофизических катастроф и поиском и разведкой месторождений полезных ископаемых. Как отмечено в работах [17], геофизические поля являются индикаторами процессов, развивающихся в литосфере, и их параметры функционально связаны с вещественно-структурными характеристиками среды. В зависимости от внешних условий и внутренних свойств среды они способны видоизменяться и обмениваться энергией. Совокупность таких связанных геофизических полей может рассматриваться как единое поле, которое названо «автоволновым полем» [17]. В геологическом масштабе времени автоволновые геофизические процессы в результате многоцикловых усталостных механизмов обеспечили формирование протяженной сети зон разуплотнения, которые являются транспортными путями для энергии и вещества. В зависимости от состояния вмещающих пород и мощности потоков [17, 19] в
энергоактивных зонах Земли происходят транзит без существенной трасформации или обмен энергии и веществом между потоками и вмещающей средой, сопровождающийся физико-химическими превращениями вещества потоков и вмещающей среды. В частности, энергоактивные и флюидизи-рованные зоны могут быть областями генерации нефти и газа либо путями транзита, в которых происходит процесс накопления глубинных углеводородов. В работе [20] сформулирована гипотеза о связи коровых волноводов и вертикальных зон деструкции с флюидным режимом в верхних горизонтах коры. Предложен автоволновой механизм, который обеспечивает возможность накопления углеводородов в промышленных масштабах. При дилатансионном расширении волновода происходит нагнетание флюидов из верхней или нижней части разреза по вертикальным зонам деструкции, при консолидации — отжатие флюида наверх через стенки волновода. Флюиды промывают насыщенные углеводородами и минералами осадочные слои и создают предпосылки для образования углеводородных скоплений. С потоками флюидов возможна транспортировка углеводородов в горизонтальном направлении на значительные расстояния. При этом необходимые условия для образования залежи — это наличие разуплотненной зоны транспортировки флюида, внешний подток углеводородов, плотные непроницаемые покрышки — флюидоупоры и ловушки. Механизм инвариантен относительно теории генезиса нефти. Обогащенный углеводородами флюид через вертикальные зоны деструкции может «впрыскиваться» в горизонтальный волновод как с верхних, так и с нижних горизонтов, т.е. углеводороды могут быть как биогенного происхождения, так и синтезированными на больших глубинах в областях высоких давлений и температур.
В геологии существует похожая концепция ко-рово-мантийных структур, связанных с формированием рудных месторождений. Формирование рудных месторождений связывается с зонами тек-тономагматической активности и рудоконцентри-рующими разрывными «сквозными системами нарушений» [19, 21-25]. Под ними в мантии предполагается наличие рудогенерирующих горячих плюмов, поднимающихся от жидкого ядра, прожигающих границу кора-мантия и создающих восходящий поток мантийного вещества в коре Земли. В окрестностях такой флюидной струи возможно
формирование метаморфогенных месторождений и возникновение потоков гидротермальных растворов, перемещающих рудное вещество в горизонтальном направлении и на более высокие горизонты.
Данная статья содержит результаты полевого опробования двух сейсмических методов, которые недостаточно широко используются в геофизических исследованиях, но представляются весьма эффективными для изучения энергоактивных зон. В качестве входных данных использованы записи естественного сейсмического шума Земли, однако представленные методы могут быть адаптированы к различным геофизическим полям. Они позволяют производить трехмерную локализацию дис-сипативных сейсмических структур и количественно контролировать их динамику в терминах роста хаотизации или упорядоченности протекающих процессов, в том числе отслеживать развитие самоорганизации. Набор методов может быть расширен под общим названием «диссипативная сейсмика». Следует добавить, что сейсмические солитоны слабо изучены, но движущиеся сейсмические солитоны были обнаружены одним из представленных методов на территории нефтяного месторождения, где, как предполагается, локализуются высокодебитные подводящие каналы с глубинной флюидной подпиткой [26].
2. Естественный сейсмический шум Земли
Как упоминалось во введении, в области выхода на дневную поверхность энергоактивных зон наблюдаются высокоамплитудные колебания различных геофизических полей, связанных с глубинными процессами. В обычных условиях многие геофизические сигналы быстро затухают с увеличением расстояния между источником и приемником. В силу малоразмерности активного ядра энергетических зон [3] более удобным является использование волновых полей с относительно слабым затуханием. Одним из видов таких полей является естественный сейсмический шум Земли, который также называют фоновыми сейсмическими колебаниями. Это повсеместно и постоянно существующие акустические колебания в широчайшем диапазоне частот, которые экспериментально обнаруживаются на поверхности Земли и в скважинах на всех доступных глубинах. Использование сейсмических волн при регистрации на поверхности всегда позволяет выбрать диапазон
частот, для которых литосфера достаточно прозрачна для исследования определенного диапазона глубин. Степень изученности сейсмического шума в разных частотных диапазонах существенно различается, но несомненно, что источники сейсмического шума многочисленны и разнообразны. Вдали от мощных акустических источников амплитуда шумовых колебаний спадает с ростом частоты. На земной поверхности на частоте 1 Гц амплитуда может составлять 10-10 м в наиболее «тихих» условиях [27] и 10-3 м на расстоянии 0.3 км от активных вулканов [28, 29].
Большая часть сейсмологических и сейсмораз-ведочных работ проводится в диапазоне частот более 1 Гц. Это стимулировало детальное изучение высокочастотного шума (>1 Гц) как неустранимой помехи, информация о параметрах которой необходима для планирования полевых экспериментов. В рамках классических представлений считалось, что сейсмический шум является суперпозицией распространяющихся изотропно сигналов от независимых поверхностных источников природного и техногенного происхождения. Если ярко выраженные источники на поверхности отсутствуют, то сейсмические фоновые колебания имеют вид случайного шума, но он пространственно организован. Теоретическая функция корреляции для суперпозиции изотропно распространяющихся плоских волн зависит от волновой скорости, увеличивается с уменьшением расстояния между точками регистрации и уменьшается с ростом частоты [30]. Наличие пространственной организации сейсмического шума в диапазоне 2-20 Гц было подтверждено экспериментально по данным мало-апертурных площадных групп [31]. С увеличением глубины вклад компоненты, связанной с множественными поверхностными источниками, должен уменьшаться из-за быстрого затухания с глубиной поверхностных волн. В работе [32] показано, что при наблюдении в скважине в карбонатных осадочных породах в диапазоне частот 1-100 Гц и на глубинах до 1 км эффект организации шума с глубиной ослабляется и амплитуда колебаний быстро уменьшается.
