CC BY
62
УДК 550.34
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЗАДАЧЕ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Александр Александрович Якименко
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)330-70-69, e-mail: al--le@yandex.ru
Дмитрий Алексеевич Караваев
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)330-70-69, e-mail: kda@opg.sscc.ru
Андрей Владимирович Беляшов
Институт геофизических исследований Министерства энергетики, 071100, Республика Казахстан, г. Курчатов, пл. Меридиан, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий отделением, тел. (722)512-31-46, e-mail: abelyashov@igr.kz
В работе представлены результаты по разработке строения геофизических моделей, содержащих кавернозные зоны, и исследованию структуры и свойств волнового поля при математическом моделировании. Это является важным этапом при решении задач инспекции на месте в проблеме мониторинга подземных ядерных испытаний, связанных с экспериментальными исследованиями методом вибрационного просвечивания Земли (ВПЗ). Проведение численного моделирования с использованием программ для кластеров позволяет выделить характерные и отличительные свойства изучаемых объектов.
Ключевые слова: разностная схема, моделирование, волновое поле, подземный ядерный взрыв.
MODELING OF SEISMIC FIELDS IN PROBLEMS OF MONITORING AND FORECASTING OF CONSEQUENCES OF UNDERGROUND NUCLEAR TESTS
Alexander А. Yakimenko
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 prospect Akademika Lavrentjeva, Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher, tel. (383)330-70-69, e-mail: al--le@yandex.ru
Dmitriy А. Karavaev
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 prospect Akademika Lavrentjeva, Candidate of Physics and Mathematical Sciences, Junior Researcher, tel. (383)330-70-69, e-mail: kda@opg.sscc.ru
Andrey V. Belyashov
Institute of Geophysical Research, Ministry of Energy; 071100, Kazakhstan, Kurchatov, Meridian site, candidate of geological and mineralogical sciences, head of department, tel. (722)512-31-46, e-mail: abelyashov@igr.kz
The paper presents the results of the development of the structure of geophysical models with cavernous area, and the study of the structure and properties of the wave field in mathematical modeling. This is an important step in solving problems on-site inspection in the problem of moni-
toring underground nuclear tests related to experimental studies by the vibration of the Earth sounding. Carrying out numerical simulations using software for clusters allows you to select the characteristic and distinctive properties of the objects under study.
Key words: difference scheme, simulation, wave field, an underground nuclear explosion.
Актуальность изучения мест проведения подземных ядерных взрывов обусловлена необходимостью решения ряда практических задач в области обеспечения радиационной и геоэкологической безопасности территорий, прилегающих к площадкам ядерных экспериментов. Выполненные взрывы оказали деструктивное воздействие на вмещающие геологические структуры с формированием разуплотненных проницаемых областей, по которым в окружающую среду (вплоть до выхода на дневную поверхность) могут переноситься радионук-лидные остатки. Изучение пространственного положения и конфигурации указанных структур поможет в контроле и прогнозировании экологического состояния мировых ядерных полигонов.
Также одним из важных направлений является развитие технологий Инспекции на месте (в частности, сейсмических методов) в поддержку Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний.
Численное моделирование волновых полей на предполагаемых моделях сред (рис. 1, б) поможет в решении указанных задач. По таким снимкам можно выделить группы волн, показывающие наличие в среде кавернозных включений и оценить их геометрические размеры.
Рис. 1. а - Схема центральной зоны ядерного взрыва в скважине №102; б - Схема 2D модели упругой среды в плоскости xOz. Цифра - номер элемента модели
Для численного моделирования сейсмических волновых полей требуются высокопроизводительные вычислительные системы и современное программное обеспечение с использованием технологий параллельного программирования.
а
б
Для исследования структуры волнового поля, образующегося в результате сейсмического просвечивания среды, проведено моделирование для различных моделей кавернозной зоны. Все численные расчеты выполнены с использованием разработанных программ на кластере НКС-30Т Сибирского суперкомпьютерного центра СО РАН (ИВМиМГ СО РАН). При этом изучалось влияние геометрии модели на структуру волнового поля неоднородной среды, содержащей каверну, с целью выделения отличительных свойств поля, обусловленных ее присутствием. Для создания физико-геологической модели подземного ядерного взрыва использовались материалы работы [1]. По схеме центральной зоны ядерного взрыва в скважине №102 (рис. 1, а) была построена геометрия модели среды, содержащей последствия подземного ядерного взрыва, с основными зонами, образующимися в результате испытания.
