СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
METHOD OF DETERMINING PROBABILITY OF CATASTROPHIC PHENOMENA

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в земной коре, на ее поверхности и в околоземном пространстве, и может быть использовано для оценки возможности наступления неблагоприятных, и в том числе, катастрофических, природных и техногенных явлений.
Известен способ прогноза неблагоприятных явлений, предусматривающий непрерывный контроль изменяющихся во времени параметров геофизических полей, включая значения их периода, по характеру изменения которых во времени относительно фонового значения судят о возможности наступления неблагоприятных явлений (авторское свидетельство SU №1080099 [1]). Данный способ предусматривает измерение вариации геомагнитного поля в прогнозируемом районе в заданном диапазоне периодов, определение вариации геомагнитного поля два раза в сутки с получением суточной амплитуды и годовой вариации.
Недостатком данного способа является низкая достоверность, невысокая оперативность прогноза, а также ограниченная лишь прогнозом землетрясений область применения и невозможность прогнозирования неблагоприятных явлений техногенного характера.
Известен способ прогноза неблагоприятных явлений, предусматривающий непрерывный контроль изменяющихся во времени параметров геофизических полей, включая значения их периода, по характеру изменения которых во времени относительно фонового значения судят о возможности наступления неблагоприятных явлений (авторское свидетельство SU №1721563 [2]). Этот способ предусматривает запись микровариаций компонент геомагнитного поля. В качестве предвестника землетрясения принята серия возмущений синусоидального характера с паузами от 1 мин до 1 ч и меняющимся периодом колебаний. Этот способ позволяет осуществить прогноз землетрясения за срок от 1 ч до 7 дней. Однако и данное решение обладает теми же недостатками, что и вышеупомянутое.
Известен также способ прогноза горных ударов и других катастрофических явлений, предусматривающий дискретный контроль изменяющихся во времени параметров геофизических полей и сред геологической природы в горном массиве, таких как электромагнитное излучение, акустическая эмиссия, по характеру изменения которых во времени судят о возможности наступления катастрофических явлений. О возможности возникновения катастрофического явления, например, землетрясения судят по резкому изменению величины отношения измеренных величин (авторское свидетельство SU №1670651 [3]).
Недостатками данного способа являются его ограниченность конкретным горным массивом, низкая достоверность, невысокая оперативность прогноза, а также невозможность прогнозирования катастрофических явлений техногенного характера.
Известен способ, который направлен на расширение области его применения как с точки зрения возможности его использования в любой местности земного шара независимо от геологических, географических и климатических условий, так и с точки зрения возможности прогнозирования не только землетрясений, но и других катастрофических явлений, включая техногенные, а также на расширение арсенала технических средств для осуществления прогноза (патент RU №2030763 [4]).
В данном способе предусматривается контроль изменяющегося во времени параметра геофизического поля, по характеру изменения которого во времени судят о возможности наступления катастрофических явлений, дополнительно измеряют амплитуду контролируемых параметров, а вывод о возможности наступления катастрофических явлений делают в случае появления в изменении параметра геофизического поля синусоидального колебательного процесса, имеющего возрастающую частоту с периодом от 100 до 1000000 с при увеличении амплитуды колебаний до значения, достоверно отличающегося от фонового значения для данной местности. В качестве контролируемого параметра могут быть использованы значения температуры, давления атмосферного воздуха, деформаций земной поверхности, напряженности естественного электромагнитного поля, уровня естественной радиоактивности, температуры приповерхностных слоев литосферы и гидросферы, силы тяжести, микросейсмической активности, содержание гелия в подземных флюидах, интенсивность излучения электромагнитного поля в диапазоне волн от 7 до 12 мм.
Совместный учет величин амплитуды и периодов колебаний контролируемого параметра позволяет увеличить достоверность прогноза и исключить из него влияние различного рода помех (в том числе приливного происхождения, имеющих периоды в пределах вышеуказанных значений), искажений и явлений случайного характера.
Упомянутые возмущения сопровождаются неприливными вариациями силы тяжести, деформационными, микросейсмическими, гидродинамическими, электромагнитными и другими аномалиями. Статическая обработка карт барического поля атмосферы подтвердила наличие аномальных областей, приуроченных к известным геофизическим структурам, что позволило увязать аномальные атмосферные процессы с тектонической активностью морфоструктур центрального типа, а также с крупными авариями техногенного характера (прорывами плотин, разрушением строительных конструкций, трубопроводов и т.п.).
Это происходит вследствие того, что передаваемые по мантийным каналам термодинамические возмущения внешнего ядра Земли достигают поверхности, в результате чего в определенном месте и времени возникают аномальные явления во всех геофизических полях и средах геологической природы, которые затрагивают литосферу, гидросферу и атмосферу. В ходе вариаций силы тяжести, электромагнитных и других геофизических полей происходят деформации поверхности земли, изменяются уровни подземных и поверхностных вод, возникают мощные помехи радиоприему и сбои в работе электрических, электронных и электромагнитных приборов, физиологические и психофизиологические патологические реакции обслуживающего персонала, являющиеся причинами аварийных ситуаций, а также землетрясений, схода лавин, селей и т.п.