По мере развития методов регистрации сейсмических колебаний появлялось все больше экспериментальных результатов, необъяснимых в рамках классических представлений. Они свидетельствовали о возможности существования глубинных источников сейсмического шума. Отношение к вы-
сокочастотному шуму менялось синхронно с изменением представления о модели геосреды и энергетической многомасштабности сейсмического процесса. Анализ данных малоапертурных сейсмических групп показал, что иногда во внутри-континентальных областях в волновом поле могут доминировать объемные продольные волны с малыми углами выхода и составлять более 60 % от общей энергии процесса [33]. Было обнаружено, что в скважинах на глубинах более 100 м амплитуда фоновых высокочастотных колебаний на некоторых горизонтах существенно возрастает и увеличение амплитуды фоновых колебаний совпадает с интервалам дробления и повышенной тре-щиноватости, активных микроподвижек земной коры по тектоническим нарушениям и разломам, а также с положением рудных интервалов и нефтяных коллекторов. В сейсмоактивных районах во время подготовки землетрясений и после них наблюдались высокоамплитудные характерные длительные сигналы, вариации уровня которых были синхронные и одинаковые для далеко разнесенных пунктов регистрации. Одноточечные наблюдения при некоторых полевых экспериментах выявили, что амплитуда высокочастотного шума модулируется низкочастотными деформационными процессами различной природы (штормовыми микросейсмами, волнами от удаленных землетрясений, лунно-солнечными приливами, собственными колебаниями Земли). Более подробный обзор экспериментальных результатов можно найти в статье [34]. Анализ имеющихся экспериментальных результатов и собственных полевых исследований позволил [35] открыть явление сейсмической эмиссии. Модуляцию высокочастотного шума Земли и другие эффекты авторы [35] объяснили появлением в волновом поле аддитивной эмиссионной составляющей, которая генерируется в глубинных активных зонах, возбуждаемых низкочастотным деформационным воздействием [36]. Было установлено, что эмиссионная активность проявляет временную и пространственную нестабильность, избирательность к частоте воздействия и нелинейность отклика. Для изучения шумоподобных источников сейсмической эмиссии и их трехмерной локализации был предложен и детально разработан специальный метод эмиссионной сейсмической томографии [34, 37, 38]. Результаты изучения эмиссионных эффектов с использованием этого метода дали прямое подтверждение существова-
ния в геосреде локализованных зон сейсмической эмиссии. Было показано, что распределение источников эмиссионной активности не является пространственно равномерным. Зоны сейсмической эмиссии обнаружены на всех горизонтах земной коры, включая границу Мохо [38]. Активные зоны связаны с конкретными геологическими объектами, такими как магматические системы, геотермальные поля, открытая природная трещино-ватость, тектонические разломы, месторождения углеводородов [34, 37-44].
Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что естественный сейсмический шум Земли не является случайным процессом. Он может содержать аддитивную пространственно когерентную эмиссионную составляющую, которая несет информацию о динамике геофизической среды в области расположения эмиссионных источников. Если на пути распространения эмиссионного сигнала в изучаемом диапазоне частот среда может считаться линейной, то все особенности сигнала можно связывать с параметрами активной зоны. В противном случае проходящее излучение модифицируется и для уточнения параметров источника необходимо учитывать влияние среды на пути распространения, что существенно усложняет задачу. Естественно возникает вопрос: являются ли глубинные области сейсмической эмиссии деталями сети энергоактивных зон? Энергоактивные зоны в связи с их характеристиками безусловно являются источниками сейсмической эмиссии. Но все ли кластеры сейсмической эмиссии включены в энергоактивные зоны — вопрос, требующий дополнительных исследований.
3. Термодинамический индикатор состояния геосреды
Используя существующие методы нелинейной динамики, диагностику состояния геосреды можно проводить по экспериментально измеренным временным записям различных волновых полей. Более того, существует экспериментально подтвержденный алгоритм того, как, имея временную реализацию всего одной физической величины, можно записать эволюционное уравнение для координат состояния и проанализировать типичные режимы функционирования системы при вариации управляющих параметров и начальных условий [45, 46]. Сигналы, порождаемые динамической системой, связаны со свойствами системы и
изменением ее состояния, которое определяется значением управляющих параметров. Часто в качестве управляющего параметра выступает энергия системы. При этом могут реализоваться сложные режимы колебаний — от гармонических до динамического хаоса, внешне похожего на хаотические колебания. Можно сказать, что режим колебаний является индикатором состояния системы, индикатором возникновения коооперативных явлений и проявления структур. В геофизике для исследования процесса сейсмичности на масштабах от землетрясений до сейсмического шума используются различные меры сложности — обобщенная и корреляционная размерности, энтропия Ре-ньи и Колмогорова-Синая и др. Обзор некоторых работ можно найти в монографии [10]. В частности, установлено, что естественный сейсмический шум Земли не является диффузным шумом и имеет небольшие значения корреляционной размерности, характерные для динамического хаоса. Далее в статье приведены экспериментальные результаты анализа фоновых сейсмических колебаний, которые позволяют получить количественную оценку изменения степени хаотичности состояния среды при различных видах воздействия и выявить наличие кооперативных явлений. При этом использован термодинамический индикатор состояния геосреды, методика расчета которого разработана на базе S-теоремы Климонтовича [47].
Для замкнутых систем в качестве меры относительной степени хаотичности Л. Больцман ввел статистическое определение энтропии и доказал H-теорему, согласно которой в процессе установления равновесного состояния энтропия системы монотонно возрастает и остается постоянной при его достижении. В случае открытых систем использование энтропии Больцмана не обеспечивает правильную оценку, т.к. закон распределения определяется не только структурой режима колебаний, но и изменяющейся энергией системы. В этом случае, как показал Ю.Л. Климонтович [47], энтропия Больцмана должна быть специальным образом перенормирована, чтобы выровнять средние энергии сравниваемых состояний. Алгоритм нормировки описывает S-теорема Климонтовича [47]. Далее нормированную таким способом энтропию будем называть S-энтропией Климонтовича или коротко S-энтропией, буква S происходит от слова «self-organization».
При вычислении энтропии Больцмана используется функция распределения вероятностей состояний системы. Обозначим как/(X, а, О статистическое распределение состояний систем ансамбля Гиббса, где X — набор переменных, определяющих состояние системы; а — набор внешних контролируемых управляющих параметров; t — время. В этом случае энтропия Больцмана определяется формулой
5 = -[ f (X, а, t)1п/(X, а, t)Ах + S0. (1)
Пусть имеются две одномерные реализации экспериментальных измерений для двух квазистационарных состояний при различных значениях управляющего параметра а: х(^ а) и х(^ а + Да). По ним можно построить стационарные нормированные функции распределения /0 = /(х, а0) и/ = =/(х, а0 + Да), = = 1. Согласно $-теореме Климонтовича степень упорядоченности двух состояний можно сравнить следующим образом [47, 48]. Предположим, что состояние с функцией распределения /0 более хаотично. Введем эффективный гамильтониан системы Иее = -1п/0. Представим перенормированную функцию /0 в виде канонического распределения Гиббса с эффективной температурой Тей.(Да):
Л = ехР
&
Р (Тяг ) - Н
еЯ
ТД Да)
= С Ок)ехр
&
Н
еЯ
. (2)
Значение С(Т) может быть найдено из условия нормировки
IЛ^ =1
а Тей-(Да) — из условия равенства энергий состояний 0 и 1:
< Нд >=1 Нея, /¿Х = 1 Нед, /А (3)
Далее проводится контроль правильности выбора состояния/, в качестве наиболее хаотичного. Если полученное значение Тей.(Да) > 1, то предположение о большей неупорядоченности состояния 0 справедливо. Если Тей.(Да) = 1, то степень упорядоченности одинакова и перенормировка не нужна. Если Тей.(Да) < 1, то состояния надо переобозначить и провести повторные вычисления. Количественной мерой относительной степени упорядоченности при переходе из состояния 0 в состояние 1 является разность энтропий [47]
ДЯ * = 51 - 5о = -I /11п /^ +1 /о 1п /о^ =
= -1 /МА/ /о)^ <0. (4)
Так как референс-состояние 0 является априори наиболее хаотичным, то все значения Д5" < 0, т.е. чем больше степень упорядоченности состояния системы, тем меньше текущее значение ЛЯ*.
При геофизических исследованиях рассчитанные в текущем временном окне значения Д5* количественно характеризуют изменения, происходящие внутри природного массива, поэтому меру Д5" можно назвать термодинамическим индикатором состояния геосреды. Для экспериментально измеренных временных рядов функция распределения может быть рассчитана различными способами [47], например как функция распределения коор-динат/(Х) или спектр мощности/(ю, а). В данной статье приведены результаты, при получении которых в качестве функции распределения были использованы оценки спектра мощности/(ю, а), рассчитанные двумя способами — посредством классического оконного преобразования Фурье или авторегрессионного спектрального оценивания. Параметрический подход более удобен в реализации программных алгоритмов, однако классические фурье-спектры дают физически более корректные оценки спектра мощности и предпочтительны при анализе тонких деталей динамики Д5*.
