Структура и динамика геосреды в шумовых сейсмических полях, методы и экспериментальные результаты

Чеботарева, Ирина Яковлевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Структура и динамика геосреды в шумовых сейсмических полях, методы и экспериментальные результаты
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Структура и динамика геосреды в шумовых сейсмических полях, методы и экспериментальные результаты"

российская академия наук

институ т проблем нефти и газа

504

Чеботарёва Ирина Яковлевна

СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ В ШУМОВЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ПОЛЯХ, МЕТОДЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Специальность:

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва, 2011 1 4 ИЮ/1 2011

4851504

Работа выполнена в Институте проблем нефти и газа РАН

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Доктор физико-математических наук Доктор физико-математических наук

В. В. Калинин А.А.Любушин И. А. Санина

Ведущая организация:

Московский государственный горный университет

Защита состоится «29» сентября 2011 г. в 11 часов 00 минут

на заседании диссертационного совета Д002.050.01 при Институте динамики

геосфер РАН по адресу: 119334, Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института динамики геосфер РАН.

Автореферат разослан «2-2» им2К& 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д002.050.01

Рыбаков В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее время во всем мире активно развиваются пассивные сейсмические методы исследования геосреды, что стимулируется их применением на месторождениях полезных ископаемых. Преимущество пассивных методов - экологическая чистота, меньшие затраты ресурсов по сравнению с активными методами, возможность наблюдения невозмущенного состояния среды, возможность непрерывного контроля в реальном времени. За рубежом под пассивными методами, в частности, под эмиссионной сейсмической томографией, понимают использование сигналов очень слабых местных и региональных землетрясений для определения скоростной модели, анизотропии скоростей, механизма очага и локализации фронта разрушения с локализаций источников и определением времен событий традиционными способами [Duncan et al, 2008]. При использовании более низкоэнергстических сейсмических источников, связанных с процессом разработки месторождений углеводородов и термальных вод, зарубежные и отечественные геофизики обычно используют обязательно скважинную регистрацию с ориентировкой на информативность высокочастотных микроземлетрясений, тресков и сейсмических ударов, возникающих при резком изменении напряженно-деформированного состояния [Feng et al, 1998; Phillips, 1998; Александров и др, 2008].

о возможности выделения высокочастотных пространственно когерентных сигналов эмиссионного происхождения и локализации источников излучения, находящихся на больших расстояниях от регистрирующей системы. Это позволило развить систему методов пассивного мониторинга, позволяющую изучать тонкую структуру сейсмического процесса, отслеживать пространственно-временную динамику геосреды и подготовку опасных динамических событий, выявлять неоднородности строения среды: области повышенной трещиновато-сти и гетерогенности, разломы и большие трещины, зоны концентрации напряжений и миграции флюида. Таким образом, эмиссионная томография в совокупности с другими развитыми методами является мощным инструментом для экспериментальных исследований геосреды: получение временных серий трехмерных изображений распределений излучателей сейсмической энергии с оценкой параметров излучения позволяют идентифицировать неоднородности структуры и прослеживать пространственно-временной ход развития динамических процессов. Первая экспериментальная работа с использованием метода эмиссионной томографии была сделана по данным группы NORSAR в Норвегии [Nikolaev & Troitskiy, 1987]. Позже метод использовался для исследования в сейсмоактивных, вулканических и геотермальных областях многими отечественными и зарубежными сейсмологами [Николаев и др., 1986; Шубик и др,1991; Александров&Узунов,1992 Александров&Рыкунов,1992; Александров& Мир-зоев,1997; Arnason&Flovenz,1992; Furumoto,1992; Шубик& Ермаков,1997; Чеботарева и др., 1997а; 19976,1998; Chouet et.al.,1999; Tchebotareva et.al.,2000; Ky-гаенко и др.,2004а; Кугаенко и др.2004б; Александров,2008; Чеботарева и др., 2008;,20106 и пр.].