При этом неблагоприятные катастрофические природные и техногенные явления происходят вследствие процесса возмущения всех геофизических полей и сред геологической природы в определенном месте и времени с выходом на патологию.
Характерной особенностью установленного в качестве предвестника неблагоприятного явления колебательного процесса параметра геофизических полей и сред геологической природы является наличие этапа синусоидальной раскачки, состоящего из одного или нескольких периодов колебаний, причем вход в этот этап может быть как со знаком плюс, так и со знаком минус, этапа экстремума, знак которого, как правило, противоположен знаку входа в этап раскачки, и этапа рэлеевского затухания до первоначальных фоновых значений. Одним из основных отличительных признаков процесса является увеличение в ходе раскачки частоты и амплитуды колебаний вплоть до экстремума с последующей релаксацией. В развитии вышеописанного процесса прослеживается кумулятивный характер неблагоприятного воздействия, приводящего к разрыву наиболее слабого звена. Поскольку в ходе локального возмущения землетрясения происходят далеко не всегда, что обуславливается конкретными геологическими особенностями определенной местности, наиболее подверженными влиянию этого процесса оказываются техногенные системы, содержащие, по причине отсутствия учета вышеописанного процесса при проектировании, исполнении и эксплуатации значительное количество таких слабых звеньев. Весьма сложная экспертиза разрушительных последствий процесса, где первопричина той или другой крупной аварии, определяемая, например, деформацией несущих грунтов, камуфлируется сильными атмосферными явлениями - шквалом, ливнем или бураном. В таких случаях не дает результата и повторное нивелирование, констатирующее только остаточные (обычно в несколько миллиметров) изменения поверхности в сопрягающихся блоках тектонических структур (фактор релаксации), в то время как в момент экстремума деформации на той же базе могут достигать десятков сантиметров. Именно этим объясняется казалось бы ничем не спровоцированные обрушения различного рода инженерных сооружений: куполов, мостов, башен, спроектированных со значительным запасом прочности в расчете на отсутствие существенных современных вертикальных деформаций в области подстилающих грунтов. Известный способ реализуют следующим образом. На наблюдательных станциях, оборудованных специальной геофизической аппаратурой, осуществляют контроль за изменяющимися во времени параметрами геофизических полей и сред геологической природы. Наблюдение ведут по стандартным методикам, при этом может быть использована как существующая сеть геофизических, метеорологических и иных наблюдательных станций, так и специально созданная система для прогноза неблагоприятных природных и техногенных явлений.
В результате измерений определяют характер изменения амплитуды и периодичности контролируемого параметра в текущий момент времени. Получаемые результаты представляют, например, в виде графической зависимости. Данные результаты измерений сравнивают с предварительно установленными для данной местности средними (фоновыми) значениями. В качестве предвестника неблагоприятного явления принимают появление в изменениях контролируемого параметра периодического процесса с периодом от 100 до 1000000 с при статистически достоверном увеличении амплитуды по сравнению с фоновыми значениями для конкретного наблюдательного пункта или наблюдательной станции.
В качестве контролируемого параметра геофизических полей могут быть приняты уровень естественной радиоактивности, микросейсмической активности, напряженность электромагнитного поля, температура и давление воздуха, температура приповерхностных слоев литосферы и гидросферы, содержание гелия в подземных флюидах тектонического происхождения, изменение силы тяжести, деформации земной поверхности. Контролировать можно параметры либо одного из перечисленных полей, либо, что повышает достоверность контроля, определенного их комплекса.
Конкретная реализация предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на примерах контроля содержания гелия в подземных флюидах и атмосферного давления.
Недостатком известного способа является то, что он имеет низкую достоверность прогноза, так как синусоидальные колебания измеряемого параметра при наложении на них акустических и гидродинамических шумов техногенного характера, могут быть как периодическими, так и апериодическими, что требует получения многочисленных массивов измеряемого параметра для выявления амплитуды, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для достижения положительного технического результата.
В прогнозировании землетрясений известны также способы, основанные на использовании электромагнитных явлений, предшествующих и сопровождающих землетрясения (авторское свидетельство SU №499543 [5], SU №913311 [6], SU №1080099 [7],SU №1171737 [8], SU №1193620 [9]; патент RU №1806394 [10], RU №2037162 [11]). Среди этих явлений - аномально высокочастотное электромагнитное излучение, обусловленное изменением структуры трещиноватости деформируемого вещества литосферы на стадии начавшегося разрушения. Однако надежные измерения и идентификация сейсмогенных возмущений электромагнитного поля Земли затруднены высоким уровнем его естественных и техногенных вариаций, обусловленных грозовой активностью, возмущениями ионосферы, радиотехническими средствами коммуникации и другими факторами. Кроме того, указанные методы относятся к краткосрочным, поэтому для их эффективного использования и выделения прогностического сигнала важно заранее выделить сейсмоопасные периоды времени, что проблематично.
