АКУСТИКА СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДЫХ СРЕД. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 550.31:550.83.01
СЕЙСМИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В ЗОНАХ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
© 2014 г. И. А. Володин, И. Я. Чеботарева
Институт проблем нефти и газа РАН 119333 Москва, ул. Губкина 3 E-mail: irinache@inbox.ru Поступила в редакцию 16.09.2013 г.
Предложен и описан на основе современных методов математической физики сложный многоэтапный сценарий генерации сейсмической эмиссии в зонах техногенных разрушений и отдельных тектонических элементов. Показано, что основой механизма генерации является амплитудная неустойчивость возбужденных в результате энергетического воздействия на среду сейсмических огибающих высокочастотных акустических колебаний элементов геологической среды. Действие указанных механизмов иллюстрируется экспериментальными результатами мониторинга процесса гидроразрыва пласта методом эмиссионной сейсмической томографии.
Ключевые слова: структурно неоднородные среды, нелинейность и дисперсия, НУШ, модуляционная неустойчивость, сейсмическая эмиссия, эмиссионная сейсмическая томография, гидроразрыв пласта.
DOI: 10.7868/S0320791914050141
В 1983 г. в Государственный реестр открытий СССР внесено открытие Рыкунова Л.Н., Хав-рошкина О.Б. и Цыплакова В.В. "Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли". На основе анализа и обобщения большого объема экспериментальных данных было установлено, что "существует значимая связь между деформирующими Землю длиннопериодными процессами (в широком диапазоне периодов) и высокочастотными сейсмическими шумами (с частотами в десятки герц), проявляющаяся в закономерном синхронном длиннопериодному процессу изменении уровня (модуляции) последних" [1]. Экспериментальные исследования выявили связь высокочастотного шума с лунно-солнечными приливами, уровнем штормовых микро-сейсм, уровнем сейсмичности, собственными колебаниями Земли, отмечено стимулирующее действие экзогенных источников, особенно в тектонически активных районах, — культурного шума, вибровоздействий [2]. Авторы открытия связали обнаруженное явление с сейсмоакустической эмиссией глубинных источников, для чего имелись веские основания, базирующиеся на экспериментальных результатах многих исследователей, которые нельзя было объяснить в рамках традиционных представлений о механизмах генерации сейсмического фона (шума) только экзогенными источниками.
Несмотря на долгую историю наблюдения сейсмических эмиссионных эффектов, начавшуюся еще в позапрошлом веке, ясности в механиз-
мах генерации до сих пор нет. С этим отчасти связана путаница в терминологии. Сейсмическая эмиссия является пространственно-когерентной составляющей сейсмического фона, обычно очень слабой составляющей. Используемые термины: высокочастотные сейсмические шумы, сейсмическая эмиссия, сейсмоакустическая эмиссия, акустическая эмиссия, геоакустические шумы, импульсные колебания волнового типа и прочее, — часто обозначают не собственно сейсмическое эмиссионное излучение, а его смесь с сейсмическим шумом или вообще другие эффекты [3]. Более того, в отечественной и зарубежной литературе сейсмической эмиссией называют существенно разные явления. Авторы открытия [1] к сейсмической эмиссии относят излучение, чувствительное к деформационным воздействиям и наблюдаемое в полосе частот от десятков до сотен герц [3]. В зарубежной литературе, при кажущейся ясности механизма генерации, толкование термина иное. Под сейсмической эмиссией понимают очень слабые микроземлетрясения. Например, "сейсмическую эмиссию" — микроземлетрясения при гидроразрыве пласта (ГРП) связывают с процессом диффузии жидкости через стенки трещины во вмещающий массив пород: проникновение жидкости приводит к увеличению порового давления, к локальному снижению прочности и, как следствие, к сдвиговой микроподвижке, сопровождаемой микроземлетрясением [4, 5]. При этом микроземлетрясения регистрируются в скважине на глубине ГРП на частотах в несколько сотен герц. Представления
4
505
наших зарубежных коллег о явлении сейсмической эмиссии нельзя признать совершенными. Отечественные исследователи также считают, что флюидные процессы сопровождаются сейсмической эмиссией. Однако они уверенно локализуют с помощью различных методов фокусирующей корреляционной обработки [6, 7] область флюидной активности не по импульсным, а по шумоподоб-ным сейсмическим фоновым колебаниям с регистрацией на поверхности и на гораздо меньших частотах, в десятки герц.