На рис. 1, б показан фрагмент разработанной и исследованной 2D модели неоднородной упругой среды с линейными размерами 5.0 км по оси Ох и 1.0 км по оси Oz, содержащей подобласти: камуфлетная полость (2); зона смятия горных пород (3); зона дробления горных пород (4); зона интенсивной трещиноватости (5); зона откольного разрушения (6); вмещающая среда (1).
Геометрические размеры и геофизические характеристики зон приведены в табл. и используются программой для расчета компонент волнового поля. На дневной поверхности располагается источник и регистрирующие сейсмопри-емники. Частота источника 30 герц. Результатами расчетов и работы разработанного программного обеспечения многоядерных вычислительных систем являются синтетические сейсмограммы и мгновенные снимки волнового поля, рассчитанные по алгоритму, описанному в [2].
В работе рассматривается Ш компонента волнового поля соответствующая вертикальной составляющей сейсмического поля [2].
Таблица
Характеристики включенных в модель зон
№ Область Радиус, м Ур, км/с уб, км/с р, кг/м3
1 Вмещающая среда 5000х1000 6,0 3,45 3,65
2 Камуфлетная полость 57 0,3 0 1,2
3 Зона смятия горных пород (70, 139) 1,0 0,57 2,0
4 Зона дробления горных пород 124 2,0 1,15 2,5
5 Зона интенсивной трещиноватости 200 4,5 2,59 3,0
6 Зона откольного разрушения (724, 30) 3,0 1,7 2,5
На рис. 2 представлены синтетические сейсмограммы для компоненты Ш для различных расстановок систем наблюдения, в прямоугольной системе координат: по горизонтали представлены координаты сейсмоприемников, по вертикали - время вступления различных волн. Для удобства эти же данные представлены в другом виде на рис. 3.
Из рис. 2 можно отчетливо выделить зону откольного разрушения (вертикальная полоса сейсмотрасс с большей амплитудой) и определить ее протяженность по координате Х как разницу координат сейсмоприемника конца
и начала возмущений. При детальном изучении синтетических сейсмограмм можно определить времена вступления сейсмических волн обусловленных отражением или прохождением через границы зон, отмеченных в табл.
в г
Рис. 2. Рассчитанные синтетические сейсмограммы для компоненты Ш волнового поля для различного количества регистрирующих приемников (а - 234 приемника, б - 117 приемника, в - 56 приемника, г - 23 приемника)
На рис. 3, а-г показано, как уменьшение регистрирующих сейсмоприемни-ков может влиять на выделение участков зон кавернозного включения. Так, при достаточно редкой расстановке возможна ситуация с пропуском небольшой полости или прилегающей зоны. Результаты приведены для компоненты Ш, в прямоугольной системе координат: по горизонтали представлены времена вступления различных волн, по вертикали - координаты сейсмоприемников.
Таким образом, результаты расчетов, выполненные на разработанном программном обеспечении, дают возможность выделения информативных групп волн и определения их времен вступления в границы зон последствий подземного ядерного взрыва. Возможность использовать при расчетах различное количество регистрирующих сейсмоприемников может позволить определить их минимальное необходимое количество для требуемой разрешающей способности сейсмограммы. Полученные результаты ложатся в основу разработки рекомендаций для определения зон подземного ядерного взрыва.
Рис. 3. Рассчитанные синтетические сейсмограммы для компоненты Ш
волнового поля для различного количества регистрирующих приемников (а - 234 приемника, б - 117 приемника, в - 56 приемника, г - 23 приемника)
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 14-07-00312, 14-0500867, 15-07-06821, МОН РК 1760/ГФ4.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адушкин В.В. Изменение свойств горных пород и массивов при подземных ядерных взрывах / Адушкин В.В., Спивак А.А. // Физика горения и взрыва, - 2004, - т. 40, № 6, -С. 15 - 26.
2. Якименко А.А. Численное моделирование распространения упругих волн в средах с подземными полостями на суперЭВМ / Якименко А.А., Караваев Д.А. // Научный вестник НГТУ. - 2013, №2. - с.99-104.
3. Родин Г. Сейсмология ядерных взрывов: Пер. с англ. М.: изд. «Мир», 1974. - 190 с.
© А. А. Якименко, Д. А. Караваев, А. В. Беляшов, 2015