Изменения электромагнитного поля Земли использованы в физическом объяснении эффекта нарушения уравнения Клапейрона-Менделеева перед землетрясением, ставшего основой способа краткосрочного прогнозирования землетрясений (авторское свидетельство SU №1247808 [12]).
Уравнение Клапейрона-Менделеева связывает давление атмосферы Р, объем V и температуру Т идеального газа [1]: PV=mRT, что вполне применимо к атмосфере, или, учитывая, что плотность ρ=m/V; P=ρRT, где m - масса, R - универсальная газовая постоянная.
При наличии достаточно густой сети метеостанций в сейсмоопасном районе этот эффект может быть использован для диагностики и прогнозирования места и силы землетрясения. Однако выполнение этого требования затруднено в условиях сложной орографии сейсмического пояса Земли. К тому же результативность этого способа существенно зависит от высоты метеостанции над уровнем моря, сезона и ряда других факторов.
Отмеченный эффект является свидетельством нарушения гидростатического равновесия атмосферы. Учитывая механизм взаимодействия литосферы с атмосферой через акустико-гравитационные волны, сейсмогенные изменения волнового режима атмосферы должны соответствовать особенностям эволюции зон подготовки землетрясений. Поэтому их можно диагностировать в характеристиках волнового режима атмосферы. Полученные результаты могут быть использованы для активизации наблюдений на сети метеостанций с целью прогнозирования землетрясений по данным о температуре и давлении.
Известен также способ, в котором повышение эффективности и достоверности краткосрочного прогнозирования землетрясений по метеорологическим данным достигается за счет дополнительной диагностики сейсмогенных тенденций в волновом режиме атмосферы по данным об общем содержании озона в атмосфере (патент RU №2170448 [13]).
Выбор данных озонометрии для диагностики сейсмогенных тенденций в волновом режиме атмосфере обусловлен промежуточным положением озоносферы между литосферой и ионосферой, где также диагностируются краткосрочные предвестники землетрясений, ростом амплитуды сейсмогенных акустико-гравитационных волн (АГВ) с высотой, что увеличивает вероятность их проявления с высотой, а также наличием мировой сети озонометрии.
При этом для выделения сейсмогенных тенденций в волновом режиме озоносферы необходимо рассчитать по архивным данным спектры вариаций в скользящем по данным озонометрии временном окне методом Фурье-анализа. По набору этих спектров провести диагностику изменений энергетического вклада ряда частот и выделить из них, например, пару сигнальных сейсмогенных диапазонов частот на основе известных в сейсмологии эффектов "сейсмического затишья" перед землетрясением и последующей активизации очаговой области подготовки землетрясения. Изменение их энергетического вклада предполагается использовать для выявления сейсмогенных ситуаций по оперативным данным озонометрии на основе сравнения с "обобщенным сейсмогенным портретом", полученным по архивным данным.
Характер "обобщенного сейсмогенного портрета" в данных озонометрии проявляется в том, что в большинстве случаев сильное землетрясение происходит через 10-25 суток после минимума вклада высоких частот на этапе их роста с одновременным уменьшением вклада низких частот. Чем четче выполняется эта закономерность, тем сильнее ожидается землетрясение. При общей размытости этих эффектов во времени увеличивается вероятность серии менее сильных землетрясений. Выбор диагностируемых диапазонов частот должен определяться для каждой станции озонометрии сейсмоактивного региона и регулярно уточняться.
