Когерентная сейсмоакустика
Основной целью сейсмоакустики является дистанционное исследование и мониторинг состояния земных пород с помощью акустических сигналов путем реконструкции свойств (параметров) среды или находящихся в ней неоднородностей. С этой точки зрения развитие сейсмоакустики обнаруживает общий радиофизический контекст, заключающийся в применении универсальных подходов к решению обратных задач волновой диагностики неоднородных сред. Одним из таких известных подходов является использование когерентных сигналов для повышения пространственного разрешения получаемых изображений неоднородностей среды и чувствительности методов диагностики к малым вариациям ее свойств. Сейсмоакустические исследования на основе такого подхода, инициированные в середине 1990-х годов В. И. Талановым, привели к формированию нового перспективного направления на стыке физической акустики и геофизики – когерентной сейсмоакустики.
Принципиальные преимущества, которые обусловлены применением когерентных источников излучения пробных (зондирующих) сигналов в сейсмоакустике – высокостабильных, с хорошо контролируемыми и управляемыми режимами излучения, в том числе допускающих возможность излучения сложных сигналов с большой базой, – определяются целым рядом факторов. Основным из них является потенциальная возможность когерентного накопления и совместной обработки длинных последовательностей зондирующих сигналов с целью увеличения глубины зондирования и (или) повышения разрешающей способности при умеренных (и даже относительно слабых) абсолютных уровнях излучения, не оказывающего заметного искажающего воздействия на состояние самих земных пород (в противном случае подобные измерения становятся не вполне корректными). В зависимости от конкретных целей и условий эксперимента могут быть применены различные и хорошо известные в других областях (например, в радиолокации) методы реализации таких преимуществ: формирование сигнального поля от нескольких фазированных источников или одного перемещаемого источника (когерентный синтез излучающей апертуры); формирование протяженной приемной решетки на базе одного или небольшого числа перемещаемых приемников (когерентный синтез приемной апертуры); излучение сигнала одиночного источника в виде длинной последовательности модулированных посылок специального вида, согласованная фильтрация которых в приемной системе обеспечивает пропорциональное повышение эквивалентной мощности одиночного импульса и пространственной разрешающей способности системы в целом, а также комбинации перечисленных способов. Все эти подходы практически не используются в современной геофизике из-за низкой когерентности традиционно применяемых источников (наземных и скважинных вибраторов, источников ударного типа, взрывов).
В середине 1990-х и начале 2000-х годов сотрудниками ИПФ РАН под руководством В. И. Таланова была выполнена большая серия демонстрационных натурных экспериментов, впервые показавших принципиальные возможности существенного повышения разрешающей способности и помехо-устойчивости сейсмоакустического зондирования на основе использования высококогерентных сигналов и соответствующих методов их регистрации и обработки (В. С. Авербах, Б. Н. Боголюбов, Ю. М. Заславский, А. В. Лебедев, А. П. Марышев, Ю. К. Постоенко и др.). В этих работах, выполненных в береговой зоне Горьковского водохранилища, на территории Владимирской и Калужской областей, были эффективно использованы когерентное накопление длинных последовательностей сложных когерентных сигналов различного вида (частотно- и фазомодулированных) и когерентный синтез приемной (или излучающей) апертуры.
В последнее время экспериментальные полевые работы по когерентной сейсмоакустике проводятся на базе загородной лаборатории ИПФ РАН «Безводное» и специально оборудованного пункта измерений на площадке Воротиловской глубокой скважины (Ковернинский район Нижегородской области). Особое внимание в этих работах уделяется исследованию возможностей когерентных методов межскважинного профилирования пород. В отличие от традиционных схем вертикального сейсмического профилирования, которые широко используются в инженерной и промысловой сейсморазведке, схема межскважинного профилирования практикуется значительно реже, хотя она обладает рядом потенциальных преимуществ. К последним можно отнести возможность практически полного исключения (или значительного ослабления) влияния приповерхностной зоны малых скоростей, характеризующейся сильным затуханием сигнала, а также то особое преимущество, которое дает использование источников SH-волн – практическое отсутствие обменных эффектов многократной трансформации волн на внутренних границах раздела.
В результате недавних экспериментов, проведенных на рубеже 2010-х годов на полигоне «Безводное», впервые в натурных условиях выполнено межскважинное профилирование на SH-волнах с использованием фазовых методов измерения. В результате были уверенно разрешены слабоконтрастные (на уровне единиц процентов) слои в среде, обнаружение которых традиционными методами было невозможно из-за существенного перекрытия приходов зондирующих импульсов на относительно короткой трассе (В. С. Авербах, А. В. Лебедев, С. А. Манаков, В. И. Таланов).
