CC BY
17
УДК 550.360+550.361
В.И. Юшин, Д.Е. Аюнов, А.Д. Дучков
ИНГГ СО РАН, Новосибирск
МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОД ПЛИТОЙ ДЕЙСТВУЮЩЕГО СЕЙСМИЧЕСКОГО ВИБРАТОРА
Важной задачей сейсмологии и сейсморазведки является исследование физики процесса транспортировки механической энергии сейсмическими волнами и в том числе оценка диссипативных характеристик верхней части разреза, сложенного обычно рыхлыми грунтами. Для исследования частичного преобразования упругой энергии, формирующейся при работе сейсмического вибратора, в тепловую с сентября 2010 года проводятся температурные наблюдения в ближней зоне 40-тонного низкочастотного (8-10 гц) вибратора, расположенного на полигоне Быстровка вблизи г. Новосибирска.
B.I. Yushin, D.E. Ayunov, A.D. Duchkov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG)
Acad. Koptyug av. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
MONITORING OF TEMPERATURE CHANGES UNDER OPERATING SEISMIC VIBRATOR
Investigation of energy transportation process physics by seismic waves and dissipative indexes estimation of upper part of section that consists of loose soil mainly is important problem in seismology. The temperature observation have been started in near zone of seismic vibrator in September of 2010 in Bystrovka ground nearby Novosibirsk to explore vibroseismic elastic energy transformation into heat energy
Одним из малоизученных экспериментально физических явлений является тепловая диссипация упругих волн в реальных средах. С одной стороны, очевидно, что хорошо известный в сейсмике эффект поглощения сейсмических волн согласно закону сохранения энергии должен быть связан, прежде всего, с выделением и рассеянием тепла. Но с другой - прямое экспериментальное измерение этого явления во многих случаях встречает значительные трудности технического порядка. Так, при использовании сейсмических воздействий сейсморазведочного энергетического уровня в высокодобротных консолидированных средах сейсмотермический эффект (СТЭ), характеризуемый нагревом среды, согласно расчетам столь ничтожен, что не поддается прямым температурным измерениям современными средствами. Его измерение в настоящее время возможно либо при весьма мощных сейсмических воздействиях, например, вблизи промышленных взрывов или очагов
землетрясений, либо (если говорить о реально достижимых энергиях невзрывных воздействий) в низкодобротных рыхлых средах. Между тем, изучение СТЭ имеет не только фундаментальное значение, но может найти и вполне практическое применение именно в таких средах. Тот факт, что величина СТЭ зависит от относительных деформаций в сплошной среде - с одной стороны, и исключительная компактность некоторых термодатчиков - с другой, может позволить косвенно контролировать изменения напряженно-деформированного состояния во внутренних точках среды, в которых иные датчики поместить было бы просто невозможно. Кроме того, при генерации сейсмических волн вибрационными источниками отношение величины тепловых потерь к полезной упругой энергии возбужденных волн в ближней зоне может служить, во-первых, объективным показателем, диссипативных характеристик верхней части разреза, обычно сложенной рыхлыми отложениями, и, во-вторых, характеристикой сейсмической эффективности самого источника колебаний.
Впервые регистрация СТЭ была выполнена Л. Л. Худзинским [1]. Им был уверенно зарегистрирован разогрев среды под излучающей плитой сейсморазведочного вибратора. Скорость роста температуры на глубине 1,1 м оказалась зависящей от частоты и в диапазоне частот 11- 35 Гц составила 0,002 - 0,013 °С/мин. Ниже частоты 9 Гц поддающегося измерению эффекта в этом эксперименте не было обнаружено. Поскольку автор не привел частотноэнергетических характеристик вибровоздействий, оставалось неясным, связано это с частотной или с амплитудной
зависимостью. В работе В.В.
Велинского и др. [2] аналогичный эксперимент выполнялся с помощью мощного 100-тонного низкочастотного вибратора. В ней удалось измерить
сейсмотермический эффект в области низких частот 6 - 12 Гц, для которой в работе [1] был получен отрицательный
результат. Кроме того, был обнаружен новый эффект, проявляющийся в области наиболее сильных динамических деформаций и состоящий в постепенном снижении СТЭ в процессе длительной (часы) работы вибратора, и названный „эффектом усталости", а также замечена обратная зависимость
Платформа
вибратора
№ 7 (2 м)
»№ 3 (1 м)
»№ 6 (4 м)
•№ 5 (3 м)
•№ 4 (2 м)
•№ 8 (3 м) •№ 1(5 м) •№ 2(1 м)
Рис. 1. Схема расположения температурных датчиков вблизи и под платформой вибратора в плане. В скобках указана глубина расположения датчика.
Расстояние по горизонтали от края платформы до датчика № 1 составляет 2 метра, до датчика № 8 -1 м. Датчики № 2, 4, 5, 6 погружены в грунт на расстоянии 20 см от платформы
интенсивности нагрева от степени консолидации среды, проявляющаяся в резком снижении СТЭ при замерзании почвенной влаги.
Для дальнейшего исследования физики процесса преобразования части упругой энергии в тепловую с сентября 2010 года нами организованы наблюдения температуры (Т) в ближней зоне 40-тонного низкочастотного (8-10 Гц) вибратора ГС СО РАН, расположенного на полигоне Быстровка вблизи г. Новосибирска.