В настоящее время во многих отраслях производства создаются "интеллектуальные системы", позволяющие оптимизировать производственный процесс. В частности, в нефтедобывающей отрасли осознана, для оптимизации добычи и управлением разработки месторождения, необходимость создания "интеллектуальных скважин", позволяющих в режиме реального времени собирать необходимый объем данных и извлекать из них максимум имеющейся информации для автоматического принятия решений. К данному моменту существуют нагнетательные "интеллектуальные скважины", предназначенные для поддержания пластового давления и обеспечивающие возможность внутрискважинного мониторинга с функцией передачи информации на поверхность, аналитического управления потоком с использованием полученной информации и операторным регулирования потока с поверхности. Следующий шаг в этом направлении - интеллектуальное месторождение": все скважины на месторождении, продуктивные и нагнетательные, трубопроводы и другие наземные объекты_передают данные о режиме работы ( дебите или количеству закачиваемой жидкости), которые обрабатываются внутри модели месторождения в режиме реального времени, и автоматически или с помощью оператора производится регулирование или полная остановка закачанной в скважину жидкости или отбора углеводородов. Такой подход позволит увеличить сроки эксплуатации скважин, оптимизировать работу всех промысловых объектов, снизить капитальные затраты и нагрузку на окружающую среду. Пока что . при создании "интеллектуальных

скважин" рассматривается только возможность внутрискважинного мониторинга, так как отсутствуют возможности инструментального оперативного контроля прискважинного пространства, профиля притока пластового флюида и продвижения фронта заводнения. Методы пассивного сейсмического шумового мониторинга с реализацией в режиме реального времени - это как раз тот инструмент, который способен создать основу технологии оперативного контроля призабойной зоны и околоскважинного пространства.

Актуальность работы определяется потребностями современной фундаментальной и прикладной сейсмологии в методах исследования геологической среды, характеризующихся высокой чувствительностью и детальностью, не предполагающих необходимости интенсивного искусственного воздействия на среду, допускающих автоматическую обработку данных в режиме реального времени. Создание методов, удовлетворяющих таким требованиям, может быть реализовано на базе использования информации, содержащейся в шумовых сейсмических нолях - сейсмическом шуме и коде землетрясений и взрывов.

Цель работы - развитие системы методов обработки шумовых волновых полей с целью изучения структуры и динамики геосреды, в основе которой лежит физико-математическая модель волнового поля с аддитивной пространственно когерентной составляющей, позволяющей локализовать источники слабого шу-моподобного излучения без пикировки сейсмических фаз, оценивать параметры излучения и их временную изменчивость. Создание методик наблюдений и обработки данных при разных масштабах геофизических исследований и в разной помеховой обстановке. Исследование возможности использования шумовых волновых сейсмических полей для фундаментальных исследований геосреды, способствующих разработке методов прогноза возможных катастроф и развитию новых методов поиска, разведки и контроля разработки полезных ископаемых. Повышение эффективности и улучшения качества автоматического детектирования и классификации сейсмоакустических сигналов различной природы в зоне пассивного контроля в режиме реального времени либо постобработки

Направление исследований.

1. Обобщение известных экспериментальных результатов и современных представлений о механизмах формирования волновых шумовых сейсмических полей.

2. Обзор методов локализации сейсмических сигналов и определения их параметров с использованием многоканальной регистрации волнового поля.

3. Разработка и реализация алгоритмов локализации шумоподобных источников и определения параметров излучения по записям вертикальных и трехмерных сейсмических групп для различных масштабов полевых исследований и в различной помеховой обстановке.

4. Адаптация для работы в ближней зоне регистрирующей группы известных методов сейсмологической локации в присутствии интенсивной когерентной помехи.

5. Исследование возможности использования разработанных алгоритмов для выявления в верхней части земной коры областей рассеянного и эмиссионного излучения по записям сейсмического шума и коды местных землетрясений.

6. Изучение локальных сейсмических проявлений геосреды среды при техногенных нагрузках в процессе разработки месторождений углеводородов.

7. Исследование возможности локализации источников эндогенного сейсмического излучения в нижней коре и верхней мантии.