Выбранная для прогнозирования характеристика, учитывая особенности распространения АГВ, позволяет диагностировать сейсмогенные тенденции в радиусе до 1500-2000 км от станции озонометрии, а также целесообразность использования в расчетах и в прогнозировании типизированных данных озонометрии по повторяемости локальных экстремумов. Этот прием позволяет уменьшить влияние сезонного хода и повысить однородность используемых данных для тех регионов, в которых сейсмическая активность проявляется регулярно и сейсмические наблюдения выполняются регулярно на протяжении длительного времени.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей и повышение достоверности обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, преимущественно в локальных зонах в регионах добычи углеводородов со дна морей.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающий измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, при этом измерения проводят непрерывно, выявляют колебания измеряемого параметра и при обнаружении синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района и период от 100 до 1000000 с, при этом выполняют одновременную регистрацию в атмосфере давления и температуры, определение в каждой выбранной точке суммы приращений амплитуд функции давления и температуры от времени, выявление зоны со значениями указанного параметра, не равного нулю, суждение о времени возникновения землетрясения по времени появления этих зон, о месте землетрясения судят по пространственному положению таких зон, при этом в одном из пунктов сейсмоопасного региона дополнительно диагностируют изменения волнового режима атмосферы по данным регулярных измерений общего содержания озона в атмосфере в скользящем временном окне методом Фурье-анализа, сравнивают характер изменения сейсмогенных диапазонов частот в данных оперативной озонометрии, заранее определенных по архивным данным, с эталонными сейсмогенными тенденциями активизации высоких частот на фоне спада низких частот, выделяют сейсмоопасные периоды времени и уточняют время возникновения землетрясения, а по четкости проявления этих эффектов и их длительности устанавливают примерную силу землетрясения, по особенностям пространственной структуры спектральных эффектов устанавливают положение эпицентральной зоны, при этом в качестве контролируемого параметра геофизических полей принимают уровень естественной радиоактивности, микросейсмической активности, напряженность электромагнитного поля, температура и давление воздуха, температура приповерхностных слоев литосферы и гидросферы, содержание гелия в подземных флюидах тектонического происхождения, изменение силы тяжести, деформации земной поверхности, дополнительно выполняют регулярное глубинное сейсмическое зондирование в донном грунте в контролируемом районе, а о наличие возможности наступления катастрофических явлений судят по изменению температуры морской воды, скорости звука, давления морском на дне, скорости течения, концентрации pH в придонном слое, с последующим уточнением прогноза по изменению волнового режима на границе гидросфера - атмосфера.
Дно океана подвержено активным геодинамическим процессам. Более 80% всех землетрясений происходит под дном морей и океанов (Л.И. Лобковский, Д.Г. Левченко, А.В. Леонов, А.К. Амбросимов / Геологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М.: Наука, 2005, с.18). По разным оценкам общее число морских землетрясений с магнитудой больше 3 превышает 100 тыс. в год. Землетрясения концентрируются в основном вдоль срединно-океанических хребтов и в прибрежных районах вблизи островных дуг и сейсмически активных материковых окраин. Многочисленные тектонические разломы в океанической коре служат источником горячих минерализованных вод.
Непрерывный рост мировых потребностей в углеводородном сырье определяется необходимостью поиска новых областей, перспективных для нефтегазодобычи. В настоящее время наблюдается перенос разведочных работ, проводимых ведущими нефтяными компаниями, с морского шельфа на большие глубины - в пределы континентального склона. Крупные глубоководные нефтегазовые добывающие комплексы расположены на континентальных окраинах в разных частях Мирового океана. Можно предположить, что в ближайшие годы мировая нефтегазовая индустрия, активно развивающаяся в пределах шельфов и континентальных склонов, станет одним из главных факторов антропогенного воздействия на экосистему Мирового океана. В связи с активным освоением шельфа для нефте- и газодобычи, прокладкой подводных трубопроводов и кабелей связи донные землетрясения и провоцируемые ими явления становятся чрезвычайно опасными как для самих морских сооружений, так и для экологии региона в целом. Кроме того, имеется возможность появления наведенной сейсмичности при извлечении больших объемов нефти и газа из земных недр. Разработка морских нефтегазовых месторождений длится 20-30 лет и более. При этом изменяются фонд эксплуатационных скважин, их дебиты и обводненность (Р.И. Вяхирев, Б.А. Никитин, Д.А. Мирзоев. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. - М.: Академия горных наук. 1999, с.39).
Донная сейсмическая активность концентрируется в прибрежных зонах континентальных окраин, островных дуг и срединных океанических хребтов.
На дне океана происходит непрерывный обмен водных масс с корой Земли. При повышении внутрикорового давления, что может происходить, например, при подготовке сильного землетрясения, флюиды, содержащиеся в порах коры, «выдавливаются» в придонный слой, вызывая существенное изменение его свойств. На суше это явление приводит к повышению уровня подземных вод в скважинах и служит одним из признаков для прогноза землетрясений (Л.И. Лобковский, Д.Г. Левченко, А.В. Леонов, А.К. Амбросимов / Геологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М.: Наука, 2005, с.22).
На фиг.1 приведены временные ряды измерений температуры (фиг.1а), скорости звука в воде (фиг.1б), давления на дне (фиг.1в), скорости придонных течений (фиг.1г) и концентрации водородных ионов pH (фиг.1д), полученных с помощью подводной измерительной аппаратуры. Вертикальной стрелкой на графиках обозначен момент землетрясения средней силы (магнитуда 4,4, глубина 37 км), которое произошло 07.08.1999 на дне Авачинской бухты. Эпицентр землетрясения находился на расстоянии 50 км от места постановки донной обсерватории. Практически на всех графиках (кроме скорости течений) наблюдался характерный подъем измеряемых значений в момент землетрясения, особенно после сглаживания временных рядов (пунктир). Полученные данные подтверждают выводы о существенном влиянии сейсмических явлений на характеристики морской среды (Гидрохимическая донная станция для регистрации краткосрочных предвестников морских землетрясений / Гаврилов В.А., Левченко Д.Г., Утяков Л.Л., Шехватов Б.В. // Океанология. 2000. Т.40, №3, с.456-467).
