Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологии пассивного сейсмологического мониторинга афтершоков при проведении инспекции на месте в рамках контроля соблюдения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Каплан, Юрий Владимирович

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Деформирование массива вмещающих горных пород в результате проведения ПЯВ.

Глава 2. Полевые эксперименты.

2.1 Скважина №1.

2.2 Скважина №2.

2.3 Скважина №3.

2.4 Скважины N°4 и №5.

2.5 Штольня Мб.

2.6 Скважина №8.

2.7 Скважины М9 и Ml 0.

Глава 3. Физико-математическая модель эффекта афтершоковой эмиссии ПЯВ.

3.1 Форма сигнала.

3.2 Частотный диапазон.

3.3 Пространственное расположение источников афтершоков.

3.4 Энергия афтершоковой эмиссии.

3.5 Частота следования и длительность существования афтершоков.

3.6 Амплитуда афтершоков.

3.7 Магнитуда афтершоков.

3.8 Дополнительные источники афтершоков.

3.9 Активизация афтершоковых явлений и шумовой эмиссии.

3.10 Изменение микросейсмического фона.

3.11 Механизм возникновения афтершоков.

3.12 Краткое описание прямой задачи распространения афтершоков.

Глава 4. Применение технологии ПС при проведении Инспекции.

4.1 Аппаратура.

4.2 Анализ результатов штабных учений.

4.3 Этап поиска.7/

4.4 Этап локализации.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии пассивного сейсмологического мониторинга афтершоков при проведении инспекции на месте в рамках контроля соблюдения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний"

Актуальность проблемы. В настоящее время мировым сообществом ведется интенсивная работа по подготовке к вступлению в силу Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (далее по тексту - Договор или ДВЗЯИ).

Для того чтобы определить, действительно ли в нарушение Договора был произведен ядерный взрыв, Организацией ДВЗЯИ должна проводиться международная инспекция на месте (далее по тексту - Инспекция или ИНМ). В ходе Инспекции, в рамках оговоренных в Протоколе к Договору технологий, могут применяться: визуальные наблюдения и многоспектральная съемка; радионуклидные методы и методы газового анализа (отбор проб, гамма-мониторинг, гамма-спектрометрия и др.); геофизические методы (активная, пассивная и резонансная сейсмометрия, магнитометрия, гравиметрия, электрометрия и грунтопроникающие радарные измерения).

Одной из основных технологий Инспекции, согласно Протоколу к Договору, является «пассивный сейсмологический мониторинг афтершоков с целью локализации поискового района и содействия определению природы явления». Уникальность данной технологии заключается в том, что потенциально она позволяет осуществить поиск места скрыто проведенного подземного ядерного взрыва (ПЯВ) на большой площади, после чего локализовать ПЯВ, определяя не только его эпицентр, но и глубину. Кроме того, по максимальной амплитуде афтершоков и размеру облака рассеивания их очагов теоретически возможно оценить мощность ПЯВ, а по зависимости количества афтершоков от времени - время проведения ПЯВ. Использование афтершоков в качестве опорных сейсмических сигналов предоставляет гипотетическую возможность восстановить границы раздела и определить сейсмические скорости в вышележащих пластах, т.е. получить структурно-геологические данные, являющиеся необходимыми для многих технологий Инспекции. Наконец, существует возможность применения данной технологии для определения гипоцентра ПЯВ при отсутствии зарегистрированных афтершоков, используя фоновый микросейсмический шум.

Вторичную сейсмическую эмиссию, возникающую после проведения ПЯВ, активно изучали различные научно-исследовательские организации: ИФЗ им.О.Ю.Шмидта АН СССР, Институт Динамики Геосфер РАН, СРГЭ НПО «Нефтегеофизика» и МНТК «ГЕОС» МинГео СССР, 55-й институт МО, ВНИПИпромтехнологии и РФЯЦ-ВНИИТФ МинАтома, Lawrence Livermore National Laboratory (США), в меньшем объеме измерения проводились рядом других организаций.

Однако на сегодняшний день в мире не существует технологии пассивного сейсмологического мониторинга, обладающей перечисленными выше качествами и удовлетворяющей жестким требованиям, предъявляемых к Инспекции: большая исходная площадь поиска - до 1000 км , которая предоставляется по данным Международной системы мониторинга (МСМ); ограничения на время проведения и количество персонала; необходимость обеспечения эффективности технологии в условиях сложной геологической среды, а также возможного применения специальных мер сокрытия ПЯВ. Создание такой технологии весьма актуально, особенно для начальной, поисковой фазы Инспекции, во время которой Протоколом к Договору запрещено применение других геофизических технологий. Далее по тексту пассивный сейсмологический мониторинг афтершоков обозначается устоявшимся сокращением - ПС (пассивная сейсмометрия).

