Способ контроля напряженного состояния геологической среды

 

Использование: в контроле напряженного состояния среды, в том числе геологической. Сущность изобретения: в дополнение к непрерывному контролю сейсмоакустической эмиссии во внутренних точках среды производят наблюдения скорости изменения величины ускорения силы тяжести, обусловленные лунно-солнечным приливом. О напряженном состоянии геологической среды судят по величине сейсмоакустической эмиссии совместно с корреляцией кривой хода акустической эмиссии и кривой скорости изменения ускорения силы тяжести. 3 ил.

Изобретение относится к контролю состояния объектов, сооружений и конструкций по акустической эмиссии при деформирующем воздействии и, в частности, к контролю напряженного состояния геологической среды и его изменения под воздействием как естественных, например тектонических процессов, так и искусственных, например, заполнение крупных водохранилищ, добыча газа и др.

Изобретение может быть использовано для контроля уровня сейсмической активности и тенденции ее изменения в районах повышенной сейсмической опасности и вулканических проявлений.

Известен способ контроля технических объектов и сооружений, основанный на измерении акустической эмиссии [1] , проявляющейся в импульсном излучении, характеризующемся спектром частот, зависящим от модуля упругости, строения и состояния твердого тела, при механической деформации его объема. Сигнал акустической эмиссии, распространяясь от источника, претерпевает существенные изменения вследствие дисперсии скорости звука, трансформации типа волны и ее формы при отражениях, затухании и пр. Если время затухания сигнала акустической эмиссии и время переходных процессов на пути от места возникновения к точке измерения меньше промежутка времени между излучаемыми импульсами, акустическая эмиссия воспринимается в виде последовательности импульсов, частотный и амплитудный спектр которых зависит от состава и состояния излучающего объема, состава и состояния среды на пути распространения волн и от расстояния между местом возникновения импульсов акустической эмиссии и местом измерения. Если же интервалы между отдельными актами излучения меньше времени затухания, акустическая эмиссия в точке измерения регистрируется как непрерывный шум, спектральные характеристики которого определяются теми же причинами.

Непосредственное использование известных способов контроля, основанных на эффекте акустической эмиссии, для контроля геофизических сред не представляется возможным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ скважинной сейсмической разведки [2] , основанный на регистрации сейсмоакустической эмиссии горных пород в полосе звуковых частот, выделении по максимальным значениям интенсивностей волнового поля зон тектонических нарушений, повышенной трещиноватости и проницаемости.

Этот способ позволяет выявлять аномальные интервалы сейсмоакустической эмиссии на вертикальном профиле и по интенсивности сейсмоакустической эмиссии судить об относительном состоянии пород на разных интервалах вертикального профиля, а также определять положение границ аномальных зон.

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает осуществление долговременного контроля состояния геологической среды, так как в нем предложены относительные оценки уровня сейсмоакустической эмиссии по вертикальному профилю скважины и нет критерия оценки состояния и тенденции его изменения во времени.

Целью изобретения является повышение достоверности контроля напряженного состояния геологической среды путем создания надежного инструментального способа контроля. Достоверность предлагаемого способа контроля обеспечивается использованием эффекта сейсмоакустической эмиссии, вызываемой хорошо изученным и регулярным процессом лунно-солнечного прилива.

Цель достигается тем, что в известном способе скважинной сейсмической разведки, заключающемся в непрерывной регистрации сейсмоакустической эмиссии во внутренних точках среды, получении кривых интенсивности сейсмоакустической эмиссии и суждении по их ходу о состоянии геологической среды, проводят непрерывные наблюдения скорости изменения величины ускорения силы тяжести в исследуемом районе, обусловленные лунно-солнечным приливом, сопоставляют кривую ходу интенсивности сейсмоакустической эмиссии и кривую скорости изменения ускорения силы тяжести и по величине их корреляции судят о напряженном состоянии геологической среды.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что проводят непрерывные во времени наблюдения скорости изменения величины ускорения силы тяжести в исследуемом районе, обусловленные лунно-солнечным приливом, сопоставляют кривую хода интенсивности сейсмоакустической эмиссии и кривую скорости изменения ускорения силы тяжести и по величине их корреляции судят о напряженном состоянии геологической среды. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". Предлагаемое решение также соответствует и критерию "существенные отличия", так как подобные решения не известны, тем более что в последнее время в научных публикациях вообще оспаривается возможность обнаружения причинно-следственной связи высокочастотных сейсмических шумов с лунно-солнечным приливом [3] .