На рис. 1 показаны результаты численного моделирования, иллюстрирующие корректность использования S-энтропии для изучения сложного процесса формирования хаотического аттрактора. Уменьшение значений вычисляемых оценок по оси ординат соответствует увеличению степени упорядоченности колебаний (уменьшению хаоти-зации). При моделировании были использованы временные ряды, сгенерированные с помощью логистического отображения, называемого также отображением Фейгенбаума [49]:
Хп+1 = ахп (1 - Хп )> 0 < Хп < 1-
Это уравнение при изменении значений параметра а описывает сценарий перехода к динамическому хаосу через последовательность бифуркаций удвоения периода. При а >3 величина х бесконечно колеблется между двумя значениями. Затем по мере увеличения параметра а через каскад бифуркаций удвоения периода происходит переход к состоянию динамического хаоса. При а ~ 3.57 каскад удвоения периода заканчивается и реализуется хаотическое поведение с узкими изолированными окнами периодичности, в которых система ведет себя регулярно. Известно, что упоря-
Рис. 1. Результаты численного моделирования. Зависимость приращения значения энтропии Больцмана АЯ (а) и термодинамического индикатора А£* (б) от параметра отображения Фейгенбаума а; р — параметр авторегрессионной модели, использованной при расчете спектров модельных сигналов
доченность режима колебаний возрастает при изменении а от 3.00 до 3.57, затем уменьшается, сопровождаясь всплесками упорядоченности на протяжении окон периодичности. Первое из таких окон периодичности, когда из хаоса скачком появляется устойчивый цикл, лежит за пределами интервала моделирования и возникает при а - 3.83.
При численном моделировании были рассчитаны значения термодинамического индикатора А£* и для сравнения с ним приращения значения энтропии Больцмана А£ = £1 - £0. Индекс 1 относится к текущему состоянию, индекс 0 к референс-состоянию с максимальным значением перенормированной энтропии, в качестве которого выбрана точка начала каскада удвоения периода а = 3.0. При расчете функций распределения по экспериментальным данным спектр мощности оценивался с использованием авторегрессионной модели. Порядок авторегрессии р определяет частотное разрешение спектра мощности. На рис. 1 приведены кривые для двух значений р, что позволяет судить о степени устойчивости алгоритмов к качеству спектрального оценивания. Приведенные на рис. 1 графики показывают, что только термодинамический индикатор А£* правильно отражает изменение степени упорядоченности колебаний по мере роста управляющего параметра а: значения А£* уменьшаются вплоть до критической точки, а затем возрастают по мере развития хаотических колебаний. Также из графиков следует, что поведение термодинамического индикатора А£* устойчиво по отношению к изменению порядка
авторегрессии. Графики А£, рассчитанные с использованием энтропии Больцмана, подтверждают, что энтропия без перенормировки к одинаковой средней энергии сравниваемых состояний не может использоваться в качестве оценки состояния для открытых систем. Она не отражает правильного поведения степени хаотичности колебаний системы и проявляет неустойчивость при изменении порядка авторегрессии.
Прежде чем перейти к описанию экспериментальных результатов, необходимо сделать небольшое замечание. Функция распределения /(ш, а) зависит от двух переменных — частоты спектра ш и управляющего параметра а. При расчете значений термодинамического индикатора А£* по экспериментальным данным нет необходимости в информации о значениях управляющего параметра и даже о его природе. Влияние управляющего параметра неявно проявляется через значения эффективной температуры Те&: меняются значения управляющего параметра — изменяется эффективная температура. При этом информация о зависимости функции распределения от частоты должна быть известна в наиболее полном диапазоне частот, т.к. в формулах (1), (3), (4) теоретически интегрирование должно проводиться по бесконечному частотному диапазону. При экспериментальных наблюдениях диапазон частот ограничен возможностями измерительной аппаратуры. Это усложняет задачу анализа состояния среды. Использование ограниченного диапазона частот можно интерпретировать как исследование поведения
среды на некотором выделенном масштабном ме-зоуровне, динамика которого соответствует выделенному диапазону частот. На других мезоуровнях динамика геосреды может отличаться. И действительно отличается, о чем свидетельствует анализ данных сверхширокополосных измерений [50].
S-энтропия ранее широко использована для решения диагностических задач в медицине и биологии [46, 51-56]. Установлено, что S-энтропия, рассчитанная по записям электрокардиограмм, электроэнцефалограмм, показаниям кровяного давления является высокочувствительным критерием состояния живых систем. Анализ электрокардиограмм показал, в частности, что ритм работы здорового сердца не является регулярным, он близок к режиму детерминированного хаоса. Организм нормально функционирует в определенном диапазоне степени упорядоченности (хаотичности) динамики системы, который назван нормой упорядоченности. Выход за пределы нормы является индикатором патологии, а внезапный выход и может привести к гибели живого организма. Во время медицинских исследований [46] в качестве диагностического критерия реакции организма на стресс сравнивались различные количественные характеристики степени хаотичности биологических сигналов. S-энтропия продемонстрировала наибольшую стабильность оценки в течение 20 мин для всех участников эксперимента в исходном, спокойном состоянии. Изменения S-энтропии не превышали 4 %, в то время как изменения других характеристик достигали 30-40 % и более. Исследование реакции на все виды стрессовых воздействий показало, что достоверные результаты демонстрирует только S-энтропия. Она является и наиболее чувствительной характеристикой. Если при стрессе артериальное давление и частота сердечных сокращений увеличивалась на 8-10 %, то величина S-энтропии изменялась на 40-70 %. Наши исследования показали, что динамика естественного сейсмического шума Земли и динамика ритмов живых систем имеют схожие черты. В частности, для сейсмического шума также существует норма упорядоченности колебаний в «спокойном» состоянии, а при различных видах воздействия на геосреду и во время подготовки сильных землетрясений происходит отклонение значений термодинамического индикатора от нормы упорядоченности в ту или другую сторону.
Рис. 2. Изменение значений термодинамического индикатора состояния среды во время подготовки сильного землетрясения (ЛS*) и приращения значения энтропий Больцмана (Л£) с медианным усреднением внутри одного дня. Светлые и темные значки соответствуют измерениям в двух разных точках, находящихся на расстоянии 1 км. Треугольниками на горизонтальной оси помечены моменты наиболее сильных землетрясений: 1 — 8 толчков 4.6 < М < 5.3 с близкими эпицентрами, расстояние 650 км; 2 — М = 4.0, расстояние 120 км; 3 — М = 4.7, расстояние 280 км; 4 — М = 4.9, расстояние 280 км; 5 — 5 толчков 4.5 < М < 6.3, расстояние 100 км
Рисунок 2 иллюстрирует результаты использования термодинамического индикатора для мониторинга состояния геосреды на стадии подготовки сильного землетрясения с магнитудой 6.3 на расстоянии 100 км от точки регистрации. За время наблюдения, согласно каталогу местной сейсмичности, произошло более 220 землетрясений. Моменты наиболее сильных помечены на рис. 2. При расчете термодинамического индикатора Д£* анализировались непрерывные записи сейсмического шума, зарегистрированные в диапазоне частот 125 Гц. Интервалы записей, содержащие фазы вступлений регулярных сигналов от землетрясений и коду землетрясений, из анализа исключались. В нижней части рис. 2 показана экспериментальная кривая разности энтропий Больцмана Л£ = = 51 - £0 текущего состояния 1 и наиболее хаотичного референс-состояния 0. Ярко выраженных особенностей на временах землетрясений кривая Л£ не имеет. Ход кривой термодинамического индикатора Л£*, наоборот, демонстрирует высокую чувствительность на временах критического состояния геосреды, разрешающегося землетрясением. Серии сильных коровых землетрясений сопровождаются увеличением упорядоченности фоновых колебаний на интервалах длительностью
Рис. 3. Примеры характерных нормированных спектров мощности образцов сейсмического шума для интервалов, соответствующих норме упорядоченности (а), и на интервале увеличения степени упорядоченности колебаний (б)
10-15 суток. Даже удаленная на 650 км серия землетрясений (метка 1) проявляется локальным минимумом кривой А£*. Максимальный выброс упорядоченности шума соответствует времени наиболее сильного землетрясения (метка 5). На интервале наблюдений среда находится в возбужденном состоянии, о чем свидетельствует большое количество землетрясений, в том числе сильных. Однако за пределами локальных минимумов значения термодинамического индикатора колеблются в узком диапазоне значений А£*, что позволяет говорить о наличии нормы упорядоченности колебаний даже при околокритическом состоянии среды. На рис. 3 показаны спектры мощности колебаний сейсмического шума на интервалах, соответствующих норме упорядоченности и увеличению степени упорядоченности колебаний около време-
ни землетрясений. Норме упорядоченности соответствует более сглаженный спектр, в отличие от спектров с контрастными пиками в дни сильных землетрясений.
