ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 5, с. 105-120
УДК 550.34
СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЙ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА ПО ДАННЫМ СКВАЖИННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА БИШКЕКСКОМ ГЕОДИНАМИЧЕСКОМ ПОЛИГОНЕ © 2014 г. А. С. Закупин1, Л. М. Богомолов2, В. А. Мубассарова1, П. В. Ильичев1
Научная станция Российской академии наук, г. Бишкек, Киргизия 2Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск, Россия
E-mail: dikii79@mail.ru Поступила в редакцию 05.06.2012 г. После доработки 09.07.2013 г.
Представлены результаты регистрации сейсмоакустической эмиссии (САЭ) в скважинах Бишкекско-го геодинамического полигона (Тянь-Шань, Киргизия). Исследована спектральная структура сигналов САЭ и особенности вариаций интенсивности САЭ при проведении электромагнитных зондирований земной коры с помощью мощной электроразведочной генераторной установки (ЭРГУ-600-2). Статистические методы обработки записей САЭ адаптированы применительно к задаче выявления взаимосвязей с воздействием зондирующих импульсов тока, т.е. вкладом энергии в геосреду. Обнаружена реакция среды на сеансы электромагнитного зондирования, проводимые для мониторинга кажущегося электрического сопротивления горных пород. Реакция среды проявляется в виде прироста интенсивности САЭ (откликов на импульсы тока, возбуждаемые при этих зондированиях). Отклики САЭ относятся к той же группе эффектов — признаков внешнего влияния на деструкцию среды, — что и вариации сейсмичности в период пусков геофизических МГД-генераторов 1983—1989 гг. или экспериментальных зондирований 2000—2005 гг. Источники сигналов САЭ находятся на небольшой глубине по месту расположения геофона. Этим обусловлено различие между вариациями интенсивности САЭ и микросейсмичности при откликах на одно и то же воздействие.
Ключевые слова: сейсмоакустическая эмиссия, геофон, скважина, электромагнитные зондирования, спектр САЭ.
DOI: 10.7868/S000233371404019X
ВВЕДЕНИЕ
Влияние мощных импульсов электрического тока на процесс деструкции земной коры было установлено в работах [Тарасов, 1997; Тарасов и др., 1999] по данным об изменениях сейсмической активности (суточного числа событий Мв) на территории Гармского и Бишкекского полигонов после пусков геофизических МГД-генерато-ров. Последующие работы [Богомолов и др., 2005; Сычев и др., 2008; 2010; Турунтаев, Мельчаева, 2010; Смирнов, Завьялов, 2012] показали, что аналогичный эффект имеет место и при глубинных зондированиях с применением электроимпульсного источника (установки ЭРГУ-600-2). Во всех случаях устойчивые корреляции между кратковременным приростом N и электровоздействиями отмечались при зондированиях земной коры однополярными импульсами тока с достаточно большим вкладом энергии в геосреду. Используемый в предыдущих работах термин "энерговоздействие" (ЭВ) призван подчеркнуть это обстоятельство. Режим зондирований однополярными
импульсами тока, реализованный на Бишкекском полигоне с источником ЭРГУ-600-2 в период 2000—2005 гг., будем называть экспериментальным [Сычев и др., 2010].
Основной вклад в "синхронизацию" потока сейсмических событий с внешними ЭВ вносят вариации N после воздействия однополярных импульсов относительно большой длительности (свыше 9 с, согласно [Сычев и др., 2010; Богомолов и др., 2011]). В проведенной серии зондирований с помощью установки ЭРГУ-600-2 амплитуда тока не менялась, так что для таких длинных импульсов перенос заряда достигает максимальных значений. Эти результаты могли бы свидетельствовать об электрокинетических явлениях как ключевом звене механизма возбуждения откликов сейсмической активности. Стоит отметить, что "тонкие" эффекты электрокинетики сами по себе приводят лишь к изменению в движении жидкости в коллекторах. Но вторичные эффекты: смачивание контактирующих поверхностей отдельных блоков, поступление воды к устьям трещин вполне могут быть триггерами для подвижек на раз-
ных масштабах длин. Чувствительность трещино-образования в геоматериалах даже к небольшому увлажнению была продемонстрирована в экспериментах на образцах [Соболев и др., 2006].
Для лучшего понимания механизма формирования сейсмических откликов с задержкой после ЭВ представляют интерес измерения сейсмоаку-стической эмиссии в непосредственной близости от водоносных горизонтов при прохождении импульсов тока того же самого источника (ЭРГУ-600-2). Такие измерения проведены с помощью высокочастотных сейсмоприемников (геофонов), установленных в скважинах на территории Бишкекского геодинамического полигона (БГП). Источниками сигналов сейсмоакустической эмиссии (САЭ) в частотном диапазоне свыше 100 Гц являются подвижки при переупаковке зерен, растущие трещины, динамические явления при фильтрации жидкости (прорывы перегородок и т.п.). Все эти явления можно охарактеризовать как неупругие деформации неоднородной среды. Характерные размеры источников САЭ — от нескольких сантиметров до нескольких метров [Gregori et al., 2002; Paparo et al., 2002].
