CC BY
38
УДК 550.834
Н.И. Геза, И.В. Сапрыкин, В.И. Юшин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН
МЕТОДИКА ПРЕЦИЗИОННОГО ВИБРОМОНИТОРИНГА ВРЕМЕН ПРОБЕГА В РЕЛАКСИРУЮЩЕЙ СРЕДЕ
Активный вибросейсмический мониторинг (АВСМ) относится к наиболее чувствительным и тонким методам обнаружения и контроля вариаций параметров упругих сред во времени. Обычно в задачу мониторинга входит выявление взаимосвязи этих вариаций с поведением различных геофизических полей или некоторыми известными естественными или искусственными физическими возмущениями. Так, известны применения АВСМ для поиска предвестников землетрясений [1-3], когда длинные календарные ряды вариаций скоростей в сейсмоактивной зоне коррелируются с рядами вариаций других геофизических полей. С проблемой предсказания землетрясений тесно связано применение краткосрочного АВСМ в сопоставлении с упругим земным приливом для калибровки тектонических напряжений [4-7]. Долгосрочный (многолетний) ряд подобных наблюдений /8 / позволил исследовать сезонные вариации волнового поля в условиях Сибири.
Переход на более высокие частоты зондирующего сигнала (в область геоакустики) открыл возможность изучения нелинейных свойств геологических сред и физического моделирования глобального вибромониторинга с использованием управляемых искусственных возмущений. В наших работах [9, 10] было обнаружено, что в процессе интенсивного вибрационного возмущения рыхлой среды ее упругие параметры, ответственные за скорости и поглощение, значительно изменяются. Было также замечено, что после прекращения стороннего возмущения ("накачки") параметры среды, свойственные ее спокойному состоянию, восстанавливаются не сразу, а приходят в норму постепенно, в течение продолжительного времени, другими словами, релаксируют.
Проблема измерения релаксационных вариаций в реальной среде осложнена не только их малыми абсолютными значениями, но и сложностью отделения «локальных» возмущений исследуемой среды от «глобальных» причин, способных воздействовать одновременно на всю систему наблюдений.
Задачей настоящей работы является усовершенствование методики анализа рядов сейсмических виброкоррелограмм мониторинга с целью обеспечения высокой чувствительности АВСМ, необходимой для детального изучения процессов релаксации упругой среды и обнаружения так называемых "медленных движений" /11/. Технические средства и методика натурного эксперимента. На рис. 1 представлена схема полевого эксперимента. Установка состоит из низкочастотного вибратора В, служащего для создания пульсирующей нагрузки на массив находящегося под ним грунта, высокочастотного излучателя И, предназначенного для акустического просвечивания этого массива, и нескольких сейсмических датчиков
установленных как во внутренних точках среды, в скважинах, так и на ее поверхности. Вибратор В дебалансного типа (с приводом от
л
электродвигателей с платформой площадью 9 м и общей массой 35 тонн) способен развивать переменное давление с амплитудой до 35 тонна-сил. Он служит источником возмущающего воздействия - "накачки", и в описываемых экспериментах работал на фиксированной частоте 7 Гц. Акустический излучатель И пьезокерамиского типа является источником зондирующего свип-сигнала, просвечивающего массив грунта под платформой вибратора В. Он имеет площадь платформы 0,2 м, резонансную частоту 900 Гц и способен развивать полную мощность до 1 кВА. Диапазон частот зондирующего сигнала в этих экспериментах составлял 160-580 Гц.
Регистрирующей системой служила многоканальная цифровая сейсмостанция ЛАВА (http://lava.ru/LAVA/LAVA_Prezent_FRGM.pdf), способная записывать непрерывные виброграммы практически неограниченной длительности одновременно в двух частотных диапазонах -сейсмологическом (100 Гц квантования) и высокочастотном - от 2 до 24 кГц квантования.
Натурный эксперимент состоял в периодических многократных просвечиваниях подвибраторного массива, несколько из которых в начальной части периода (сессии) наблюдений сопровождались работой вибратора "накачки". Помимо виброграмм сейсмических датчиков записывалась виброграмма электромагнитной наводки от цепи силового питания пьезоисточника.
Рис. 1. Схема полевого эксперимента
Обработка данных. Обработка данных состояла из следующих операций.