В настоящее время уделяется мало внимания вопросам сейсмологического мониторинга морских сооружений, в частности, нефтегазового комплекса. При разработке проектов нефтегазовых комплексов, безусловно, проводится оценка сейсмической опасности. Однако при этом за основу обычно берутся среднестатистические данные для региона. Практически не проводятся специальные сейсмологические исследования по изучению активности близко расположенных тектонических разломов, кратеров грязевых вулканов и т.д., что может приводить к тяжелым авариям.
Кроме того, предварительные морские сейсмологические исследования позволят уточнить степень сейсмической опасности конкретного района, поскольку сейсмическое районирование производилось, в основном, по данным стационарной сети сейсмостанций, расположенных только на суше, и крайне неравномерно (Л.И. Лобковский, Д.Г. Левченко, А.В. Леонов, А.К. Амбросимов / Геологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М.: Наука, 2005, с.24).
В процессе эксплуатации крупного нефтегазового месторождения сейсмическая обстановка может изменяться вследствие нарушения тектонического равновесия при извлечении больших масс добываемого продукта. Разрушительное землетрясение в районе Нефтегорска на Сахалине, по мнению специалистов, могло быть вызвано подобными причинами. Аналогичные явления наблюдались в районе Газли (Средняя Азия), где извлечение больших объемов газа привело к значительному усилению сейсмической активности, сопровождавшейся рядом сильных землетрясений (Л.И. Лобковский, Д.Г. Левченко, А.В. Леонов, А.К. Амбросимов / Геологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М.: Наука, 2005, с.24).
Морские регионы России, перспективные в направлении развития нефтегазового комплекса (Сахалин, Каспий, северо-восточная часть Черного моря, Баренцево и Карское моря), характеризуются заметной сейсмической активностью (Л.И. Лобковский, Д.Г. Левченко, А.В. Леонов, А.К. Амбросимов / Геологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М.: Наука, 2005, с.24).
В качестве контролируемого параметра геофизических полей могут быть приняты уровень естественной радиоактивности, микросейсмической активности, напряженность электромагнитного поля, температура и давление воздуха, температура приповерхностных слоев литосферы и гидросферы, содержание гелия в подземных флюидах тектонического происхождения, изменение силы тяжести, деформации земной поверхности и т.д.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
В контролируемом регионе, при наличии стационарных береговых станций для обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, как и в известных технических решениях измеряют параметры геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, при этом измерения проводят непрерывно, выявляют колебания измеряемого параметра и при обнаружении синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района и период от 100 до 1000000 с, при этом выполняют одновременную регистрацию в атмосфере давления и температуры, определение в каждой выбранной точке суммы приращений амплитуд функции давления и температуры от времени, выявление зоны со значениями указанного параметра, не равного нулю, суждение о времени возникновения землетрясения по времени появления этих зон, о месте землетрясения судят по пространственному положению таких зон, при этом в одном из пунктов сейсмоопасного региона дополнительно диагностируют изменения волнового режима атмосферы по данным регулярных измерений общего содержания озона в атмосфере в скользящем временном окне методом Фурье-анализа, сравнивают характер изменения сейсмогенных диапазонов частот в данных оперативной озонометрии, заранее определенных по архивным данным, с эталонными сейсмогенными тенденциями активизации высоких частот на фоне спада низких частот, выделяют сейсмоопасные периоды времени и уточняют время возникновения землетрясения, а по четкости проявления этих эффектов и их длительности устанавливают примерную силу землетрясения, по особенностям пространственной структуры спектральных эффектов устанавливают положение эпицентральной зоны, при этом в качестве контролируемого параметра геофизических полей принимают уровень естественной радиоактивности, микросейсмической активности, напряженность электромагнитного поля, температура и давление воздуха, температура приповерхностных слоев литосферы и гидросферы, содержание гелия в подземных флюидах тектонического происхождения, изменение силы тяжести, деформации земной поверхности.
В отличие от известных технических решений, в предлагаемом техническом решении, в регионах расположения терминалов по добыче и транспортировке подводных углеводородов, на морском дне устанавливают автономные донные широкополосные станции или донные гидрохимические обсерватории, оснащенные необходимой стандартной аппаратурой для измерений. (Л.И. Лобковский, Д.Г. Левченко, А.В. Леонов, А.К. Амбросимов / Геологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. М.: Наука, 2005, с.92-100).
В зоне расположения терминалов по добыче и транспортировке подводных углеводородов в неиспользуемые скважины или вновь пробуренные скважины устанавливают контейнер с сейсмическими приемниками. Установка контейнера с сейсмическими приемниками может быть осуществлена с обеспечивающего судна или непосредственно с добычной морской платформы. При этом спускают автономную донную буровую установку, которая свободно опускается на дно, а затем в автоматическом режиме бурит скважину и размещает контейнер с сейсмическими приемниками на разных расстояниях по глубине скважины.