Генерацию эндогенной сейсмической эмиссии в существующих гипотезах связывают с процессом трещинообразования и разрушением горных пород под действием естественного или техногенного поля напряжений, а также рассматриваются различные нелинейные модели, связанные с трением, модификацией систем трещин и дислокаций, флуктуациями объема и давления при перестройке многомасштабной блоковой структуры, усталостные и термофлуктуационные процессы [2, 8—16]. Теоретические разработки механизмов на базе методологии коллективных движений и нелинейных взаимодействий системы физических полей различной природы, которые обмениваются энергией между собой и с накопленной энергией геофизической среды, изложены в работах [17, 18]. Надо отметить, что многие авторы ограничиваются качественным описанием механизмов. При этом не акцентируется внимание на то, что образование микротрещин, пластические течения, автоколебания микрообъемов вблизи дефектов структуры, проскальзывание с трением по границам зерен и их разрушение сопровождаются излучением в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах. Так как само явление сейсмической эмиссии уверенно регистрируется в герцовом диапазоне, должны быть рассмотрены механизмы перекачки акустической энергии в низкочастотный, сейсмический диапазон. Желанием понять механизмы взаимодействия эмиссионного излучения в различных частотных диапазонах и инициирована данная работа.
В геофизике моделью массива горных пород является иерархически устроенная многомасштабная блочная геосреда, обладающая нелинейностью и энергонасыщенностью [19—25]. Энергонасыщенность среды обеспечивается наличием внутренних, структурных напряжений. Сейсмическая эмиссия под воздействием природных и техногенных деформационных процессов рассматривается как проявление собственной активности энергонасыщенной геосреды.
Близкая по свойствам модель среды используется в новом развивающемся направлении механики — физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред [26—30]. Деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая самоорганизующаяся система. Согласно
принципам мезомеханики, деформацию твердого тела можно описать только в рамках многомасштабной модели, в которой пластические течения развиваются самосогласованно как эволюция потери сдвиговой устойчивости от микро- к макроуровню через ряд промежуточных масштабов — мезоуровней. Элементами мезоуровней являются зерна, конгломераты зерен, деформационные домены, поры и пр. На каждом уровне процессы развиваются по своим закономерностям, но они взаимосвязаны. При этом формируются диссипа-тивные субструктуры, вызванные необходимостью многоуровневой самоорганизации иерархически организованной системы мезообъемов в соответствии с заданными граничными условиями. Особая роль уделяется внешним поверхностям и внутренним границам раздела: они рассматриваются не просто как планарные дефекты, а как функциональные подсистемы, с которыми связаны концентраторы напряжений различных масштабов и в которых развиваются локализованные пластические течения. Последними обуславливается возникновение и распространение в кристаллическую подсистему всех типов деформационных дефектов.
Теоретические положения мезомеханики получили блестящее экспериментальное подтверждение, в частности, при исследовании механизмов деформации, разрушения и изнашиваемости поверхности и интерфейсов металлических материалов [31]. Геоматериалы в условиях их естественного залегания существенно отличаются от металлов по структурным особенностям и форме нагружения. Геоматериалы часто осложнены большим количеством пор и трещин разного масштаба, содержат флюид, водный или иного состава, который не только изменяет литостатическое давление, но ведет себя как поверхностно-активное вещество. Горный массив находится в состоянии всестороннего сжатия, сложного напряженного состояния, что является важной особенностью его деформирования. Однако некоторые положения мезоме-ханики, важные для темы данной статьи, видимо, являются универсальными.
В геофизике также осознана особая роль внутренних границ. Как и в мезомеханике, с ними связывается зарождение деформационных дефектов — хорошо известен факт приуроченности очагов землетрясений к местам сочленения пород с контрастными физико-механическими свойствами и к плоскостям разломов. Межблочные границы всех уровней являются зонами концентрации дефектов структуры. При этом трещины, разломы, межблочные швы традиционно рассматриваются не просто как нарушения сплошности массива пород, а как способ приспособления горного массива к высокоамплитудным деформациям в поле действующих сил и как активные области массопереноса, геохимических
и геофизических процессов [19, 20, 22, 32—37]. За счет межблочных границ в значительной степени обеспечивается высокая деформационная способность многомасштабной системы блоков. В свою очередь, подвижность границ создает условия для тектонической и метаморфической переработки пород и еще более увеличивает степень дискретности заполнения межблочных контактов. Последнее время особое внимание уделяется внутренним границам микроструктурного уровня, с которыми связана "неклассическая", структурно обусловленная нелинейность горных пород [38-43].
При рассмотрении механизмов генерации сейсмической эмиссии интерес вызывают внутренние границы раздела всех масштабных уровней и процессы, развивающиеся в приграничных зонах. При скважных наблюдениях [44-47] обнаружено, что повышение уровня сейсмического шума как в тектонически активных, так и пассивных областях соответствует горизонтам дробления и повышенной трещиноватости горной породы, разломам и другими на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.