1. Корреляция с опорным сигналом, представляющим собой аналитическое выражение первой гармоники управляющего сигнала свип-генератора. Синхронизирующим сигналом между воспроизведенной виброграммой и опорным сигналом служил импульс, записываемый в каждом сеансе зондирования на одном из каналов. В результате корреляции восстанавливалась полная импульсная сейсмограмма.
2. Интерпретация волнового поля и выбор целевых волн мониторинга. Эта операция выполнялась однократно либо повторялась при переобработке полученного ряда. В результате выбирались одно или несколько окон времен пробега, содержащих отчетливо выраженные волновые импульсы, в которых затем и исследовались временнЫе вариации.
3. Выбор референц-сеанса.
4. Анализ временных вариаций гк по каждому из датчиков и по каждому из целевых волновых импульсов в двух частотных диапазонах относительно референц-сеанса. Эта операция выполнялась в частотной области с использованием фазовых спектров Фк (7 2 л /):
_ _ ФкЦ2л/) -ф,,(.72л/)
к 2л/ ,
где к - календарный номер сеанса зондирования, к=0 - номер, присвоенный референц-сеансу.
5. Коррекция календарных рядов временных вариаций по календарному ряду времен прихода максимальной фазы электромагнитного импульса.
6. Анализ вариаций разностных времен между различными точками исследуемого массива.
Результаты обработки представлены на рис.2. На Рис. 2а представлена календарная сборка прокоррелированных вибрационных сейсмограмм одного из датчиков с условными номерами сеансов зондирования от 14-го до 47-го. Показаны два анализируемых окна, содержащих волновые импульсы, условно обозначенные как Р и -волны. Сеансы с номерами 24-27 (выделены цветом) относятся к интервалу времени мощной низкочастотной "накачки".
На рис. 2б показаны временные ряды вариаций "авторазностных" времен пробега (т. е. относительно этого же датчика в референц-сеансе). За референц-сеанс принят 19-й. Поэтому все значения вариаций в этой точке графика на рис. 2Б равны нулю.
На рис. 2в показан результат "электромагнитной" коррекции времен пробега в соответствии с п. 5 изложенной выше методики. Как видим, закономерности в области релаксации существенно изменились. Исчезли внезапные выбросы, появился заметный тренд. Наиболее резкое увеличение времен пробега, видимое, кстати, и без тонкой обработки непосредственно на календарной сборке, наблюдается в сопровождении накачки. По окончании
накачки времена пробега возвращаются к состоянию покоя не сразу. От 28-го до 34-го сеанса (то есть, на протяжении приблизительно часа) идет устойчивый возвратный тренд, возрастание скоростей. Однако еще через 8 минут, со следующего 35-го сеанса, внезапно вступает обратная закономерность - времена пробега вновь начинают увеличиваться, достигая значений, свойственных "свежевозмущенной" среде. После очередной часовой паузы между сеансами 44 и 45 вновь отмечается возврат к уровню покоя, а после начала просвечиваний (без включения "накачки") третье по счету в данной серии и второе - как будто бы не мотивированное - увеличение времен пробега. Учитывая аналогичное поведение этой кривой и после увеличения мощности излучателя (повышения его рабочего амплитудного напряжения до 750 В в 19 сеансе), мы не можем исключить вариант изменения свойств исследуемой среды самим инструментом измерения. Исследования по оптимизации мощности излучения зондирующих сигналов при сохранении требуемого отношения «сигнал-шум» уже проводятся нами в текущем году и будут дополнительно опубликованы.
Рис. 2. Результаты эксперимента
На рис. 3 представлены результаты заключительного, 6 этапа, методики - анализ разностных времен пробега волн между датчиками. Вариации разностных времен между парами датчиков, размещенных в различных точках исследуемого массива и на разных удалениях от источника возмущений, могут выявить медленное распространение изменений параметров по упругому полупространству, что и составляет физическую сущность "медленных движений". Так, все графики межканальных задержек с участием 4 канала, находящегося практически «на дне» исследуемого массива, показывают уверенный положительный тренд к исходному уровню «покоя». И в то же время практически горизонтальная линия разности девиаций между 3 и 2 каналами, на которую не оказали никакого влияния даже существенные суточные изменения параметров среды (сеансы предыдущих суток - 14...17), вызывает надежду на успешное разделение «глобальных» и «локальных» источников «медленных движений».