Средства приема и регистрации сейсмических сигналов оснащены многоканальными приемниками сейсмических сигналов и блоками регистрации сейсмических сигналов и построены на основе горизонтальных (типа СМ-5ВГ «Север-Юг» и СМ-5ВГ «Восток-Запад») и вертикального велосиметров (типа CM-5B(Z), вертикального акселерометра (типа CM-5A(Z) и трехкомпонентного сейсмоакустического датчика (типа А1632), феррозондового магнитометра (типа LEMI).
Сейсмические приемники также размещают в прибрежной зоне шельфа и на границе подножия континентального склона, в прибрежной зоне шельфа размещают градиентометрические сейсмические приемники, регистрирующие сейсмические колебания в диапазоне от 0,1 до 20 Гц, которые размещают парами на каждом исследуемом дискретном участке, при этом чувствительные элементы каждой пары сейсмических приемников развернуты относительно друг друга в азимуте на 45 град, каждая пара сейсмических приемников настроена на прием сигналов из определенной зоны, где пересекаются направления приема упругих колебаний. Каждая пара градиентометрических сейсмических приемников при этом выполняет роль направленной антенны.
Градиентометрический сейсмический приемник представляет собой трехтензорный градиентометр для подводных исследований, в котором пять независимых тензоров градиентометра позволяют получить качественную и количественную картину физических данных дискретных участков, в том числе и получить предварительную информацию о геологической структуре.
На частотах от 0,003 до 0,1 Гц регистрируют микросейсмические колебания, начиная с частот от 0,003 Гц, посредством широкополосных цифровых сейсмических приемников, размещенных на границе подножия континентального склона также парами, при анализе каждого дискретного участка отбирают гармоники от двух сейсмических приемников, отраженных одновременно с практически равными амплитудами.
Поскольку микросейсмические волны представляют собой нестационарные процессы, то при обработке сигналов микросейсмических волн используют усредненные во времени корреляционные и спектральные характеристики нестационарных процессов. При этом, при прохождении случайных нестационарных сигналов через линейные цепи широкополосных регистраторов сигналов, усредненные во времени корреляционная и спектральная функция трансформируются этими цепями так же, как и соответствующие характеристики для стационарных процессов.
Зарегистрированные сигналы при обработке разбиваются на частотные поддиапазоны, что дает существенный выигрыш в сокращении требуемого объема памяти накопителя информации и объема вычислений при определении корреляционных и спектральных функций случайных процессов.
Весь частотный диапазон широкополосного сейсмического приемника разбивают на два поддиапазона (0,003-0,2 Гц и 0,1-0,2 Гц). Район «сшивки» поддиапазона 0,1-0,2 Гц был выбран в области устойчивого максимума микросейсмических волн, в котором практически не производится регистрация землетрясений. В низкочастотном поддиапазоне осуществлялась цифровая запись с частотой квантования 1 Гц в каждом из четырех каналов регистрации. В высокочастотном поддиапазоне осуществлялась аналоговая запись на магнитную ленту с последующим квантованием и вычислением корреляционных функций и спектров. Такое техническое решение позволяет примерно в 100 раз увеличить время работы сейсмического приемника на дне в режиме непрерывной регистрации микросейсмических волн.
При размещении сейсмических приемников в скважине на разной глубине с использованием низкочастотных сейсмических сигналов обеспечивается возможность проникновения на большую глубину в недра Земли и исследовать ее строение вплоть до внутреннего ядра.
Для выявления помех для каждого дискретного участка выполняют измерения вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, которые учитывают при анализе зарегистрированных сигналов.
При анализе зарегистрированных сигналов также учитывают временной ход уровня подстилающей земной поверхности под действием приливных сил коры Земли.
При этом по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения Солнца и Луны на одной небесной линии, путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических характеристик. При анализе гармонических колебаний сейсмических волн осуществляют преобразование циклического времени в линейное.
Посредством блока датчиков линейных и угловых перемещений регистрируют сигналы, характеризующие приливные колебания коры Земли (грунта). Твердая кора Земли также испытывает приливные колебания, как и водные массы океанов. Приливные колебания коры Земли также носят гармонический характер, т.е. фаза колебаний представляет собой гладкую функцию. Однако вследствие того, что кора - более жесткая среда, то с течением времени в смежных областях коры с разными упругими характеристиками накапливаются фазовые сдвиги, которые не снимаются путем образования амфидромических точек, а снимаются путем образования землетрясений. Анализ пространственно-временного распределения фаз приливных колебаний в коре Земли выполняется в следующей последовательности.