Цель работы - разработка технологии ПС для обоснования возможности контроля ДВЗЯИ путем проведения Инспекции на месте.

Направление и методы исследований. Предметом исследования является технология ПС. Объект исследования - вторичная сейсмическая эмиссия ПЯВ. При выполнении исследований использовался комплексный подход, основанный на парадигме объектно-ориентированного проектирования и включающий в себя проведение большого числа полевых наблюдений и экспериментов, системный анализ, методы математической статистики и компьютерное моделирование. Теоретической и методологической основой работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области геодинамики, пассивной сейсмометрии, теории обработки и регистрации данных, теории подземного взрыва. Информационную базу для аналитического анализа составили результаты собственных исследований остаточных сейсмических полей ПЯВ, а также материалы работ организаций, являющихся в данной области ведущими.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Полевые наблюдения и анализ остаточных сейсмических полей ПЯВ, а также подземных взрывов химических ВВ и землетрясений.

2. Физико-математическое моделирование афтершоковой эмиссии, вызванной проведением ПЯВ.

3. Разработка алгоритма применения ПС в соответствии с особенностями проведения Инспекции.

4. Разработка требований к оборудованию и анализ технических средств, пригодных для применения в рамках разрабатываемой технологии.

5. Отработка элементов технологии на компьютерных моделях и в полевых условиях.

6. Создание технологии ПС для инспекции на месте и разработка предложений по ее дальнейшему совершенствованию.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Применение интегрального динамического параметра афтершоковой эмиссии позволяет путем оптимизации сети наблюдений и эффективного использования ограниченного числа телеметрических каналов, а также за счет снижения влияния сейсмических помех и отказа от проблематичной высокоточной системы единого времени увеличить площадь поиска до 1000 км и при этом сократить время поиска до —20 дней.

2. Определение предложенных закономерностей афтершоковой эмиссии позволяет разделить эффекты подземного взрыва и других воздействий, а также оценить параметры подземного взрыва.

3. Использование афтершоков в качестве опорных сейсмических сигналов позволяет, путем решения трехмерной обратной кинематической задачи для слоисто-однородной модели, определить параметры вмещающей среды, тем самым повышая точность определения координат афтершоков.

4. Разработанные методические приемы выявления области аномальной шумовой микросейсмичности, связанной с ПЯВ, позволяют решать задачи ИНМ при недостаточном количестве или отсутствии афтершоков.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. Впервые обобщены, систематизированы и проанализированы результаты измерений афтершоковой и шумовой эмиссии, проведенных автором, а также другими российскими и зарубежными исследователями.

2. В отличие от существующих предложений по проведению ПС в ходе Инспекции, основывающихся на взглядах, доминирующих в глобальной сейсмологии, выдвинуты принципиально новые положения и алгоритм проведения крупномасштабного сейсмологического мониторинга, в том числе базирующиеся на принципах и математическом аппарате сейсморазведки. Так, на этапе поиска, вместо традиционного решения обратной кинематической задачи, предлагается использование комплексного динамического параметра афтершоковой эмиссии. На этапе локализации, в дополнение к традиционному исследованию распределения в среде активных источников - афтершоков, предлагается комплекс идей, направленных на сохранение эффективности технологии в осложненных геологических условиях и при недостаточном количестве или отсутствии афтершоков:

-малоглубинная скважинная регистрация высокочастотных (30 - 200 Гц) афтергиоков;

-методики выделения из микросейсмического фона полезных составляющих, в том числе связанных с переизлучением от неоднородностей, созданных ПЯВ;

-итерационный учет неоднородности нижнего полупространства при решении обратной кинематической задачи и восстановление геологического разреза с использованием афтершоков в качестве опорных сигналов;

-активизация сейсмической эмиссии путем закачки энергии в горный массив.

3. Предложен новый технологический процесс проведения ПС.

Практическая полезность и реализация результатов. Результаты, полученные в диссертации, являются научно-технической основой для успешного применения разработанной технологии при проведении международных Инспекций. Основные положения, сформулированные в работе, после обсуждений на заседаниях рабочих встреч международных экспертов по ИНМ, вошли в документ «Оперативное руководство для инспекций на месте» Подготовительной комиссии Временного технического секретариата Организации ДВЗЯИ (Приложение №1 к диссертации).