На рис. 4 показан временной ход значений термодинамического индикатора А£* во время техногенного воздействия на горный массив при проведении одностадийного гидроразрыва пласта. Глубина перфорации составляла 2.5 км. Сейсмодат-чики располагались на поверхности с заглублением под рыхлый грунт. При анализе данных использовалась полоса частот 4-50 Гц. Сравнение результатов при регистрации сейсмического шума над трещиной гидроразрыва и на удалении более 0.5 км выявляет одинаковую временную динамику термодинамического индикатора А£*. Ход кривых при регистрации шума в разных точках совпадает,
Рис. 4. Изменение значений термодинамического индикатора АЯ* во время проведения гидроразрыва пласта. Правый и левый рисунок различаются масштабом вертикальной оси
хотя разброс значений АБ* с удалением от трещины гидроразрыва возрастает. До начала работ величина АБ* слабо флуктуирует во времени, что соответствует существованию нормы хаотизации. В начале закачки жидкости в пласт и с ростом напряжений в массиве пород наблюдается увеличение хаотизации фоновых колебаний в течение нескольких часов. На этом интервале на записях шума выявляются сейсмические толчки, вероятно связанные с прорастанием подготовленных достаточно крупных трещин. Естественно ожидать, что под действием возникающей тектонической нагрузки идет накопление дефектов в массиве пород — возникновение и рост трещин, дробление, нарушение связанности на контактах блоков. Это эквивалентно увеличению степеней свободы, ведет к росту хаотизации состояния геосреды и росту АБ*. При дальнейшем увеличении напряжений процесс дифференциации массива исчерпывает свои возможности. Начинается самоорганизованное взаимодействие иерархических элементов системы и локализация деформации. Временной тренд термодинамического индикатора изменяется на противоположный — значения АБ* уменьшаются, что отражает рост упорядоченности сейсмических колебаний. Во время образования трещины происходит экстремальный всплеск упорядоченности, аналогичный моменту сильного близкого землетрясения в ранее описанном эксперименте. После образования трещины закачка жидкости в пласт прекращается. Начинается релаксация напряженно-деформированного состояния массива пород. Упорядоченность фоновых колебаний уменьшается и значения АБ* постепенно возрастают в направлении к норме хаотизации. Интервал увеличения степени упорядоченности при образовании трещины гидроразрыва составляет 15-20 ч, т.е. на порядок меньше, чем длительность интервала увеличения упорядоченности при подготовке сильного землетрясения.
Результаты физического моделирования [50] выявляют схожесть в поведении кернового материала в установке и природном горном массиве (рис. 5). В экспериментах использовались цилиндрические керны пористого мелкозернистого песчаника из пластов месторождений Западной Сибири. Длина образцов 9 см, диаметр 3 см. Установка позволяла менять осевое давление и давление бокового обжатия кернов до значений, соответствующих гидростатическому давлению в природном
1 „1,11 0
0 20 40 60 80 100
Время, с
Рис. 5. Результаты физического моделирования для частотного диапазона 10-100 Гц: а — запись акустических сигналов во время проведения эксперимента; б — изменение осевого давления (1) и давления бокового обжатия (2); в — ход термодинамического индикатора во время изменения давления (3) и импульсного воздействия (4); помечены временные интервалы роста осевого давления (5), серии импульсных воздействий (6), сброса давления (7), релаксации (8)
массиве на глубине 2-3 км, а также проводить импульсное и вибрационное воздействие на керн. Акустические сигналы регистрировались в сверхшироком диапазоне частот 1-20000 Гц. Было обнаружено, что после нагружения керна или высокочастотного вибровоздействия наблюдается увеличение общей мощности фонового акустического поля и происходят сложные изменения частотного спектра. Временная динамика термодинамического индикатора Б* для верхнего и нижнего диапазонов частот коррелирует и согласуется с особенностями изменения режима деформирования образца керна, при этом она отличается от динамики среднего диапазона частот [50]. Запись акустических колебаний, приведенная на рис. 5, а, показывает, что увеличение осевого давления во время эксперимента (временной интервал 5) осложнено множественными импульсными сигналами различной амплитуды. Они связаны с растрескиванием и относительным смещением зерен породы. При прекращении роста давления малоамплитудные сигналы исчезают, однако высокоамлитудные продолжают появляться. Это может объясняться тем, что маленькие трещины перестают образовываться, но продолжают дорастать большие трещины. После серии импульсных воздействий на керн (интервал 6) акустические импульсные сигналы прекращаются. «Встряхивание» образца породы приводит к перестройке мозаичной структуры на-
пряжений в зернистой среде — сбрасыванию энергии контактов с наибольшими напряжениями и увеличению нагрузки слабонапряженных контактов. Усредненное таким образом напряжение в среде ниже и распределено более равномерно, поэтому низкочастотная акустическая эмиссия уменьшается при неизменной величине общей нагрузки. На оставшейся части записи появляются только два высокоамплитудных импульса во время сброса давления.
Приведенные на рис. 5 результаты физического моделирования показывают схожесть акустического отклика на внешнее воздействие материала керна и горного массива. При увеличении напряжений в керне (интервал 5), как и при начале работ по гидроразрыву, наблюдается плавное увеличение степени хаотизации фоновых колебаний. После серии импульсных воздействий (интервал 6) значения термодинамического индикатора уменьшаются и стабилизируются на некотором уровне, который соответствует новой норме хаотизации фоновых колебаний с большей степенью хаоти-зации, чем до начала эксперимента. При сбросе давления (интервал 7) значения ДБ* меняются сложным образом. В самом начале, во время резкого сброса наблюдается бухтообразный минимум кривой ДБ*, похожий на интервалы упорядоченности, сопровождающие сильные землетрясения и образование трещины гидроразрыва. Интервал увеличения степени упорядоченности составляет 10 с. Этот минимум связан, видимо, не только со сбросом давления, но и с развитием процесса разрушения породы — на записях акустических сигналов в это время видны два высокоамплитудных сигнала характерной формы. Однако аналогичные акустические импульсы во время увеличения осевого давления на форме кривой ДБ* существенно не проявляются. Возможно, что разрушение на интервале 7 носит другой характер, чем на интервале 5, либо важен фактор совпадения разрушения и резкого падения напряжений. На интервале 8 значение ДБ* стабилизируется на новом уровне нормы упорядоченности.
