Исследование и развитие метода микросейсмического зондирования

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 550.34Цуканов Алексей АлексеевичИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ МЕТОДАМИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯСпециальность 25.00.10 – Геофизика, геофизические методыпоисков полезных ископаемыхАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2010Работа выполнена на кафедре компьютерных методов физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудник Горбатиков Андрей Вениаминович,Институт физики Земли им.

О.Ю. Шмидта РАННаучный консультант:кандидат физико-математических наук,доцент Сердобольская Мария Львовна,Физический факультет МГУ им. М.В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,заведующий лабораторией Собисевич Алексей Леонидович,Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАНдоктор физико-математических наук,профессор Голубцов Петр Викторович,Физический факультет МГУ им.

М.В. ЛомоносоваВедущая организация:Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАНЗащита диссертации состоится «2» декабря 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.63 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу:119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, 1, стр. 2, Физический факультет, аудитория ЦФА, 2 этаж.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан «29» октября 2010 г.Ученый секретарьдиссертационного советаВ.Б. Смирнов-2-ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. В последнее время все большее внимание уделяется проблеме использования микросейсмического поляЗемли в качестве основного зондирующего сигнала.

Привлекательность использования микросейсм в данном качестве диктуется, покрайней мере, двумя обстоятельствами. Микросейсмический фон присутствует в каждой точке поверхности планеты и представлен в широкой полосе частот, что позволяет проводить исследования широкогодиапазона глубин в любой точке твердой поверхности. Полевые измерения требуют существенно меньших затрат ресурсов по сравнению страдиционными методами сейсморазведки.Большое количество исследований посвящено разработке методов оценки свойств земной коры на основе анализа микросейсмического шума в диапазоне 10-2 ÷ 102 Гц [Николаев, 1968; Винник, 1968; Asten, 1978; Sato, 1991].

Факт устойчивого влияния глубинных и поверхностных неоднородностей геологической среды на пространственное распределение параметров микросейсмического поляпозволяет использовать его для изучения свойств геологической среды. Основным механизмом образования микросейсм является передача через поверхность акваторий, а также через относительно ровныеобласти суши, лишенные особенностей рельефа, возмущений воздушных масс в атмосфере [Гутенберг, 1935]. Эти возмущения распространяются по твердой земле в виде сейсмических волн различных типов.Слабое затухание поверхностных волн по сравнению с объемнымиприводит к тому, что в дальней зоне источников преобладают волныповерхностного типа.

Как показывают измерения, микросейсмическийфон преимущественно представлен поверхностными волнами Рэлея иЛява. Исследование природы и свойств микросейсмического поля вотечественной науке связано с работами [Табулевич, 1963; Рыкунов,1967; Монахов, 1977].Существующие методы пассивной сейсмологии, использующиев качестве зондирующего сигнала микросейсмический фон Земли,можно разделить на две группы – дисперсионные методы и статистические методы. Дисперсионные методы основаны на восстановлениидисперсионной кривой поверхностных волн [Левшин, Яновская, 1986;Lobkis, Weaver, 2001; Ritzwoller, 2002; Snieder, 2004; Sabra, 2005; Shapiro, 2005].

Основой методов второй группы является зависимостьпространственного распределения статистических характеристикмикросейсмического поля от свойств геологической среды. В качестветаких характеристик могут использоваться любые устойчивые параметры волнового поля, например, амплитуда или центральная частотахарактерного пика в спектре, отражающего некоторые структурныеособенности залегающих пластов [Asten, 1978; Kanai, Tanaka, 1954].Развитие статистических методов связано с поиском способов мини-3-мизации влияния нестабильности источников микросейсмическогошума. В этом ключе можно выделить два направления – определениеи интерпретация спектральных отношений между опорной и исследуемой площадками, а также определение и интерпретация пространственного распределения спектрального отношения между вертикальной (V) и горизонтальной (H) компонентами поверхностной волны.На основе H/V-соотношения (так называемая эллиптичность) базируется широко используемый в мире метод, предложенный Накамура [Nakamura, 1989].