Научные результаты, полученные автором, используются в учебном процессе подготовки международных инспекторов ИНМ ДВЗЯИ. На курсах для кандидатов в международные инспектора ИНМ, проводимых Организацией ДВЗЯИ, автор прочел лекции: «Введение в пассивный сейсмологический мониторинг афтершоков», «Полевые эксперименты по пассивному сейсмологическому мониторингу афтершоков», «Физические основы и модель афтершоковой эмиссии».

Достоверность и обоснованность. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, подтверждены экспериментальными данными, полученными на реальных объектах ПЯВ, согласуются с известными положениями геодинамики, сейсмологии, физики ядерного взрыва и с известными работами российских и зарубежных исследователей остаточных сейсмических полей ПЯВ.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены непосредственно автором в результате 13-ти летнего личного участия в исследованиях. С 1989 г. автор осуществляет методическое руководство научно-исследовательскими работами РФЯЦ-ВНИИТФ в области пассивной сейсмометрии. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении ПС на объектах ПЯВ Семипалатинского испытательного полигона, а также на объектах мирных ПЯВ и подземных взрывов химических ВВ, произведенных на территории России и Казахстана.

Апробация работы. Основные положения разработанной автором технологии были доложены и обсуждены на российско-американских семинарах по ДВЗЯИ, проходивших в России (г.Обнинск и г.Снежинск) и на международных рабочих встречах экспертов по ИНМ ДВЗЯИ, проходивших в Австрии (г.Вена), Великобритании (г.Фарнборо) и Китае (г.Пекин), а также опробованы при проведении нескольких штабных и полевых международных учений по ИНМ.

Публикации: опубликовано 14 работ, раскрывающих основное содержание диссертации. Кроме того, по теме диссертации выпущено более 20 закрытых научно-технических отчетов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 1-го приложения; содержит 103 страницы текста, 19 иллюстраций, 9 таблиц и список литературы из 24 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Каплан, Юрий Владимирович

Основные результаты измерений следующие.

Регистрировались афтершоки с максимумом спектра на частотах 8-12 Гц, отдельные афтершоки - с резко повышенной частотой сейсмических колебаний: 5055 Гц.

В первые сутки афтершоки следовали с частотой 3-5 соб/час, первые 15 суток: 180 соб./сутки, 16-30 сутки: 80 соб./сутки, 31-45 сутки: 20 соб./сутки, 46-60 сутки -15 соб./сутки. Высокий уровень активности сохранялся в течение первых 12 суток (80-380 соб./сутки), затем активность уменьшилась до 18 событий в 16-е сутки, после чего вновь начала возрастать.

В плане центр облака рассеяния источников афтершоков совпадает с оголовком скважины.

2.4 Скважины №4 и №5

Скважина №4: глубина заложения 880 метров, суммарная мощность взрывов

8.5 кт. Вмещающие породы: пески, песчаники, глины, глинистый мергель.

Скважина №5: глубина заложения 830 метров, мощность взрыва 15 кт. Вмещающие породы: песчаники, глины, алевролиты. Вечная мерзлота.

Сейсмологические наблюдения на каждом объекте выполнялись на 28 точках с использованием 7 станций записи в течение 26 суток после проведения ПЯВ на Объекте №4 и в течение 24 суток на Объекте №5.

Схема расположения станций содержит элементы как профильной, так и площадной системы.

По 3 станции записи были установлены на профилях, проходящих через оголовки скважин ПЯВ. Каждая из этих станций регистрировала измерения 4-х сейсмоприемников, расположенных с шагом 250 м. Протяженность профиля составила 7.5 км на Объекте №4 и 5.0 км на Объекте №5. Выбор положения пунктов наблюдения осложнялся сплошной залесенностью участка Объекта №4 и заболоченностью участка Объекта №5.

По 4 станции записи окружали оголовки скважин ПЯВ. Каждая из этих станций регистрировала измерения 4 сейсмоприемников, удаленных в разные стороны от станции на расстояние 10 м.

Эксперименты по проведению пассивного сейсмологического мониторинга проводились, в основном, с использованием аппаратурного комплекса «КАРС-М». Частотный диапазон регистрации:

1-32 Гц до воздействия;

1-64 Гц после воздействия.

Динамический диапазон регистрации составлял 40 Дб.

Каждая станция записи регистрировала измерения четырех трехкомпонентных сейсмоприемников СК-1п с собственной частотой 1 Гц и коэффициентом преобразования 140 Вольт/(м/с).

Схема системы наблюдений для Объекта-4 приведена на рисунке 2.

На Объекте №4 регистрировались афтершоки с максимумом спектра на частотах 10-60 Гц, причем большинство афтершоков имело спектральные максимумы в диапазоне 25-50 Гц.