Измерение колебаний грунта моря выполняют на дискретных участках акватории моря в различные моменты времени таким образом, чтобы получаемые измерения в каждой точке измерения имели различные значения интервалов времени относительно ближайшего к моменту измерения последнего момента верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане.
При этом измеренные значения уровня грунта в точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны на фиксированном меридиане и моментом измерения, позволяют установить временной ход уровня под действием приливных сил коры Земли, что обусловлено тем, что приливные колебания в некоторой точке акватории моря имеют практически постоянный фазовый сдвиг относительно времени верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. Так как сочетания фаз движения Луны вокруг Земли и фаз колебания уровня грунта моря в некоторой точке повторяются с периодом движения Луны вокруг Земли, то измеренные значения уровня грунта моря в некоторой точке акватории моря, расположенные по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане и моментом измерения, представляют собой изменение фазы прилива, а следовательно, и временной ход уровня в точке измерения под действием приливных сил.
По измеренным приборным значениям колебания уровня грунта моря формируют ряды наблюдений.
Определяют значения высоты прилива конкретной гармонической составляющей волны h(t), которая задается амплитудой A, углом положения g (A и g - гармонические постоянные) и периодом T, в соответствии с зависимостью h(t)=Acos(qt-g), где q - угловая скорость гармонической волны за один час среднего времени, t - фиксированный момент времени.
Определяют амплитуды гармонической составляющей высоты прилива коры Земли.
m
m
Для анализа гармонических колебаний ось времени разбивается на равные отрезки, которые впоследствии совмещаются друг с другом. В полученном таким образом циклическом времени моменты измерения описывают изменения функции на одном периоде, что обеспечивает связь между временем континентальным (солнечным) и океаническим (приливным) в соответствии с зависимостью x=y-y, где x - приливное время (число приливных суток от начала приливного года), y - дата солнечного времени (число суток от начала года), y - число суток между солнечным и приливным временем (число суток от начала года).
Вследствие того, что периоды системы времени измерения и периоды гармоник колебательного процесса могут быть несоизмеримы, то осуществляют преобразование циклического времени в линейное, в соответствии с известной зависимостью (см. например: патент RU №2343415).
Дальнейшую обработку выполняют с учетом преобразованного времени. Определяют значения высоты прилива коры Земли h=h(x,y) для последовательного набора дискретных значений времени h=h(x, y, t), например, методом сеток (см., например, Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций переменного. М.-Л. ГИТТЛ, 1958).
По полученным значениям высоты прилива для последовательного набора дискретных значений времени определяют амплитуды колебаний гармонической составляющей, например, в узлах сетки (см., например, Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций переменного. М.-Л. ГИТТЛ, 1958).
По полученным значениям высоты прилива коры Земли определяют время наступления максимального уровня.
При анализе периодической составляющей колебательного процесса используется множество действительных чисел, что позволяет определить реальную изменчивость колебательного процесса.
Определение интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны позволяет определить временной ход приливных колебаний уровня земной коры в различных точках акватории моря и получить пространственный ход приливных колебаний на данной акватории на любой астрономический момент времени. Измеренные значения уровня коры Земли в некоторых точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени, позволяют по изменению фазы прилива определить и временной ход уровня в точке измерения под действием приливных сил.
Ввиду того, что колебательный процесс q уровня коры Земли в каждый фиксированный момент времени является функцией двух частот, а в каждый момент времени значение колебательного процесса будет являться функцией двух независимых переменных, представляющих собой координаты фазового пространства, то повышается вероятность достоверного выделения периодической составляющей колебательного процесса. При этом гармонические постоянные определяются на основании множества действительных чисел, что позволяет определить реальную изменчивость колебательного процесса уровня коры Земли. При выполнении операций аппроксимации полученных результатов, числовые величины измерений записываются в символьной системе Штерна-Броко (1. Грэхем Р., Кнут Д., Паташник О. Конкретная математика. - М.: Мир; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 703, с.2. Айгнер М., Циглер Г. Доказательства из Книги. - М.: Мир, 2006. - 256 с.). Иерархическая графовая структура системы Штерна-Броко дает возможность осуществления быстрого поиска близких чисел, представленных с различной погрешностью, обусловленной первичными датчиками измерений, так как этому соответствует различное число символов в представлении Штерна-Броко. Меньшее количество символов в представлении является признаком большой погрешности. Это свойство системы Штерна-Броко позволяет простым способом представить число, заданное или измеренное с некоторой погрешностью, числом с большей погрешностью путем простого сокращения отбрасывания последних символов. В десятичном представлении, что имеет место в известных способах, осуществить нельзя. Запись числа в символьной системе Штерна-Броко содержит информацию не только об измеренном значении, но и содержит информацию о погрешности представления числа, так как последовательность символов в представлении числа определяют все соответствующие узлы в дереве Штерна-Броко. Для наинизшего узла можно найти его соседей как по вертикали, так и по горизонтали, что позволяет оценить точность представления числа и перейти к представлению с другой точностью. Алгоритмы нахождения ближайших и последующих чисел известны и очень эффективны с вычислительной точки зрения. Представление символьной записи числа в системе Штерна-Броко в бинарном виде требует меньшей памяти, чем при интервальном представлении чисел, что имеет место в известных способах морской сейсмической разведки.