Рис. 3. Анализ разностных времен
Обсуждение
Первой особенностью предлагаемой методики обработки данных активного вибросейсмического мониторинга является использование фазового спектра для измерения времени с учетом поправок «электромагнитного импульса». Вторая особенность - использование разности фаз для выделения относительно малых вариаций времен пробега. При этом разность фаз в формуле (1) не превышает 2 пи, так что не возникает проблемы неопределенности по кратности фазы. Третья особенность -раздельное вычисление задержек волны по разным частотным полосам (на рис. 2в), что дает дополнительную возможность интерпретации результатов экспериментов. Четвертая особенность - использование междатчиковых разностей времен пробега для идентификации типа «медленных движений». Теоретически такая методика позволяет достичь чувствительности мониторинга времен пробега примерно 0,1 интервала дискретизации. В нашем случае (при частоте дискретизации 2 кГц) это составляет 0,05 мс. В эксперименте наблюдались устойчивые тренды с размахом до 0,4 мс, что позволяет отнести их достоверным.
Заключение
Предложен высокочувствительный метод выделения и анализа рядов времен пробега при активном сейсмическом мониторинге (как вибрационном, так и импульсном), позволяющий исследовать такие тонкие эффекты в геологической среде как релаксация параметров после интенсивного возмущения и изучение медленных движений. Метод экспериментально опробован на натурном объекте с использованием высокочастотного виброакустического просвечивания среды, возмущенной мощными вибровоздействиями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Clymer R.W., McEvilly T.V. Travel-time monitoring with VIBROSEIS. Bull. Seism. Sos. Am. v.71, 6, 1981, 1903-1907.
2. Karageorgi E., Clymer R., McEvilly T.V. Seismological studies at Parkfield. II. Search for temporal variations in wave propagation using Vibroseis. Bull. Seism. Soc. Am., 82, N3, 1992, 1388-1415.
3. Kunitomo T., Kumazawa M. Active monitoring of the earth’s structure by theseismic ACROSS. // The Proceedings of 1st International Workshop on ActiveMonitoring in the Solid Earth Geophysics (IWAM04) - Mizunami, Japan, 2004 -p. 218-222/
4. De Fazio T.L., Aki K., Alba J. Solid Earth tide and observed change in the in situ seismic velocity. Journ. Geophys. Res. v.78, 8, 1973, 1319-1322.
5. Yushin V.I., Geza N.I., Velinsky V.V and al. Vibroseismic monitoring at the Baikal region. Jornal of Earthquake Prediction Reaserch, 3 (1994), 119-134.
6. Экспериментальная оценка тензочувствительности коры в районе Байкала по данным активного вибросейсмического мониторинга и упругого прилива В.И. Юшин и др.// Геол. и геофиз.- 1999, 40, N 3.-С 395-408,
7. Глинский, Б.М. Вибросейсмический мониторинг сейсмоопасных зон. Б.М.Глинский, В.В. Ковалевский, М.С. Хайретдинов // Геология и геофизика - 1999. - Т. 40, № 3. - С. 431-441.
8. Исследование динамических особенностей сезонных изменений волновых полей при вибросейсмическом мониторинге среды. /А.Ф.Еманов и др. // Геология и геофизика. -1999. - Т. 40, № 3. - С. 474-486.
9. Акустическое исследование нелинейных и реологических явлений в ближней зоне сейсмического вибратора./ Юшин В.И. и др. // "Геология и геофизика", т. 37, N9, 1996, с. 156-165.
10. Геза Н.И. Экспериментальное исследование мгновенных вариаций скорости и затухания сейсмических волн в рыхлой среде in situ, подвергаемой пульсирующей динамической нагрузке/ Н.И. Геза и др. // Геол. и геофиз.- 2001, Т. 42, № 7.- С 1137-1146.
11. Гольдин С.В. Медленные движения - миф или реальность? / С.В. Гольдин и др. //
Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: материалы 1-й
Междунар. школы-семинара, 9-15 сент., 2001. - Красноярск, 2002. - С. 213-220
© Н.И. Геза, И.В. Сапрыкин, В.И. Юшин, 2007