Всего было зарегистрировано 366 афтершоков. В первые сутки было зарегистрировано 224 афтершоков, а в следующие 25 суток - всего 142 афтершока. Уже на вторые сутки афтершоковая эмиссия уменьшилась почти на порядок. Далее количество афтершоков постепенно уменьшилось до 1 соб./сутки на десятые сутки. В последующие трое суток количество афтершоков существенно возросло до 79 соб./сутки, после чего вновь упало до 1-3 соб./сутки до конца наблюдений.

Форма записи афтершоков - простая, позволяющая на небольших удаленьях от источника уверено выделять вступления Р- и S-волн, с четкой и выразительной записью S-волны и четкой фазовой корреляцией Р-волн.

Эпицентр облака рассеивания источников афтершоков смещен на 470 м от оголовка скважины, а форма облака - линейно-вытянутая (200x1000 м ).

На Объекте №5 Регистрировались афтершоки с максимумом спектра на частотах 4-15 Гц.

Всего было зарегистрировано около 5 000 афтершоков.

В первые 14 суток регистрировалось 140-800 соб./сутки, в 17-24 сутки - всего 3 афтершока. При этом отмечались отдельные вспышки активности - так в течение 5-х и 6-х суток было зарегистрировано более 600 афтершоков. После 15 суток отмечается резкий спад активности, а за последние 8 суток наблюдений было зарегистрировано всего 3 афтершока.

Записи афтершоков отличались четкой фазовой корреляцией Р-волн.

В плане центр облака рассеяния источников афтершоков совпадает с оголовком скважины. Горизонтальная площадь облака источников афтершоков сравнительно мала и составляет 200x450 м2.

Примеры записей афтершоков приведены на рисунке 3, основные характеристики афтершоковой эмиссии - в таблице 7, а карты расположения очагов афтершоков - на рисунке 6.

-200 0 200 400 600м

Объект №4

9 10 11 12

21-24 25-28 т

Юголовок скважины

6 7 8

13-16

17-20

Рис. 2 Расположение пунктов наблюдений на Объекте №4

Рис. 3 Примеры записей афтершоков

Объект №4 point 21

Цена деления по оси X - ЮО ms time, ms

Заключение

В диссертации на основании выполненного исследования остаточных сейсмических полей ПЯВ научно обоснованы технологические разработки, обеспечивающие, в соответствии с положениями ДВЗЯИ, решение важных прикладных задач по обнаружению, локализации и идентификации скрыто проведенного ПЯВ. Получены следующие научно-технические результаты:

1. Центральная зона ПЯВ, характеризующаяся повышенной (на порядок и более) интенсивностью релаксационного процесса, совмещена с облаком рассеивания очагов афтершоков.

2. Наличие мощных структурных неоднородностей (разломов, тектонически ослабленных зон) вблизи ПЯВ может приводить к существенно неравномерному распределению очагов афтершоков в пространстве: линейная вытянутость облака рассеивания очагов (до 200x1000 м), смещение центра облака от оголовка скважины ПЯВ (до 470 м).

3. При проведении ПЯВ малой мощности (< 20 кт) низкочастотные афтершоки (<30 Гц) существуют: в прочных хрупко разрушаемых средах типа гранита - в течение нескольких месяцев; в аллювии и туфах - в течение первых недель; в пластичных горных породах (солях) - в большинстве случаев не были зарегистрированы.

4. На этапе поиска отказ от решения обратной кинематической задачи за счет использования вместо нее предложенного интегрального динамического параметра и применение предложенной схемы расстановки сейсмоприемников позволяют осуществить поиск аномальных зон сейсмической эмиссии на площади до 1000 км2 в течение, максимум, 20 дней с максимальной погрешностью -1700 м.

5. На этапе локализации применение предложенного алгоритма решения обратной кинематической задачи для слоисто-однородной среды с использованием афтершоков в качестве опорных сейсмических сигналов позволяет повысить точность нахождения координат очагов афтершоков и определить параметры вмещающей геологической среды.

88

6. Предлагаемая технология ПС позволяет идентифицировать факт проведения ПЯВ и оценить его мощность, время проведения и размеры созданных им зон разрушения. Оценка размеров зон разрушения и мощности ПЯВ может быть осуществлена на основе размеров облака рассеивания очагов афтершоков и максимальных амплитуд зарегистрированных афтершоков с использованием приведенных в работе эмпирических формул. Время проведения ПЯВ может быть оценено по временным характеристикам наблюденного афтершокового потока в соответствии с представленными в работе эмпирическими зависимостями.