Анализ зарегистрированных микросейсмических волн с вынесением суждения о возможности возникновения потенциального землетрясения выполняют для поперечных микросейсмических волн.
Зарегистрированные сигналы при обработке разбиваются на частотные поддиапазоны, что дает существенный выигрыш в сокращении требуемого объема памяти накопителя информации и объема вычислений при определении корреляционных и спектральных функций случайных процессов.
При практической реализации способа весь частотный диапазон широкополосного сейсмического приемника был разбит на два поддиапазона (0,003-0,2 Гц и 0,1-0,2 Гц). Район «сшивки» поддиапазона 0,1-0,2 Гц был выбран в области устойчивого максимума микросейсмических волн, в котором практически не производится регистрация землетрясений. В низкочастотном поддиапазоне осуществлялась цифровая запись с частотой квантования 1 Гц в каждом из четырех каналов регистрации. В высокочастотном поддиапазоне осуществлялась аналоговая запись на магнитную ленту с последующим квантованием и вычислением корреляционных функций и спектров. Такое техническое решение позволяет примерно в 100 раз увеличить время работы сейсмического приемника на дне в режиме непрерывной регистрации микросейсмических волн.
Для выявления помех для каждого дискретного участка выполняют измерения вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, которые учитывают при анализе зарегистрированных сигналов.
При анализе зарегистрированных сигналов также учитывают временной ход уровня подстилающей земной поверхности под действием приливных сил коры Земли.
При этом по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения Солнца и Луны на одной небесной линии, путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических характеристик. При анализе гармонических колебаний сейсмических волн осуществляют преобразование циклического времени в линейное.
Посредством блока датчиков линейных и угловых перемещений регистрируют сигналы, характеризующие приливные колебания коры Земли (грунта). Твердая кора Земли также испытывает приливные колебания, как и водные массы океанов. Приливные колебания коры Земли также носят гармонический характер, т.е. фаза колебаний представляет собой гладкую функцию. Однако вследствие того, что кора - более жесткая среда, то с течением времени в смежных областях коры с разными упругими характеристиками накапливаются фазовые сдвиги, которые не снимаются путем образования амфидромических точек, а снимаются путем образования землетрясений. Анализ пространственно-временного распределения фаз приливных колебаний в коре Земли выполняется в следующей последовательности.
Измерение колебаний грунта моря выполняют на дискретных участках акватории моря в различные моменты времени таким образом, чтобы получаемые измерения в каждой точке измерения имели различные значения интервалов времени относительно ближайшего к моменту измерения последнего момента верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане.
Анализ зарегистрированных микросейсмических волн выполняют для поперечных микросейсмических волн.
При этом для всех излучающих микросейсмических точек дискретного участка выбираются все гармоники от двух широкополосных сейсмических приемников, отраженных одновременно с практически равными амплитудами и лежащих в пределах угла прихода отраженных волн.
При этом значение угла прихода отраженных волн в конкретной реализации способа составляет 7 градусов, что обусловлено следующими ограничениями.
С одной стороны, угол не должен быть больше 10 градусов ввиду большой скорости продольной волны, что может привести к ошибкам, обусловленным геометрией расположения излучаемых сигналов по лучам их распространения. С другой стороны, угол не должен быть меньше 1 градуса, так как необходимая точность времени фиксации сигналов будет не достаточна и в сочетании с существующей чувствительностью сейсмических датчиков может увеличиться погрешность измерений.
Для извлечения из результатов обработки продольной составляющей микросейсмических волн в схеме обработки сигналов предусмотрен фазовый амплитудный фильтр, который извлекает продольные микросейсмические волны и исключает поперечные микросейсмические волны.
При регистрации микросейсмических сигналов также выполняют измерения температуры, давления, скорости течения и показателя pH в придонном слое.
Предлагаемый способ реализуется на устройствах, имеющих промышленное применение, что обуславливает отсутствие технических рисков при его применении.
Источники информации.
1. Авторское свидетельство SU №1080099.
2. Авторское свидетельство SU №1721563.
3. Авторское свидетельство SU №1670651.
4. Патент RU №2030763.
5. Авторское свидетельство SU №499543.
6. Авторское свидетельство SU №913311.
7. Авторское свидетельство SU №1080099.
8. Авторское свидетельство SU №1171737.
9. Авторское свидетельство SU №1193620.
10. Патент RU №1806394.
11. Патент RU №2037162.
12. Авторское свидетельство SU №1247808.
13. Патент RU №2170448.