8. Исследование возможности локализации ионосферных источников маг-нито - акустического излучения с использованием разработанных алгоритмов.

9. Разработка и экспериментальное опробование метода количественного анализа временной и пространственной изменчивости динамического состояния геофизической среды на основе Я-энтропии Климонтовича с целью локализации глубинных аномалий, прогноза катастрофических событий и оценки эффективности искусственного воздействия на среду.

10. Разработка сейсмоакустической системы автоматического обнаружения и классификации сейсмических сигналов в режиме реального времени с пассивным принципом действия, допускающей реализацию в виде интеллектуального сенсора.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов.

Разработка теоретических положений и создание на их основе алгоритмов с пассивным принципом действия стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных подходов. Для решения вопросов, связанных с планированием эксперимента, тестированием особенностей алгоритмов и для контроля полученных экспериментальных результатов широко использовалось численное имитационное моделирование.

Экспериментальные данные, использованные в представленной работе, являются волновыми формами — записи сейсмического шума и коды землетрясений, зарегистрированные на поверхности или с небольшим заглублением приборов с помощью площадных групп сейсмоприемников (велосиметров). В отельных случаях использованы записи одиночных приборов, а также многоканальные записи Р и Б волн сейсмических событий. Для большинства алгоритмов была необходима информация о скоростной модели среды. Она была известна, либо подбиралась с использованием экспериментальных данных из условия наилучшей фокусировки тестовых источников в рассчитанных изображениях. В работе были использованы как слоистые модели, так и градиентные. Для трассировки лучей и расчета временных задержек соискателем были разработаны вычислительные программы на базе известных из научной литературы алгоритмов.

Для построения трехмерных распределений сейсмических источников при разных пространственных масштабах исследований и разной помеховой обстановке использованы разработанные соискателем алгоритмы и методики эмиссионной сейсмической томографии, часть которых запатентована, а также адап-

тированные для ближней зоны приема алгоритмы локации, ранее известные в сейсмологии.

При изучении временной и пространственной изменчивости локальной степени упорядоченности режима шумовых колебаний геосреды использовался метод и методика, разработанные соискателем на базе S-теоремы Климонтови-ча.

В ходе выполнения некоторых работ для предварительной обработки данных и визуализации материалов использовались: пакет программ SNDA (Seismic Network Data Analysis, ЗАО НИЦ "Синапс"), система объемной визуализации SeisCube5D-View, (Бежаев А. Ю., ЮНИИИТ), и графический пакет GMT (Generic Mapping Tool, University of Hawaii, USA).

Разработанные теоретические положения, методы и методики тщательно тестировались с помощью численного моделирования и опробованы экспериментально. Результаты экспериментов анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других независимых исследователей. Все полученные результаты не противоречат известным теоретическим положениям и результатам исследований других авторов.

Основные защищаемые положения.

1. Сейсмическая эмиссионная томография - оригинальный подход к локализации сейсмических источников, путем сканирования исследуемого объема по пространственной сетке опроса и специальной корреляционной обработки многоканальных волновых форм. Совокупность алгоритмов и методик при одно-компонентной и многокомпонентной регистрации, для разных пространственных масштабов исследований в разной помеховой обстановке, с возможностью оценки параметров излучаемого сигнала. Результаты исследований.

2. Оригинальный подход к анализу временной и пространственной изменчивости динамики геосреды с использованием S-энтропии Климонтовича. Метод количественной оценки изменения динамического состояния геофизической среды. Метод локализация сейсмических источников, сигналы которых отличаются по степени упорядоченности от фонового шума. Результаты исследований.

3. При практической реализации предложенных методов были выявлены новые геофизические эффекты, наиболее интересные из них:

3.1. Обнаружен всплывающий внутри разломной зоны со средней скоростью около 10 м/сек солитоноподобный источник сейсмического излучения.

3.2. Показана возможность полезного использования сейсмической подсветки, создаваемой техногенным излучением, для локализации разломной зоны: Выявлен захват разломной зоной и нелинейная трансформация техногенного излучения.