При трех экспериментах акустические сигналы анализировались примерно в одинаковом диапазоне частот — десятки герц, однако энергия динамических событий существенно различалась — от импульсов акустической эмиссии до сильного землетрясения. Внешнее воздействие на среду отра-
жается в изменении режима фоновых акустических колебаний. Во всех трех случаях разрушение сопровождалось интервалами роста упорядоченности колебаний. Рост упорядоченности связывается с процессами самоорганизации [47, 48], т.е. разрушения проходят на фоне процессов самоорганизации и время развития самоорганизации увеличивается с ростом мощности динамического события. Конкретные механизмы самоорганизации в данной статье не обсуждаются. Можно лишь отметить, что согласно работам М.Г. Леонова и С.В. Гольдина [57, 58], многие горные породы могут быть отнесены к гранулированным геологическим средам. Это не только рыхлые образования (пески, галечники, глыбовые скопления), а также некоторые условно монолитные горные породы — граниты, метаморфические сланцы, гнейсы, песчаники, брекчии и др. В работах [59-61] с помощью численного моделирования показано, что при сложном динамическом нагружении плот-ноупакованных гранул может происходить разрыхление среды, перемешивание и изменение конфигурации упаковки зерен и даже при определенных условиях формирование периодических структур.
Термодинамический индикатор может быть использован не только для временного, но и пространственного контроля состояния геосреды. Как уже отмечалось, шумоподобный сейсмический фон на поверхности Земли является аддитивной суммой диффузной сейсмической помехи и экстремально слабых сигналов от глубинных источников. В описанных выше экспериментах наблюдения проводились в произвольных точках, не привязанных к положению каких-то известных заранее эндогенных эмиссионных источников. То, что с помощью термодинамического индикатора удалось четко проследить изменения состояния геосреды, свидетельствует о высокой чувствительности индикатора. Так как эмиссионная активность среды изменяется от точки к точке, можно полагать, что термодинамический индикатор может быть использован для выявления активных сейсмических источников в районе полевых наблюдений по экстремумам локальной нормы хао-тизации. Наши теоретические и экспериментальные исследования показали, что критерий степени упорядоченности может быть использован для картирования глубинных источников сигналов,
м
й100-
н о
с
3 ■ В
0
-0.5*
3
-1.0
0
1
0
м
а
й К К
ю £
2
-4 -2 0 2 4
Расстояние вдоль профиля, км
Рис. 6. Локализация положения грязевой камеры с использованием термодинамического индикатора состояния геосреды: а — профиль высот регистрирующих приборов; б — график термодинамического индикатора АБ* по экспериментальным данным для диапазона частот 0.4-10 Гц; в — теоретическая кривая термодинамического индикатора для модели излучателя г. Цвет точечных источников отражает значение их мощности. Отношение мощности излучения более удаленных от центра и центральных источников 1.1: 0.8 соответственно
степень хаотизации которых отличается от нормы хаотизации сейсмического шума на поверхности, а также для оценки глубины залегания и относительной мощности излучения этих источников. На рис. 6 показаны результаты экспериментального опробывания метода при локализации вулканической камеры грязевого вулкана горы Карабетова, расположенной на Таманском полуострове, Северный Кавказ. Были использованы записи, предоставленные авторами работ по микросейсмичес-
кому зондированию горы Карабет [62]. Ими посредством анализа волн Рэлея в диапазоне частот 0.03-1.00 Гц на глубинах 0.8-1.5 км выявлены близповерхностная грязевулканическая камера и низкоскоростные флюидонасыщенные подводящие каналы с областью питания на глубине 4.59.0 км. Измерения сейсмического шума производились последовательно во времени в 19 точках с шагом около 420 м. Частотный диапазон регистрации 0.04-10.00 Гц. В отличие от метода микросейсмического зондирования [62], основанного на анализе преобладающих в низкочастотном диапазоне поверхностных волн, использованный в данной статье метод ориентирован на обработку объемных волн. Поэтому была опробована локализация по всему измеренному диапазону частот. Для каждой точки регистрации по профилю были вычислены значения термодинамического индикатора. Оказалось, что отсечение низкочастотного диапазона и анализ волнового сейсмического поля в полосе частот 0.4-10.00 Гц существенно улучшает точность локализации. Результаты локализации глубинного эмиссионного источника, приведенные на рис. 6, полностью подтверждают независимые исследования работы [62]. При расчете теоретической кривой использована модель грязе-вулканической камеры, показанная на рис. 6, г. Необходимо подчеркнуть, что в данном методе не использовалась информация о скоростной модели среды и измерения волнового поля проводятся не одновременно, а последовательно в точках регистрации по профилю или площади, что является принципиальным положительным отличием данного метода от традиционных методов локализации сейсмических источников с использованием объемных волн.
4. Эмиссионная сейсмическая томография
Как было показано в предыдущем разделе, термодинамический индикатор эффективен для картирования и грубой локализации положения эмиссионных источников при большой площади исследования. Детальное трехмерное изображение энергоактивных объемов геосреды позволяет воссоздать другой метод — эмиссионная сейсмическая томография [34, 37, 38]. Входными данными для этого метода также служат записи естественного сейсмического шума Земли, но используется более дорогая и сложная система многоканальной
а
б
г
1 III 1 1 1 1 ппк 1
~1 I I Г"
Рис. 7. Изменение с течением времени пространственного распределения области активного эмиссионного излучения в диапазонах частот>/2 > /3 при проведении многостадийного гидроразрыва пласта (б-д), до начала (а) и через сутки после окончания (е) работ. Внутри кубического объема показано положение вертикального и горизонтального стволов скважины. При визуализации изображений распределения яркости нормированы на индивидуальный максимум, темным цветом выделены области со значениями не менее половины максимума. Размер ребра кубического объема 3 км
площадной регистрации волнового поля. Эмиссионная сейсмическая томография была разработана специально для локализации экстремально слабых шумоподобных эмиссионных источников, сигналы от которых могут быть неразличимы на фоне помех на единичных записях. Ее алгоритмы основываются на методах пространственного анализа сигналов, развитых ранее в радио- и гидролокации [63]. Сейсмический фон регистрируется на поверхности группой приемных датчиков. Затем сейсмическая антенна настраивается на усиление сигнала из различных точек среды и с использованием специальной корреляционной обработки энергия сигналов накапливается по регистрирующим каналам и во времени. Если в среде эмиссионные источники отсутствуют, то распределение интенсивности на изображении будет равномерным. При наличии эмиссионных источников излучающий энергоактивный объем проявляется на изображении в виде светящегося облака, границы которого изменяются с течением времени. Более подробно некоторые алгоритмы с реализацией во временной и частотной области описаны в работе [37], а в работах [26, 34, 37, 38] приведены примеры использования эмиссионной томографии при исследованиях с разными пространственными масштабами и в разной помеховой обстановке.
Рисунок 7 иллюстрирует результаты мониторинга отклика геосреды на внешнее техногенное воздействие при гидроразрыве. Подобные работы проводятся на месторождениях углеводородов для увеличения темпа отбора нефти и газа из продуктивных пластов. В процессе проведения гидроразрыва в пласт закачивается значительный объем жидкости, что приводит к существенному росту напряжений. По достижении критических значений породы разрушаются с образованием крупной трещины или объемной системы более мелких трещин. При этом происходит резкое падение напряжений в массиве пород, сопровождаемое медленной фильтрацией рабочего флюида в пласт. Изменение напряженно-деформированного состояния горных пород на этапе техногенного воздействия и в процессе релаксации стимулирует сейсмические эмиссионные источники в энергоактивных зонах. Изображение источников рассчитывалось в кубическом объеме среды с ребром 3 км. Зона перфорации располагалась в центре объема. Шумовое волновое поле регистрировалось на поверхности с использованием 150 вертикальных сейсмологических датчиков с рабочим диапазоном частот 10-100 Гц. Изображения на рис. 6 рассчитывались в трех неперекрывающихся частотных диапазонах/1 > / >/3. Использованы записи
сейсмического фона до гидроразрыва, во время проведения работ и после гидроразрыва, после релаксации напряжений в среде. Время при последовательной визуализации геофизических процессов на рис. 7 увеличивается слева направо, а частота визуализированных сигналов возрастает по направлению снизу вверх.
