Способ контроля объемно-напряженного состояния среды в сейсмоопасном регионе


 


Владельцы патента RU 2487375:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) (RU)

Изобретение относится к области геофизики, а также к области физики космических лучей и может быть использовано при контроле объемно-напряженного состояния среды (ОНС) в сейсмоопасной области и прогнозе сильных землетрясений. Согласно заявленному решению в дополнение к непрерывному контролю сейсмоакустической эмиссии (САЭ) во внутренних точках среды производят наблюдения в частотно и пространственно разнесенных каналах, регистрацию широких атмосферных ливней (ШАЛ) и мюонов. Устанавливают корреляцию времени прихода ШАЛ и мюонов с временем прихода сигналов САЭ, а также определяют локализацию источников САЭ. Об ОНС среды судят по амплитудам, спектрам и частоте следования во времени сигналов САЭ в фоновом режиме и сигналов САЭ, индуцированных мюонами. Признаком приближающегося землетрясения является характерное для данного региона поведение амплитуды и спектра САЭ и увеличение частоты следования во времени сигналов САЭ. Технический результат: повышение точности прогнозирования катастрофических явлений.

 

Изобретение относится к области, с одной стороны, геофизики, а с другой, - к физике космических лучей (регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) и мюонов).

В настоящее время установлено, что из будущих очагов землетрясений хорошо распространяются деформационные процессы, которые приводят к образованию зон поверхностной дилатансии размером до сотен километров [1, 2]. В результате на больших расстояниях от очага готовящегося землетрясения формируется отклик породы на динамическую локальную перестройку структуры, и он сопровождается испусканием импульсов высокочастотных акустических и сейсмических (микросейсмы) волн как из-за образования микроразломов и трещин, так и из-за подвижек в существующих разломах. Наблюдаемые сигналы высокочастотной геоакустической эмиссии из-за большого затухания не распространяются из далекого очага готовящегося землетрясения, а генерируются в непосредственной близости от места наблюдения под действием деформационных сил.

Также известно [3], что мюоны высоких энергий, производя каскад в сейсмически активной среде, могут быть триггером для раскрытия мелких трещин с испусканием звука и сейсмических волн с характерными частотами, доходящими до первых десятков килогерц. Амплитуда и спектр сигнала определяются как свойствами среды (величиной упругого напряжения) в месте локализации мюонного каскада, так и его параметрами. Из-за большого затухания высокочастотных сейсмоакустических волн в горных породах спектр сигнала практически ограничен 15 кГц [1, 2]. Важно, что мюоны высоких энергий могут проникать на глубины до 10 км и более, а индуцированное сейсмоакустическое излучение может использоваться для оценки объемно-напряженного состояния среды (ОНС). Наиболее удобно использовать мюонные пучки от широких атмосферных ливней (ШАЛ).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ скважинной сейсмической разведки [4], заключающийся в непрерывной регистрации сейсмоакустической эмиссии (САЭ) во внутренних точках среды, получении кривых интенсивности сейсмоакустической эмиссии и суждении по их ходу о состоянии геологической среды. Недостатком известного способа [4] является невысокая достоверность и надежность измерений ОНС, являющаяся следствием того, в способе [4] используется только пассивная регистрация сейсмических волн в одном канале и в одной скважине.

Задачей, решаемой изобретением, является создание надежного инструментального способа контроля, использующего наряду с пассивным мониторингом, еще и активное зондирование среды мюонами космических лучей для повышения достоверности. Достоверность предлагаемого способа контроля обеспечивается использованием эффекта сейсмоакустической эмиссии, вызываемой мюонами высокой энергии, поскольку по характеристикам сейсмического и акустического излучений можно судить об особенностях ОНС, характеризующих приближение к моменту землетрясения.