Методы когерентной сейсмоакустики малых (первые десятки метров) глубин получили дальнейшее развитие. Оказалось, что совместный анализ дисперсии фазовой скорости и соотношения проекций смещения в волне Рэлея позволяет существенно повысить точность реконструкции модуля сдвига и, что не делалось ранее, реконструировать зависимость коэффициента Пуассона от глубины. Выявленные контрастные изменения профилей коэффициента Пуассона и сдвиговой жесткости в зависимости от степени влагонасыщенности грунта открывают новые возможности для мониторинга состояния земных пород в натурных условиях, а также решения экологических задач (А. И. Коньков, С. А. Манаков).
С середины 2000-х годов сотрудники ИПФ РАН совместно с коллегами из Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (г. Москва) и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (г. Петропавловск-Камчатский) приступили к проведению работ по сейсмоакустике на базе Воротиловской глубокой скважины (ВГС) – уникальном для Европейской части России объекте геофизических исследований (глубина основной скважины 5374 м, скважины-спутника – 1498 м). Работы по бурению ВГС как исследовательской скважины были стимулированы интересом к необычному геологическому образованию – Пучеж-Катунской кольцевой структуре, в центре которой были пробурены (на рубеже 1980–90-х годов) эти две скважины.
Основная направленность работ на ВГС связана с мониторингом скважинных сигналов сейсмоакустической эмиссии и активной диагностикой глубинных пород с использованием когерентных источников пробных сигналов. В частности, впервые была показана возможность диагностики земных пород на глубинах до 3 км с использованием относительно высокочастотных когерентных сигналов в диапазоне порядка 100–400 Гц. В качестве источников зондирующих сигналов использовались гидроакустические излучатели, разработанные ранее в ИПФ РАН, устанавливаемые либо непосредственно в устье скважины (на глубине погружения до 100 м), либо в локальном водоеме, расположенном на опытной площадке. Прием осуществлялся векторными скважинными приемниками на различных горизонтах, в том числе с эквидистантным перемещением по глубине по стандартной методике сейсмопрофилирования. Полученные результаты указывают на принципиальную возможность реализации методики активной сейсмоакустической диагностики консолидированных земных пород на горизонтах их естественного залегания до нескольких километров (А. И. Малеханов, И. Н. Диденкулов, А. П. Марышев, А. А. Стромков, А. Н. Фокин, В. В. Чернов).
Важное продвижение в области геофизической акустики и сейсмоакустики связано также с развитием высокоточных лабораторных методов акустической диагностики образцов горных пород и других материалов. Здесь основные усилия сосредоточены на развитии метода резонансной акустической спектроскопии (РАС), который был существенно модернизирован для эффективного применения в целях диагностики низкодобротных образцов, модовые резонансы которых значительно шире в сравнении с высокодобротными материалами (А. В. Лебедев, В. В. Бредихин). В настоящее время метод РАС используется в ИПФ РАН для решения таких задач, как определение параметров трещин и диагностика начальных стадий разрушения, локализация дефектов в образце и измерение их параметров, диагностика нанокомпозитных материалов (совместно с Институтом металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева РАН), исследование корреляций упругой анизотропии и анизотропии магнитной восприимчивости осадочных и метаморфических горных пород (совместно с Институтом тектоники и геофизики ДВО РАН).
В частности, один из последних результатов заключается в прецизионных измерениях зависимости тензоров упругости пористого материала при изменении степени его насыщения жидкостью. Высокая точность измерений позволила выделить все три ключевые стадии насыщения – конденсацию жидкости в порах, образование менисков и заполнение пор жидкостью, которым отвечают качественные изменения акустических характеристик материала. Эти результаты подтверждены прямыми данными гранулометрического, минералогического и химического анализов, выполненных стандартными методами в геологической лаборатории. Проводимые в настоящее время исследования указывают на интересные особенности релаксационных процессов в осадочных породах: существование двух различных временных масштабов релаксации модуля сдвига, при этом второму масштабу отвечает логарифмическая по времени релаксация с масштабом времен порядка нескольких суток. Подобный «когерентный» анализ релаксации модулей объемной и сдвиговой жесткости позволяет рассчитывать на получение новых результатов, важных для установления фундаментальных свойств медленной динамики релаксационных процессов в реальных горных породах.