Сейсмоакустические сигналы изучались при расположении геофонов как у дневной поверхности [Беляков и др., 1999; 2002; Горбатиков и др., 2001; Закупин, 2010], так и в глубоких скважинах [Sharpe, 1942; Horton, 1943]. В работах [Гаврилов и др., 2006; Виноградов и др., 2009; Горбунова и др., 2009] обращено внимание, что геофлюидные системы (в частности, водозаполненные скважины) обладают особыми акустическими свойствами (аномальная дисперсия, низкие фазовые скорости), связанными с возможностью распространения в них интерфейсных волн. В предшествующих работах, за исключением [Гаврилов и др., 2006; Gavrilov et al., 2008], скважин-ные измерения САЭ связывались с такими динамическими факторами, как взрывы или вибросейсмические источники, но не с электромагнитными полями.
Отклики эмиссионных сигналов (вариации сейсмической и акустоэмиссионной активности) на воздействие электромагнитных импульсов были зарегистрированы и на километровом, и на сантиметровом масштабах [Сычев и др., 2008; Богомолов и др., 2011]. Естественно предположить наличие откликов среды и на промежуточном (условно, метровом) масштабе. Предварительные результаты о чувствительности сейсмоакустиче-ской (геоакустической) эмиссии к электромагнитным воздействиям изложены в работе [Гаврилов и др., 2011]. Вопрос о влиянии зондирующих импульсов тока на САЭ требует более детального исследования, составной частью которого являются методические вопросы: совершенствование аппаратуры для непрерывной регистрации САЭ
при воздействиях внешних ЭМ полей, разработка и совершенствование алгоритмов и методик распознавания откликов САЭ. Задача настоящей работы — установить взаимосвязь между параметрами потока сигналов САЭ и сеансами глубинных зондирований земной коры на территории БГП биполярными импульсами тока, генерируемых установкой ЭРГУ-600-2 и подаваемых в зондирующий диполь [Волыхин и др., 1993].
Необходимо пояснить, каким образом эта задача увязывается с исследованиями возможности контролируемого воздействия на сейсмичность (согласно постановке вопроса в работах [Тарасов и др., 1999; Сычев и др., 2008; 2010]). В большинстве работ биполярные импульсы установки ЭРГУ-600-2 (т.е. обычные зондирования для мониторинга кажущегося сопротивления [Волыхин и др., 1993]) не рассматривались в качестве модельных воздействий, которые могут оказывать триггерное влияние на сейсмичность. Из-за особенностей расписания этих зондирований (каждый рабочий день проводится 6 сеансов длительностью около 15 мин) выделить эффекты, связанные с биполярными импульсами, значительно сложнее, чем, к примеру, отклики на пуски МГД-генераторов. Тем не менее, в недавних работах [Сычев и др., 2008; 2010; Богомолов и др., 2011] обращено внимание на признаки определенного влияния биполярных импульсов на поток событий слабой сейсмичности. Влияние этих импульсов может проявляться на различных масштабных уровнях, в том числе и в диапазоне частот и характерных размеров источников САЭ. Поэтому гипотеза о вариациях САЭ в течение и (или) после обычных сеансов зондирований ЭРГУ-600-2 правомерна и не выпадает из контекста исследований триггерных эффектов от импульсов тока в геосреде. Проведение прямого эксперимента с однополярными импульсами тока (выше упоминалось, что они наиболее эффективны) запланировано на следующей стадии исследований.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
Для измерения сейсмоакустической эмиссии (геоакустической эмиссии, по терминологии работ [Gavrilov et al., 2008; Закупин, 2010]) в скважинах в НС РАН были разработаны и изготовлены герметичные зонды, в которых располагаются трехком-понентные пьезокерамические датчики (геофоны) А1638 производства ЗАО "Геоакустика" [Geoacous-tics, 2009]. Акустический контакт датчиков с цилиндрической стенкой зонда обеспечивается полуцилиндрической прокладкой-волноводом. Исследовательский зонд прижимается к обсадной трубе скважины упругим элементом (рессорой).
Рис. 1. (а) — Структурно-функциональная схема сейсмоакустического измерительного комплекса: 1 — скважинный герметичный зонд; 2 — трехкомпонентный геоакустический сейсмоприемник; 3 — блок кабельных усилителей (три независимых канала); 4 — кабельная линия связи; 5 — катушка для кабеля с лебедкой; 6 — блок основных усилителей-фильтров (три независимых канала); 7 — блок аналого-цифрового преобразования; 8 — полевой персональный компьютер (№Пэоок);
(б) — герметичный сейсмоакустический зонд, общий вид: КУ — платы кабельных усилителей; КЗ — корпус герметичного зонда.
Аппаратурное обеспечение измерений САЭ
На рис. 1а представлена структурно-функциональная схема сейсмоакустического измерительного комплекса.
Аппаратура комплекса состоит из двух частей: наземной и опускаемой в скважину. Скважинная часть аппаратуры, состоящая из датчика сигналов и блока кабельных усилителей, размещается непосредственно в зонде (рис. 1б). С наземной частью опускаемый в скважину зонд соединяется электрически с помощью специального многожильного экранированного кабеля длиной до 200 м. Сейсмоприемник обеспечивает преобразование сейсмических сигналов в электрическое напряжение, пропорциональное величине колебательного ускорен
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.