3.3. На территории разрабатываемого нефтяного месторождения в диапазоне глубин от 1-6 км выявлена система вертикальных шнуроподобных областей сейсмического излучения, пересекающая отложения платформенного чехла и всю видимую часть фундамента, которая по совокупности известных фактов интерпретируется как высокопроницаемая вертикальная зона деструкции.

3.4. Показано, что в геофизической среде реализуется шумовой хаотический аттрактор, имеющий сходные свойства с аттрактором биологических систем - он имеет норму упорядоченности колебаний, отклонение от которой вследствие тектонических, техногенных или других воздействий является признаком подготовки катастрофических явлений. Изменение динамики шумовых колебаний связывается с возникающим при воздействии изменением характера эмиссионного излучения и появлением короткоживущих наведенных сейсмических источников, которые могут быть следствием возникновения кластерной синхронизации.

Разработанная соискателем и изложенная в диссертации совокупность теоретических положений, методов и полученных с их применением экспериментальных результатов, перечень которых приведен выше, представляет собой новое крупное научное достижение в развитии пассивных сейсмических методов - перспективного направления современной геофизики.

Научная новизна. Личный вклад.

Важнейшие результаты, полученные впервые, следующие:

1. Разработан метод локализации шумоподобных источников слабого пространственно когерентного излучения, являющегося аддитивной компонентой шумовых сейсмических полей, с возможностью оценки параметров излучения (интенсивности излучения, частотного спектра) и использованием когерентной обработки на базе линейного формирователя луча. Получен патент на изобретение. Развитая методика адаптирована и применена для изучения по записям сейсмического шума и коды местных землетрясений строения верхней части земной коры и ее эмиссионной активности в районе вулканического фрон-та(о.Хонсю, Япония). Показана возможность оконтуривания магматического тела (по записям коды и сейсмического шума) и наблюдения временной изменчивости излучаемого им сейсмического сигнала, связанного с глубинной магматической активностью. По записям сейсмического шума выявлена на глубинах 2-15 км область стабильного эмиссионного излучения, совпадающая с известной низкоскоростной аномалией, областью повышенного затухания сейсмических волн и областью концентрации эпицентров современных и исторических землетрясений. Показано, что та же область активизируется на времени поздней коды, после прохождения Б-волн местных землетрясений.

2. Разработан метод локализации высокого разрешения с использованием когерентной обработки на базе нелинейного формирователя луча, повысивший чувствительность метода и робастность к параметрической помехе. Получен патент на изобретение. Развита методика и применена для локализации источников эндогенного сейсмического излучения в сейсмоактивном районе со сложным рельефом (центральный Тянь-Шань) для изучения нижней коры и верхней мантии с использованием записей сейсмической сети с большой апертурой.

3. На базе того же метода развита и адаптирована методика для локализации источников магнитоакустического излучения в ионосфере по записям Антарктической площадной группы магнитометров.

4. Адаптированы известные и развиты новые алгоритмы для локализации эндогенных источников в присутствии интенсивной когерентной помехи. Развитая методика применена для исследований геосреды в районе разрабатываемых месторождений углеводородов при локализации источников мешающих и полезных сигналов в ближней зоне приемной группы. Показана возможность снятия экранирующего влияния сильной техногенной помехи при выявлении источников слабого глубинного излучения, а также возможность полезного использования техногенной излучения для подсветки глубинных структур. По записям шума, зарегистрированного на разрабатываемом нефтяном месторождении в западной Сибири, обнаружен новый вид сейсмических объектов - всплывающий внутри разломной зоны пространственно локализованный солитоно-подобный источник сейсмического излучения. В диапазоне глубин от 1 км до 6 км выделена система вертикальных шнуроподобных областей сейсмического эмиссионного излучения, которая интерпретируется как вертикальная зона деструкции. Выявлен эффект временного возмущения пространственного распределения эмиссионных источников внешним воздействием.