Задача решается следующим образом. 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, дополнительно проводят непрерывный мониторинг потока мюонов высоких энергий с помощью мюонного телескопа (МТ) и установки по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). Кроме того, производится мониторинг сейсмической и акустической эмиссий сейсмоопасной среды в нескольких широкополосных каналах в полосе частот 20-5000 Гц, а также частотно (несколько частотных каналов) и пространственно (несколько скважин) разнесенных акустических и сейсмических каналах. Локализация источника САЭ производится методом триангуляции по временным задержкам прихода импульсного сигнала в разных каналах, и устанавливается временная корреляция между мюонным и акустическим и сейсмическим сигналами в разных диапазонах частот. ОНС и его эволюция во времени на стадии подготовки землетрясения определяется по амплитудам, спектрам и частоте следования во времени сигналов САЭ в фоновом режиме и сигналов САЭ, индуцированных мюонами, так что признаком приближающегося землетрясения является характерное для данного региона поведение амплитуды и спектра САЭ и увеличение частоты следования во времени сигналов САЭ. Указанная полоса частот 20-5000 Гц перекрывает акустические и сейсмические моды отклика среды, что подтверждено в экспериментах [1, 2]. Использование более высоких частот из-за сильного их затухания вряд ли целесообразно из экономических соображений, так как требует большего числа более плотно расположенных скважин. Сочетание пассивного и активного мониторинга среды позволяет повысить достоверность и надежность контроля ОНС по сравнению с прежними методами. При дальнейшем развитии новый метод в перспективе может привести к появлению нового метода краткосрочного прогноза землетрясений.

Предложенный способ позволяет использовать относительно глубокие скважины, что дает возможность исследования глубоких слоев (глубина до нескольких км) земной коры, максимально приближенных к очагу землетрясения, что исключает маскирующую роль приповерхностных (например, осадочных) слоев. Тем самым использованная глубокая проникающая способность мюонов повышает достоверность информации об ОНС. Наконец, использование частотно разнесенного приема сигнала позволяет увеличить чувствительность установки с целью повышения контролируемого объема среды и контроля максимально близкой к очагу землетрясения области.

Приведем расчетный пример, показывающий реальную возможность зарегистрировать отклик сейсмически активной среды на воздействие мюонами высоких энергий. Рассмотрим такую схему регистрации САЭ, индуцированного каскадом от мюона с энергией более 1015 эВ на глубине порядка 1 км в САС, находящейся в напряженном состоянии. Такое энерговыделение в цилиндре радиусом 5 см и длиной порядка 1 м может служить триггером для раскрытия трещины размером порядка 1 см и более. Примем консервативную оценку выделенной упругой энергии реальной трещины в горной породе на уровне 1% от типичной энергии хрупкого разрушения Етр0l3, здесь σ0 - напряжение разрушения, а l - размер трещины. Положим σ0=1010 дин/см2 и l=1 см, тогда получим выделенную упругую энергию Emp=108 эрг. Эту энергию нужно подставить в формулу [3]

d E / d s d f = 2 10 39 f 2 E m p 2 exp ( f 2 / f 0 2 ) exp ( 2 γ R ) / 4 π R 2

Здесь энергия Е измеряется в джоулях, площадь s - в см2, частота f - в Гц, энергию трещины Emp надо подставлять в ГэВ (109 эВ), R - расстояние от трещины до приемника САЭ (полоса приема 20-5000 Гц), коэффициент затухания γ зависит от частоты и на средней частоте 2500 Гц принимается γ≈0,15 м-1 в соответствии с экспериментальными данными. Частота f0 обрезания спектра для трещины 1 см составляет около 500 кГц. Интегрирование энергии по спектру приближенно дает dE/ds=3·10-21 Дж/см2. С учетом диаграммы направленность акустического излучения трещины в благоприятных направлениях может быть несколько больше. Эту энергию САЭ надо сравнивать с энергией шумового излучения, минимальное значение которого в области частот порядка 1 кГц приведено в [3] и составляет 3·10-21 Дж/см2. Превышение минимальных шумов на 20 дБ можно считать достаточным запасом для регистрации САЭ чувствительными приемниками. В менее благоприятных условиях больших шумов повышается вероятность раскрытия более крупных трещин и увеличения полезного сигнала, так как больший уровень шума связан с большей плотностью и большим размером микротрещин в среде.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа состоит в том, что появляется возможность более достоверного инструментального контроля ОНС. Предлагаемый способ может быть использован в системах прогноза землетрясений и может дать большой социальный и экономический эффект.

Источники информации

1. Геоакустическая локация областей подготовки землетрясений. В.А.Гордиенко, Т.В.Гордиенко, А.В.Купцов и др. // Докл. Акад. наук. - 2006. - Т.407. - №5. - С.669-672.