До начала работ изображения эмиссионных источников в среднем и верхнем частотных диапазонах практически одинаковы (рис. 7, а). Области эмиссионного излучения можно рассматривать в качестве сейсмических диссипативных структур, которые формируются на фоновых потоках энергии. Они, по всей видимости, не являются виртуальными, а пространственно связаны с конкретными геологическими объектами, которые также можно рассматривать [17, 19] как геологические диссипативные структуры, сформированные на энергетических потоках в геологическом времени. Фоновые эмиссионные кластеры связаны с зоной открытой природной трещиноватости. После окончания работ и релаксации напряжений в среде (рис. 7, е) распределение эмиссионных источников возвращается к фоновому состоянию, которое наблюдалось до начала проведения работ. Изображения среды в верхнем и среднем диапазонах частот опять становятся похожими. И это несмотря на то что техногенное воздействие было достаточно интенсивным и произошли гидравлическое разрушение среды и множество микроземлетрясений по всему исследуемому объему. При гидроразрыве с изменением энергопотока меняется и вид распределения эмиссионных кластеров по сравнению с фоновым, но по-разному в разных частотных диапазонах. Зона гидравлического разрушения вблизи горизонтального ствола скважины ярко проявляется только в возбужденном состоянии геосреды, на интервале между двумя последовательными гидроразрывами (рис. 7, б2). После восстановления фонового состояния (рис. 7, е2) интенсивность излучения из области гидроразрыва значительно ослабевает по сравнению с фоновой эмиссией, поэтому на изображениях рис. 7, а2 и 7, е2 существенных отличий вблизи горизонтального ствола скважины не наблюдается. Сравнение изображений на рис. 7, б-д показало, что поведение активных излучателей при внешнем воздействии существенно отличается для разных частотных диапазонов. На разных частотах проявляются разные детали сейсмического процесса. Микро-
землетрясения, которые возникают в среде при закачке жидкости, визуализируются в самом нижнем диапазоне частот (рис. 7, в3, г3, д3). В среднем диапазоне частот визуализируется эмиссионная активность в области природной трещиноватости (рис. 7, в2, г2, д2) и области гидравлического разрушения (рис. 7, б2). В верхнем диапазоне частот визуализируется динамика среды, связанная с процессом подготовки динамических событий (рис. 7, б1, д1). В этом частотном диапазоне эмиссионные кластеры «мерцают» — на одних временных интервалах они полностью исчезают, на других появляются. Индивидуализацию эмиссионной активности в неперекрывающихся частотных диапазонах можно связать с наличием мезомасштабов деформационного процесса, соответствующих час-тотам^ >^ >Распределение эмиссионных источников фонового состояния геосреды «живет» на фоновых потоках энергии различных физических полей, которые в геологическом времени сформировали и поддерживают существующее распределение энергоактивных зон и фоновую систему взаимодействия мезомасштабов. В фоновом состоянии на мезомасштабах, соответствующих частотам^ и/2, энергетически более выгодна диссипация энергии техногенного воздействия через излучение идентичных эмиссионных структур. Они являются наиболее динамически неустойчивой частью зоны природной трещиноватости. При внешнем воздействии, на этапе роста напряжений в массиве активизируется вся область трещинова-тости в объеме с радиусом в первые километры (рис. 7, в2). На масштабах ^ и /2 формируются эмиссионные структуры с различной геометрией, временная динамика которых также различается. Однако техногенное воздействие изменяет состояние горного массива только локально и кратковременно. Состояние геосреды достаточно устойчиво по отношению к техногенному воздействию, энергия которого пренебрежимо мала по сравнению с энергией естественного сейсмического фона Земли во всем диапазоне частот. Искаженное распределение эмиссионных источников в течение нескольких часов возвращается к фоновому распределению за счет устойчивости существующей системы межмасштабных связей и стабилизирующего воздействия фоновых геофизических полей.
Эмиссионная томография позволяет получить детальную информацию о сейсмических проявлениях глубинных процессов. Изменение напря-
-
Е
1 V ■=>
Рис. 8. Детализация изображений рис. 7, в: фронтальные (а), изометрические (б) и горизонтальные проекции, вид сверху (в). Показано положение вертикального и горизонтального ствола скважины (1). Обводкой отмечена область развития микроземлетрясения
женно-деформированного состояния среды, флюидная и тектоническая активность отражаются в пространственной миграции эмиссионных источников, изменении мощности и спектра их излучения. В качестве примера более детально рассмотрим события, происходящие на временном интервале, по которому рассчитаны изображения рис. 7, в. Детально в различных проекциях они показаны на рис. 8. На этом временном интервале произошло наиболее сильное микроземлетрясение. Оно является сдвоенным событием, т.е. на записях вступления сигналов от двух сравнимых по мощности микроземлетрясений перекрываются. Положение очагов хорошо видно в нижнем частотном диапазоне, в нижней части рис. 8. В среднем частотном диапазоне просматривается область трещиноватости, которая частично была видна и без дополнительной нагрузки, по фоновым записям. При внешнем воздействии область активизировалась, при этом помимо фоновых излучателей проявились ранее скрытые детали ее структуры. В самом высокочастотном диапазоне изображение еще более отличается от фонового. Здесь выявляется внутренняя область неустойчи-
вого блока, у основания которого и произошло микроземлетрясение. Границы этого блока хорошо видны на горизонтальной проекции в среднем частотном диапазоне (рис. 8). Боковая грань этого блока четко видна на изображении при перфорационном взрыве (здесь оно не показано) и имеет миндалевидную форму с опорой на зауженный край. Такая форма блока способствует его опусканию и внедрению в массив. На поверхности над положением блока наблюдается понижение в рельефе. Неустойчивость блока подтверждается и эмиссионным излучением его границ в фоновом состоянии, которое имеет фрикционную природу. Можно предположить, что сдвоенное микроземлетрясение является результатом подвижки у основания неустойчивого блока среды, т.е. наблюдается развитие техногенного землетрясения при постепенном внедрении блока в низлежащие породы.
Еще одна интересная деталь, наблюдаемая по изображениям на рис. 8, — это известное в сейсмологии явление «сейсмическое затишье». Оно заключается в том, что непосредственно перед сильным землетрясением вокруг очага готовящегося землетрясения количество слабых землетрясений
й и
15
ю
Рис. 9. Изображение малоразмерных в плане вертикальных кластеров сейсмической эмиссии по материалам полевых наблюдений на территории разрабатываемого месторождения Лебяжье (Западная Сибирь). Размер ребра кубического объема 6 км
резко уменьшается. При сравнении изображений среды в верхнем и среднем частотных диапазонах видно, что в среднем диапазоне в отмеченной части объема сейсмическая эмиссия отсутствует, а область высокочастотного эмиссионного излучения локализуется в области эмиссионного «затишья» среднего диапазона частот. То есть в различных объемах среды диссипация энергии техногенного воздействия происходит в разных частотных диапазонах по разным сценариям. При этом процесс разрушения развивается не последовательно с одного мезомасштаба на другой соседний, а «перескакивает» с верхнего диапазона частот на нижний, минуя средний диапазон. Сама наблюдаемость явления «сейсмического затишья» в данном случае зависит от диапазона регистрации. Если бы верхний диапазон частот не анализировался, то наблюдалось бы классическое сейсмическое затишье вокруг очага землетрясения. Однако при расширении диапазона частот в области подготовки землетрясения наблюдается не сейсмическое затишье, а переброска энергетики диссипативного процесса в высокочастотную область.
5. Заключение
Данная работа является новым обобщением известных результатов и гипотез. Ее цель — привлечь внимание к необходимости детального исследования энергоактивных зон и глубинных эмиссионых источников. Набор методов под общим названием диссипативная сейсмика может быть расширен. Методы исследований могут быть
адаптированы для анализа различных геофизических полей. Исследования литосферы на существенно различных горизонтах требуют использования регистрирующего оборудования с различным рабочим диапазоном частот и систем наблюдений с различной геометрией. Экспериментально показано, что современное сейсмологическое оборудование обеспечивает возможность работ до глубин, позволяющих изучать всю кору и верхнюю мантию [38].