В качестве температурных датчиков использованы восемь терморезисторов КМТ-1, размещенных в грунте около платформы вибратора и под ней. Схема расположения датчиков представлена на рис. 1. Датчики связаны проводами с автономным измерителем температуры, размещенным около вибратора [3]. Разрез вблизи вибратора представлен суглинком, перекрытым 40-сантиметровым почвенным слоем. Непосредственно под вибраторами, вследствие длительной предшествующей работы, грунт существенно уплотнен.
Измеритель включен постоянно и проводит температурные измерения проводятся в двух режимах. В первом - осуществляется непрерывный мониторинг с 30-минутной периодичностью, в ходе которого фиксируются климатические изменения температуры грунта в слое годовых колебаний. Второй (рабочий) режим используется во время работы вибратора, состоящей из серии часовых периодов непрерывного воздействия и пауз (такие серии, каждая из которых длится 9 часов и состоит из пяти рабочих сеансов, проводятся каждую неделю). В этом случае периодичность опроса датчиков устанавливается 20 секунд.
На рис. 2 приведены результаты наблюдений температуры грунта вокруг платформы вибратора на глубине 1, 2, 3 метра (датчики № 2, 4 и 8 соответственно) за период с 20 сентября по 18 октября 2010 года. На них отражены как сезонные вариации температуры, так и её аномалии, которые представляют собой еженедельные увеличения температуры, приходящиеся на сеансы работы вибратора. За время работы температура на глубине 1 метр вырастает в среднем на 1,1 0С. Датчик № 4, расположенный на глубине 2 метра, фиксирует суммарный рост температуры за одну серию порядка 0,60С. Несколько меньшая (порядка 0.20С) аномалия, регистрируется датчиком № 8, погруженным на расстоянии 1 метр от края платформы на глубину 3 м. В последующие дни эта аномалия рассеивается до момента начала следующей серии сеансов через неделю.
к
о
л
ч
и
й
ей
ей
л
&
л
и
С
2
и
Н
№2 (1 м) •№4 (2 м) №8 (3 м)
День, месяц
Рис. 2. Температурные аномалии, вызванные еженедельными воздействиями вибратора на грунт, по показаниям датчиков № 2, 4, 8, расположенными возле платформы вибратора на глубинах 1, 2 и 3 метра, соответственно. Период измерений 20.09-18.10. 2010 г. Период опроса датчиков - 30 мин
Более четко аномалии температуры, связанные с работой вибратора, можно наблюдать на графиках, записанных непосредственно во время работы вибратора. В качестве примера на рис. 3 представлены записи температуры, сделанные датчиками 2, 4 и 8 в течение 7-ми часов 13-14 октября 2010.
Во время работы вибратора все датчики фиксируют разное по амплитуде ступенькообразное возрастание температуры, связанное с
сейсмотермическим эффектом. В периоды
воздействия вибратора на
грунт датчики регистрируют рост температуры,
интенсивность которого определяет месторасположением датчика. Так, рост
температуры за часовой сеанс работы вибратора на глубине 1 метр составляет 0,14-0,25 0С, на глубине 2 метра - 0.11- Рис. 3. Запись температуры датчиками 2, 4 и 8
0.15 0С, на 3-х метрах - около во время работы вибратора (12-13.10.2010).
Период опроса датчиков - 20 сек
№2 (1 м) №4 (2 м) №8 (3 м)
Часы, минуты
0.02 0С. В периоды пауз температура стабилизируется.
Выделение сейсмотермических аномалий на фоне климатических изменений температуры, варьирующих как по глубине, так и по латерали, требует специальной обработки. На данном этапе основной задачей является определение для каждого датчика естественного (климатического) хода температуры и его вычитания из записанного сигнала.
В заключение отметим, что организованная в зоне действия вибратора система мониторинга Т позволила четко обнаружить сейсмотермические аномалии в грунтах. Можно примерно оценить, что при данной точности измерительной аппаратуры, термические аномалии от работающего вибратора ощущаются примерно в пределах полусферы с центром в центре плиты и радиусом 3-4 м. Интерпретация этих аномалий позволит в дальнейшем оценить, какая доля упругой энергии, образующейся при работе сейсмического вибратора, преобразуется в тепловую энергию.
Исследования поддержаны Интеграционным проектом СО РАН № 125 (2009-2011 гг.) «Изучение вариаций геотемпературного поля по данным непрерывного мониторинга температуры в скважинах и донных осадках».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Худзинский Л.Л. Результаты температурных исследований под плитой виброисточника // Докл. РАН. 1990. Т. 314, № 4. С. 834 - 837.
2. Велинский В.В., Геза Н.И., Саввиных В.С., Юшин В.И. О тепловых потерях механической энергии в ближней зоне сейсмического вибратора // Геофизические методы изучения земной коры: Сб. науч. докл. Всероссийской геофиз. конф., посвящен. 90-летию со дня рождения чл.-кор. АН СССР Э.Э. Фотиади, 20-22 января 1997 г., Новосибирск, Новосибирск, Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1998, 140-146.
3. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура и результаты мониторинга температуры геологических объектов [Текст] / С.А. Казанцев // Тепловое поле земли и методы его изучения. Сборник научных трудов. Отв. Ред. Ю.А. Попов. -М.: РГГРУ, 2008. - С. 102-107.
© В.И. Юшин, Д.Е. Аюнов, А.Д. Дучков, 2011