2. Купцов А.В., Ларионов И.А., Шевцов Б.М. Особенности геоакустической эмиссии при подготовке камчатских землетрясений // Вулканология и сейсмология. - 2005. - №5. - С.45-59.

3. В.А.Царев, В.А.Чечин, Атмосферные мюоны и высокочастотные сейсмические шумы, Препринт ФИАН №179, 1988. 26 с.

4. Авторское свидетельство СССР № 1236394, кл. G01V 1/00, 1984.

Способ контроля объемно-напряженного состояния среды (ОНС) в сейсмоопасном регионе, заключающийся в непрерывной регистрации сейсмоакустической эмиссии (САЭ) во внутренних точках среды, получении кривых интенсивности сейсмоакустической эмиссии и суждении по их ходу о напряженном состоянии геологической среды, отличающийся тем, что дополнительно проводят непрерывный мониторинг потока мюонов высоких энергий с помощью мюонного телескопа (МТ) и установки по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ), сейсмическая и акустическая эмиссия сейсмоопасной среды мониторируется в нескольких широкополосных с полосой 20-5000 Гц, а также частотно (несколько частотных каналов) и пространственно (несколько скважин) разнесенных акустических и сейсмических каналах, производится локализация источника акустической и сейсмической эмиссии (САЭ) методом триангуляции по временным задержкам прихода импульсного сигнала в разных каналах, устанавливается временная корреляция между мюонным и акустическим и сейсмическим сигналами в разных диапазонах частот, и ОНС и его эволюция во времени на стадии подготовки землетрясения определяется по амплитудам, спектрам и частоте следования во времени сигналов САЭ в фоновом режиме и сигналов САЭ, индуцированных мюонами, так что признаком приближающегося землетрясения является характерное для данного региона поведение амплитуды и спектра САЭ и увеличение частоты следования во времени сигналов САЭ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газогеохимическим способам разведки полезных ископаемых и может быть использовано для выявления перспективных нефтегазоносных объектов и зон улучшенной трещинной проницаемости геологического разреза в пределах акватории.
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для прогнозирования землетрясений. .

Изобретение относится к области геохимии и может быть использовано для поисков нефти и газа. .

Изобретение относится к области нефтяной геологии и может быть использовано для поиска газовых залежей. .

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для долгосрочного и среднесрочного прогноза сильнейших землетрясений. .
Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для защиты промышленных и бытовых объектов от землетрясения. .

Изобретение относится к области геохимической разведки и может быть использовано при поиске нефтяных и газовых месторождений. .

Изобретение относится к геоэкологии и может быть использовано для выявления и оценки загрязнения, разработки рекомендаций для снижения опасных концентраций тяжелых металлов и токсичных элементов в труднодоступных местах окружающей среды.

Изобретение относится к геоэкологии и может быть использовано для выявления источников загрязнения, разработки рекомендаций для снижения опасных концентраций тяжелых металлов и токсичных элементов в окружающей среде по широкому комплексу компонентов.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при мониторинге катастрофических явлений, например землетрясений. .

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может найти применение при определении нефтенасыщенных пластов в разрезе скважины. .
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при поиске и разведке залежей углеводородов в осадочной толще древних платформ, имеющей в средней части разреза траппы.

Изобретение относится к комплексам для осуществления морской геофизической разведки. .

Изобретение относится к геофизическим методам разведки. .

Изобретение относится к способам обследования морских объектов и может быть использовано для измерения параметров полей (например, электромагнитных, тепловых, акустических, радиационных) крупногабаритных морских объектов.

Изобретение относится к области обработки геофизических данных и может быть использовано для распознавания структуры залежей геологических пластов. .

Изобретение относится к области геофизических исследований, в частности к области сейсморазведки, и может быть использовано для определения мест заложения эксплуатационных скважин при разработке месторождений углеводородов.

Изобретение относится к области геохимической разведки и может быть использовано при поиске нефтяных и газовых месторождений. .

Изобретение относится к устройствам для подводных геофизических исследований морей и океанов. .

Изобретение относится к области контроля за разработкой нефтяных месторождений и может быть применено при термических способах разработки нефтяных залежей. .

Изобретение относится к методам поисков и разведки месторождений алмазов и может быть использовано при проведении поиска площадей алмазоносных туффизитов
Наверх