7. Малоглубинная скважинная регистрация высокочастотных афтершоков, спектральная, томографическая и корреляционная обработка фоновых сейсмограмм, а также интенсификация микросейсмической эмиссии путем закачки в среду сейсмической энергии позволяет продлить время работоспособности технологии после проведения ПЯВ.

8. Разработанная технология ПС является работоспособной и оптимальной для использования при проведении международной ИНМ ДВЗЯИ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Каплан, Юрий Владимирович, Снежинск

1. Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). Подготовительная комиссия Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, 1996 г.

2. Б.И.Никифонтов и др. Подземные ядерные взрывы. «АТОМИЗДАТ», М.:1965 г.

3. Действие крупномасштабных взрывов в массиве горных пород. Отв.ред.

4. A.Н.Щербань. «Наукова думка», Киев: 1974 г.

5. Closman P.J. On the prediction of cavity radius produced by an underground nuclear explosion. J.Geophys.Res., v.74, num.15, 1969.

6. Ядерные испытания СССР. Том 2. Ред. группа во главе с академиком РАН

7. B.Н.Михайловым. «Begell-Atom, LLC", 1997 г.

8. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. «Недра», М.:1993 г.

9. Адушкин В.В., Спивак А.А. Необратимые проявления крупномасштабного подземного взрыва в неоднородной среде. Препринт ИФЗ им.О.Ю.Шмидта АН СССР, М.:1989 г.

10. Юревич Г.Г., Трофимов В.Д. Горная геомеханика глубинных взрывов. «Недра», М.:1980 г.

11. Эренбург М.С. и др. Отчет о работах II этапа по НИР «ИНСПЕКЦИЯ» за 1989 г. Министерсто геологии СССР. НПО «НЕФТЕГЕОФИЗИКА». СРГЭ. 3018. Техническая библиотека №3 РФЯЦ-ВНИИТФ, М:1990 г.

12. Ядерные испытания СССР. Том 1. Ред. группа во главе с академиком РАН В.Н.Михайловым. «ИздАТ», М.:1997 г.

13. Спивак А.А. Афтершоки мощного подземного взрыва в неоднородной среде. Доклады академии наук, 1993 г., том 329, №4.

14. Adushkin V.V., Spivak А.А. USE OF SEISMIC MICROARRAYS FOR ON-SITE INSPECTION MONITORING. Proceedings of the 19th Annual Seismic Research Symposium on Monitoring a Comprehensive Test Ban Treaty. 1997.

15. Адушкин В.В., Спивак А.А., Креков М.М. и др. Остаточные явления при крупномасштабных подземных взрывах. Известия АН СССР, Физика Земли №9 за 1990 г.

16. Steve Jarpe, Peter Goldstein and J.J.Zucca. Comporation of the Non-Proliferation Event Aftershocks with Other Nevada Test Site Events. Lawrence Livermore National Laboratory, Preprint, 1994.

17. Сейсмический мониторинг земной коры. Коллектив авторов под редакцией Николаева А.В. «Наука», М.:1986 г.

18. Adushkin У.У. and Spivak A. A. Characterization of the Aftershock Emission Caused Underground Nuclear Explosions. Journal of earthquake prediction research. (China -Russia) Volume 5, Number 4, 1996.

19. Albert T.Smith. APPLICATION OF AFTERSHOCK MONITORING TO AN ON-SITE INSPECTION: EQUIPMENT SPECIFICATIONS, PROCEDURES AND OPERATIONS. Subject leader presentation. OSI workshop-2, Vienna, 1998.

20. Проблемы геотомографии. Сборник научных трудов. Ответственные редакторы: Николаев А.В., Галкин И.Н., Санина И.А. «Наука», М.: 1997 г.

21. Садовский М.А. Естественная кусковатость горных пород. Доклады АН СССР. 1979 г. Т.274, №4.

22. Китов И.О. Сейсмические и акустические эффекты взрыва в геофизической среде. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. ИДГ РАН, М.: 1995 г.

23. Ногин В.Н., Щукин В.Н., Легоньков В.В., Сахаров Ю.А., Ивашкин Н.В., Каплан Ю.В. Российско-американские штабные учения по Инспекции на месте. Отчет о научно-исследовательской работе. Техническая библиотека №3 РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск:1998 г.

24. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. Matlab 5.0/5.3. Система символьной математики. «Новидж», М.:1999 г.

25. Сахаров Ю.А., Каплан Ю.В. и др. Геофизические технологии продолженного периода инспекции. Доклад на 7-ой рабочей встрече экспертов по ИНМ, Пекин, 2001 г.

26. Кузин Ф.А. Диссертация. Методика написания. Правила оформления. Порядок защиты. «ОСЬ-89», М.:2000 г.