Локализация и изучение энергоактивных зон и глубинных эмиссионных источников важны для развития научных представлений о геосреде в рамках фундаментальных научных исследований, для разработки краткосрочного прогноза геофизических катастроф, а также для совершенствования методов разведки полезных ископаемых. Известно, что грязевой вулканизм связан с миграцией углеводородных флюидов. Формирование нефтегазовых залежей и грязевых камер определяется одними и теми же факторами. В данной статье на рис. 6 приведены результаты локализации на глубине 0.8-1.5 км грязевой камеры вулкана горы Карабе-това. Как отмечено в статье [62], промышленная нефтегазоностность терригенно-карбонатных пород на глубинах 4-9 км установлена на многих месторождениях Предкавказья и авторы работы [62] не исключают возможность притока газа из этих отложений и их участия в обеспечении активности грязевого вулкана. Это позволяет предполагать, что залежи углеводородов и нефтяные ловушки также поддаются картированию с использо-
ванием термодинамического индикатора при соответствующей организации полевых работ.
При проведении сейсморазведочных работ в Западной Сибири в верхней части земной коры с помощью эмиссионной томографии выявляются малоразмерные в плане и вертикально протяженные структуры, секущие слои с различной литологией — субвертикальные зоны деструкции [64, 65]. Их природа еще недостаточно исследована, но наличие подобных зон не вызывает сомнения. Они связываются с путями флюидной разгрузки земных недр, в том числе углеводородного вещества, что может приводить к образованию малоразмерных в плане, но богатых многоэтажных месторождений с возможностью глубинной подпитки. В монографии [64] приведен сейсморазведочный разрез нефтяного месторождения Лебяжье с вы-сокодебитной скважиной, попавшей в верхнюю часть нефтеподводящего канала. На рис. 9 показаны результаты применения метода эмиссионной томографии при полевых наблюдениях на том же месторождении [26]. Малоразмерные в плане и вертикально протяженные структуры четко просматриваются как тонкие эмиссионные кластеры. Если при сейсморазведке прослеживание субвертикальных зон деструкции на глубинах более 2 км затруднено, то при использовании эмиссионной томографии принципиальных проблем не возникает. На рис. 9 зоны деструкции прослеживаются до нижней границы исследуемого объема на глубине 6 км и, несомненно, простираются на большие глубины.
Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания по теме № АААА-А19-119013190038-2.
Литература
1. Киссин И.Г. Чувствительные зоны земной коры и амплитуды аномалий предвестников землетрясений // Докл. АН СССР. - 1985. - Т. 281. - № 2. - С. 304307.
2. Киссин И.Г. Новые данные о чувствительных зонах земной коры и формирование предвестников землетрясений и постсейсмических эффектов // Геология и геофизика. - 2007. - Т. 48. - № 5. - С. 548-565.
3. Баласанян С.Ю. Динамическая геоэлектрика. - Новосибирск: Наука, 1990. - 232 с.
4. Баласанян С.Ю. Высокочувствительные энергоактивные точки Земли (явление ВЭТ): ключ к дальнейшему пониманию физики землетрясений? // Геология и геофизика. - 2005. - Т. 46. - № 5. - С. 83-99.
5. Садовский М.А., Голубева Т.В., Писаренко В.Ф., Шнирман М.Г. Характерные размеры горной породы и иерархические свойства сейсмичности // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1984. - № 2. - С. 3-15.
6. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. - М.: Наука, 1987. - 100 с.
7. Проблемы нелинейной сейсмики / Под ред. А.В. Николаева, И.Н. Галкина. - М.: Наука, 1987. - 288 с.
8. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. -М.: Наука, 1987. - 820 с.
9. Пономарев В.С. Энергонасыщенность геологической среды // Труды Геологического института РАН. - Вып. 582. - М.: Наука, 2008. - 378 с.
10. Лукк А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Сидо-рин И.Я. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. - М.: ОИФЗ РАН, 1996. - 210 с.
11. Руденко О.В. Гигантские нелинейности структурно-неоднородных сред и основы методов нелинейной акустической диагностики // УФН. - 2006. -Т. 176.- № 1. - С. 77-95.
12. Зайцев В.Ю., Назаров В.Е., Таланов В.И. «Неклассические» проявления микроструктурно-обусловленной нелинейности: новые возможности для акустической диагностики // УФН. - 2006. -Т. 176.- № 1. - С. 97-108.
13. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. - М.: Прогресс, 1986. - 432 с.
14. Хакен Г. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход к сложным системам. - М.: Мир, 1991. - 240 с.
15. Климонтович Ю.Л. Критерий относительной степени упорядоченности открытых систем // УФН. -1996. - Т. 166. - № 11. - С. 1231-1243.
16. Диссипативные солитоны // Под ред. Н. Ахмедиева, А. Анкевич. - М.: Физматлит, 2008. - 501 с.
17. Дмитриевский А.Н. Фундаментальные исследования. - М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. Губкина, 2017. - 142 с.
18. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
19. Летников Ф.А. Синергетика геологических систем. - Новосибирск: Наука, 1992. - 230 с.
20. Дмитриевский А.Н., Каракин А.В., Баланюк И.Е. Концепция флюидного режима в верхней коре (гипотеза корового волновода) // Доклады Академии наук. - 2000. - Т. 374 . - № 4. - С. 534-536.
21. Щеглов А.Д. Современное состояние теоретических основ металлогении. - Ленинград: ВСЕГЕИ, 1989.- 24 с.
22. Фаворская М.А., Волчанская И.К., Сапожников Е.Н. Тектоника, магматизм и оруднение сквозных систем нарушений. - М.: Наука, 1985. - 168 с.
23. HeylA.V. Some major lineaments reflecting deep-seated fracture zones in the Central US and mineral districts related to the zones // Global Tecton. Metallogeny. -1983. - V.2. - No. 1-2. - P. 75-89.
24. Летников Ф.А. Флюидный режим эндогенных npo-цегсов и проблемы рудогенеза // Геология и геофизика. - 2006. - Т. 47. - № 12. - С. 1296-1307.
25. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. - М.: Недра, 1988. - 491 c.
26. Дмитриевский А.Н., Володин И.А., Чеботарева И.Я. Эндогенные факторы формирования геологических диссипативных структур Земли // Актуальные проблемы нефти и газа. - 2016. - Вып. 3(15). -10 с. - doi 10.29222/ipng.2078-5712.2016-15.art10.
27. Жадин В.В., СпиринА.И. Спектр короткопериодных микросейсм на Кокчетавской возвышенности // Сейсмичность и глубинное строение Сибири и Дальнего Востока. - М.: Наука, 1976. - С. 35-39.
28. Токарев П. И. Вулканическое дрожание // Вулканология и сейсмология. - 1981. - № 3. - С. 55-70.
29. Токарев П. И. Определение энергии вулканических землетрясений // Вулканология и сейсмология. -1987. - № 2. - С. 64-79.
30. Backus M., Burg J., Baldwin D., Bryan E. Wide-band extraction of mantle P waves from ambient noise // Geophysics. - 1964. - V. 29. - No. 5. - P. 672-692.
31. Mykkeltveit S., Astebol K., Doornbos D.J., Huse-bye E.S. Seismic array configuration optimization // BSSA. - 1983. - V. 73. - P. 183-186.
32. Carter J.A., Barstow N., Pomeroy P.W., Chael E.P., Leany J. High-frequency seismic noise as a function of depth // BSSA. - 1991. - V. 81. - No. 4. - P. 11011114.