Аналогичные измерения проводились в океане [4] , где в качестве параметра сравнения использовалась гравитационная поправка - Δg. Поэтому автор не смог обнаружить причинно-следственную связь между периодическим шумом в глубине океана и лунно-солнечным приливом. Наши экспериментальные исследования [5] с использованием параметра Δ g/Δ t показали достаточно хорошее совпадение кривых акустической эмиссии и скорости изменения гравитационной поправки Δ g/Δ t, на которых наглядно прослеживается причинно-следственная связь и фазовая идентичность.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 и фиг. 3 приведены результаты экспериментов, иллюстрирующие предлагаемый способ.

На фиг. 3 приведен пример практической реализации предлагаемого способа для сейсмоактивного разлома Сан-Андреас (Калифорния, США). Время эксперимента было ограничено и коэффициент корреляции не определялся, но как качественная иллюстрация предлагаемого способа этот результат может быть использован.

Способ реализован устройством, которое содержит широкополосный трехкомпонентный сейсмометр 1, установленный в скважине 2, блок полосовых усилителей с детекторами 3 и регистрирующее устройство 4, а также приливной гравиметр 5 и регистрирующее устройство 6.

Параллельно с регистрирующими устройствами 4 и 6 установлено вычислительное устройство 7 и графическое устройство 8.

Работа устройства заключается в том, что сейсмометр 1, установленный в скважине 2, воспринимает и преобразует сигналы сейсмоакустической эмиссии, возникающие в контролируемой среде. Эти сигналы усиливаются полосовыми усилителями с детекторами 3. Детектированные сигналы поступают в регистрирующее устройство 4. Данные регистрации обрабатываются следующим образом. Определяют средний уровень детектированного сигнала, определяют экспериментально пороговое значение амплитуды и проводят подсчет количества импульсов, амплитуда которых превышает установленный порог. Именно количество импульсов в единицу времени наиболее полно характеризует интенсивность сейсмоакустической эмиссии. По количеству импульсов за 1 ч строят суточные графики интенсивности сейсмоакустической эмиссии.

Одновременно по данным приливного гравиметра 5, зафиксированным регистрирующим устройством 6, определяют скорость изменения ускорения силы тяжести. Рассматривая совместно суточные графики интенсивности сейсмоакустической эмиссии и скорости изменения ускорения силы тяжести, определяют их корреляцию. Процесс обработки может быть автоматизирован с помощью вычислительного устройства 7 и графического устройства 8 при использовании известных алгоритмов и программ.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа состоит в том, что появляется возможность достоверного инструментального контроля напряженного состояния геологической среды.

Предлагаемый способ может быть использован в системах прогноза землетрясений и извержений вулканов, а также горных выбросов и может дать большой социальный и экономический эффект. (56) 1. Артюхов В. И. и др. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике. М. , Атомиздат, 1980, с. 9-25.

2. Авторское свидетельство СССР N 1236394, кл. G 01 V 1/00, 1984.

3. Гальперин Е. И. , Винник Л. П. , Петерсен Н. В. О модуляции высокочастотного сейсмического шума приливными деформациями литосферы. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1987, N 12, с. 102-109.

4. Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики, 1978, Л. : Судостроение, с. 224.

5. Беляков А. С. и др. Лунно-солнечные приливы и акустическая эмиссия во внутренних точках геофизической среды. Докл. АН СССР, 1990, т. 313, N 1, с. 53-54.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ, заключающийся в непрерывной регистрации сейсмоакустической эмиссии во внутренних точках среды, получении кривых интенсивности сейсмоакустической эмиссии и суждении по их ходу о напряженном состоянии геологической среды, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения напряженного состояния геологической среды, дополнительно проводят непрерывные наблюдения скорости изменения величины ускорения силы тяжести в исследуемом районе, обусловленные лунно-солнечным приливом, сопоставляют кривую хода интенсивности сейсмоакустической эмиссии и кривую скорости изменения ускорения силы тяжести и по величине коэффициента корреляции судят о напряженном состоянии геологической среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3