Данный метод был найден феноменологическии лишь позднее были получены некоторые теоретические результатыдля его обоснования [Malischewsky, Scherbaum, 2004].Настоящая работа посвящена разработке и реализации подходовк решению прямой и обратной задачи взаимодействия поверхностнойволны Рэлея с неоднородностями, размеры которых сравнимы с длиной волны или менее. Это явление используется в методе микросейсмического зондирования [Горбатиков, 2005], основанного на анализепространственных вариаций спектра локального микросейсмическогополя. Метод базируется на экспериментально проверенном предположении о том, что вертикальная компонента смещений в микросейсмическом шуме представлена в основном вертикальной компонентой смещения фундаментальной моды волны Рэлея и что источники микросейсм распределены в пространстве достаточно равномерно.Восстановление геологических неоднородностей производится на основе экспериментально полученных соотношений между глубинойзалегания неоднородности и частотой в спектре микросейсмическогосигнала.

Теоретического обоснования метода микросейсмическогозондирования до настоящего времени получено не было, поэтому оставался открытым вопрос о разрешающей способности метода и границах его применимости.Цель работы: 1) разработать численный алгоритм и комплекспараллельных программ для решения трехмерной задачи динамикиупругого неоднородного полупространства со свободной поверхностью; 2) изучить с помощью моделирования основные закономерности влияния структуры среды на вариации спектра поля фундаментальных мод волны Рэлея на поверхности в окрестности рассеивающей неоднородности; 3) провести моделирование метода микросейсмического зондирования и на основе численных экспериментов получить оценки точности и разрешающей способности метода, а такжеопределить границы его применимости; 4) предложить на базе результатов проведенных исследований новую модель формирования сигнала, более полно учитывающую особенности взаимодействия волн Рэлея с заглубленными неоднородностями; 5) предложить подходы крешению обратной задачи для уточненной модели в детерминированной и стохастической постановках.-4-Научная новизна работы заключается в том, что впервые начисленной модели проведено трехмерное моделирование процессоввзаимодействия поверхностных волн Рэлея с компактными заглубленными неоднородностями и исследовано формирование поля вариаций спектра мощности рэлеевских волн на поверхности вблизирассеивающих включений.

Проведены полевые измерения и сопоставление результатов численного и полевого экспериментов. Получена новая модель формирования сигнала, которая учитывает зависимость от глубины чувствительности и характера реакции амплитудыколебаний на поверхности в волне Рэлея определенной частоты.Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в основе моделирования фундаментальных законов физики и их прямых следствий, математически строгим решением рассматриваемых задач, а также сравнением полученных результатов сэкспериментальными данными и результатами, полученными в независимых исследованиях.Практическая ценность работы состоит в следующем.1. Достигнутые результаты позволили получить теоретическиеоценки характеристик метода микросейсмического зондирования, чтобудет использовано при обработке и интерпретации данных полевыхизмерений и для корректированной постановки новых экспериментов.2.

Предлагаемая модель формирования сигнала и новый подходк решению соответствующей обратной задачи будут использованы вкачестве модификации метода микросейсмического зондирования ибудут применяться для исследования глубинной структуры геологических объектов, поисков, разведки и мониторинга месторожденийполезных ископаемых, оценки механических свойств подземных инженерных сооружений и многого другого.3. Построенный алгоритм решения задачи динамики упругогонеоднородного полупространства реализован в виде программ на объектно-ориентированном языке C++ с использованием параллельнойтехнологии MPI, код имеет модульную структуру и снабжен комментариями, созданный программный комплекс допускает дальнейшееразвитие и дополнения.Основные результаты работы, выносимые на защиту (защищаемые положения):1. Создан комплекс параллельных программ с использованием технологии MPI, реализующий метод конечных разностей для решения трехмерной задачи динамики неоднородного упругого полупространства со свободной поверхностью.2.