33. Винник Л.П. Структура микросейсм и некоторые вопросы методов группирования в сейсмологии. -М.: Наука, 1968. - 104 c.
34. Чеботарева И.Я. Эмиссионная сейсмическая томография — инструмент для изучения трещиноватос-ти и флюидодинамики земной коры // Георесурсы. -2018. - Т. 20. - № 3. - Ч. 2. - С. 238-245. - doi 10.18599/grs.2018.3.238-245.
35. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли // Госкомизобретения СССР. - М., 1983. - Диплом на открытие № 282. - С. 1.
36. Хаврошкин О.Б. Некоторые проблемы нелинейной сейсмологии. - М.: ОИФЗ РАН, 1999. - 286 с.
37. Чеботарева И.Я. Методы пассивного исследования геологической среды с использованием сейсмического шума // Акустический журнал. - 2011. - Т. 57. -№ 6. - С. 844-853.
38. Чеботарева И.Я. Эмиссионная томография — базовый инструмент для технологий изучения место-
рождений углеводородов // Актуальные проблемы нефти и газа. - 2017. - Вып. 2(17). - 24 с. - doi 10.29222/ipng.2078-5712.2017-17.art8.
39. Кугаенко Ю.А., Салтыков В.А., Синицын В.И., Чеб-ров В.Н. Сейсмоэмиссионная томография в вулканических районах Камчатки // Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки. К 25-летию Камчатской опытно-методической сейсмологической партии ГС РАН / Отв. ред. Е.И. Гордеев, В.Н. Чебров. - Петропавловск-Камчатский, 2004. - С. 354-376.
40. Александров С.И., Рыкунов Л.Н. Шумовой мониторинг в Южной Исландии // Доклады Академии наук. - 1992. - Т. 326. - № 5. - С. 808-810.
41. Александров С.И., МирзоевК.М. Мониторинг эндогенного микросейсмического излучения в районе Ромашкинского нефтяного месторождения // Проблемы геотомографии / Под ред. А.В. Николаева. -М.: Наука, 1997. - С. 176-188.
42. Arnason K., Flovenz O.G. Evaluation of physical methods in geothermal exploration of rifted volcanic crust // Geotherm. Resour. Counc. - 1992. - Trans. 16. -P. 207-214.
43. Chouet B., Saccorotti G., Dawson P., Martini M., De Luca G., Milana G., Cattaneo M. Broadband measurements of the sources of explosions at Stromboli volcano, Italy // Geoph. Res. Lett. - 1999. - V. 26. -No. 13. - P. 1937-1940.
44. Furumoto M., Kunitomo T., InoueH., Yamaoka K. Seismic Image of the Volcanic Tremor Source at the Izu-Jshima Volcano, Japan // Volcanic Seismology / Ed. by P. Gasparini, R. Scarpa, K. Aki. - New-York: SpringerVerlag, 1992. - P. 201-211.
45. Anishchenko VS. Dynamical Chaos — Models and Experiments // World Scientific Series on Nonlinear Science. A. - V. 8. - World Scientific Pub. Co. Inc., 1995. -400 p.
46. Анищенко В.С. Знакомство с нелинейной динамикой. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. - 143 с.
47. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. Т. 1. - М.: ТОО «Янус», 1995. - 622 с.
48. Климонтович Ю.Л. Критерий относительной степени упорядоченности открытых систем // УФН. -1996. - Т. 166. - № 11. - С. 1231-1243.
49. Малинецкий Г.Г. Хаос. Структуры. Вычислительный эксперимент. - М.: УРСС, 2002. - 255 с.
50. Чеботарева И.Я., Володин И.А., Дрягин В.В. Акустические эффекты при деформировании структурно-неоднородных сред // Акустический журнал. -2017. - Т. 63. - № 1. - С. 84-93.
51. Анищенко Т.Г., Игошева Н.Б., Хохлова О.Н. Нормированная энтропия в оценке особенностей реакций
сердечно-сосудистой системы на стрессорные воздействия у особей разного пола // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. - 1997. - Т. 5. -№ 1.- С. 81-92.
52. Анищенко Т.Г., Глушковская-Семячкина О.В. Нормированная энтропия в оценке половых различий кардиоваскулярной чувствительности к атропину и пропранололу у интактных и стрессированных крыс // VIII Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», 31.01-05.02.2001, Пущи-но. - Математика. Компьютер. Образование. -2001.- Вып. 8.
53. Анищенко В.С., Сапарин П. И., Куртс Ю., Витт А., Фосс А. Анализ динамики сердечного ритма человека на основе критерия перенормированной энтропии // Изв. вузов. Прикладные задачи нелинейной теории колебаний и волн. - 1994. - Т. 2. - № 3-4. -С. 55-63.
54. Анищенко В.С., Янсон Н.Б., Павлов А.Н. Может ли режим работы здорового сердца человека быть регулярным? // Радиотехника и электроника. - 1997. -Т. 42. - № 8. - С. 1005-1010.
55. КругловаЯ.Д., МаркинИ.Ю., КульминскийД.Д., Ка-ширинаА.В., МосквичевА.О., Семячкина-Глушковс-кая О.В., Анищенко Т.Г. Нормированная энтропия как новый показатель функциональных и органических повреждений в кардиоваскулярной системе // XVI Межд. конф. «Математика. Компьютер. Образование», 19-24.01.2009, Пущино.
56. Пархоменко А.Н. Детерминированный хаос и риск внезапной сердечной смерти // Кардиология. -1996.- Т. 4. - С. 44.
57. Леонов М.Г. Тектоника консолидированной среды // Труды Геологического института. - М.: Наука, 2008. - Вып. 575. - 457 с.
58. Гольдин C.B. Дилатаисия, переупаковка и землетрясения // Физика Земли. - 2004. - № 10. - С. 37-54.
59. Гольдин C.B., Псахье С.Г., Дмитриев А.И., Юшин В.И. Переупаковка структуры и возникновение подъемной силы при динамическом нагруже-нии сыпучих грунтов // Физ. мезомех. - 2001. -Т. 4.- № 3. - С. 97-103.
60. Дмитриев А.И., Зольников К.П., Псахье С.Г., Гольдин C.B., Ляхов Н.З., Фомин В.М., Панин В.Е. Физическая мезомеханика фрагментации и массопере-носа при высокоэнергетическом контактном взаимодействии // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 6. -С. 57-66.
61. Микуляк C.B. Особенности распространения нелинейных волн в слое гранулированной среды // Физ. мезомех. - 2013. - Т. 16. - № 2. - С. 79-84.
62. Собисевич А.Л., Горбатиков A.B., Овсюченко А.Н. Глубинное строение грязевого вулкана горы Карабе-това // Доклады Академии наук. - 2008. - Т. 422. -№ 4. - С. 542-546.
63. МюньеЖ., ДелильЖ.Ю. Пространственный анализ в пассивных локационных системах с помощью адаптивных методов // ТИИЭР. - 1987. - Т. 75. -№ 11. - С. 21-37.
64. Мегеря B.M. Поиск и разведка залежей углеводородов, контролируемых углеводородной дегазацией Земли. - М.: Локус Станди, 2009. - 256 с.
65. Бембель P.M., Бембель С.Р., Мегеря B.M. Геосоли-тоны: функциональная система Земли, концепция разведки и разработки месторождений углеводородов. - Тюмень: Вектор Бук, 2003. - 224 с.
Поступила в редакцию 07.02.2020 г., после доработки 07.02.2020 г., принята к публикации 10.02.2020 г.
Сведения об авторах
Чеботарева Ирина Яковлевна, д.ф.-м.н., гнс ИПНГ РАН, irinaGhe@inbox.ru
Дмитриевский Анатолий Николаевич, д.г.-м.н., проф., ак. РАН, научн. рук. ИПНГ РАН, a.dmitrievsky@ipng.ru