5. Разработан метод анализа динамики состояния геосреды по степени упорядоченности режима фоновых колебаний, позволяющий количественно оценивать степень отклонения состояния среды от нормы упорядоченности при искусственном воздействии на среду и при подготовке динамических событий. Показано, что при подготовке близких сильных землетрясений происходит отклонение от нормы хаотизации и резкое увеличение степени упорядоченности режима высокочастотных шумовых сейсмических колебаний. Показано, что аналогичные эффекты наблюдаются при формировании трещины гидроразрыва. При воздействии на геосреду изменение динамики шумовых колебаний сопровождается изменением пространственного распределения областей эндогенного эмиссионного излучения, образованием короткоживущих высокочастотных сейсмических структур с неустойчивой локализацией, являющихся проявлением пространственных флуктуаций сейсмической энергии. После снятия техногенной нагрузки, восстанавливается пространственное распределение эмиссионных источников, близкое к первоначальному.

6. Разработан метод локализация сейсмических источников, сигналы которых отличаются по степени упорядоченности от фонового шума. Существенным преимуществом метода является то, что вместо площадной сейсмической группы можно использовать одноточечную последовательную регистрацию вдоль профиля или по площади, что несравнимо по финансовым затратам с площадной регистрацией, и при этом легко могут быть обследованы большие площади. Развитая методика применена для локализации резервуара грязевого вулкана.

плекса на базе персонального компьютера или в виде автономного устройства -интеллектуального сенсора. Получен патент на полезную модель. В патенте, кроме оригинальной схемы устройства, предложен новый способ формирования вектора классификационных признаков путем оригинального кодирования информации о параметрах сигналов на базе их пакетных вейвлетных разложений. С использованием теоретических и экспериментальных разработок соискателя созданы два опытных образца работающего устройства, которое не имеет аналогов российского производства и характеризуется пониженным энергопотреблением, меньшей стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.

Основная часть работ выполнена соискателем лично. Кроме алгоритма п.1, все идеи новых алгоритмов принадлежат соискателю. Идея алгоритма на базе линейного формирователя луча принадлежит А. В. Николаеву и П.А. Троицкому. Ими же получены первые экспериментальные результаты. Соискателем бала проведена детальная аттестация метода, что послужило основой для написания диссертационной работы кандидата физ.-мат. наук. Соискателем были получены. аналитические формулы для оценок статистической значимости результатов, чувствительности метода, пространственного разрешения, оценки времени накапливания сигнала при заданной погрешности определения яркости источника, оценки глубины потери продольного разрешения в зависимости от размера группы, частоты регистрации, ошибки определения времени прихода сигнала. С помощью численного моделирования исследовано влияние ошибок скоростной модели, диаграммы направленности излучения, геометрии приемной группы. Все методики и реализующие их компьютерные программы развиты лично соискателем. При адаптации известных алгоритмов подавления когерентных помех п.4 в качестве исходной была использована существующая программа, но программа и алгоритм обработки были сильно изменены и дополнены, что детализировано в соответствующем разделе представленной работы (Глава 3). Аналитические исследования, численное имитационное моделирование, обработка реальных данных и интерпретация результатов выполнены соискателем лично. При создании системы автоматического обнаружения и классификации сейсмических сигналов, соискателем был разработан оригинальный алгоритм формирования классификационных признаков, позволяющих с высокой степенью детальности представлять информацию о сигнале в сжатой форме, удобной для классификации с помощью нейронной сети. Алгоритмические идеи соискателя были реализованы им же в виде программ и скриптов, позволивших встроить программы в систему реального времени сейсмического пакета 8№)А НИЦ «СИНАПС». Возможности системы автоматического обнаружения протестированы автором на большом количестве сейсмических сигналов различного типа. При создании опытного образца интеллектуального сенсора соискатель участвовал в его создании на этапе подготовки программного обеспечения и последующего тестирования и доработки готового образца.

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации и частично запатентованные методы диагностики шумовых эндогенных источников сейсмического излучения удовлетво-

рягот современным требованиям науки и практики и дают возможность повысить эффективность проведения научно-исследовательских работ и инженерных изысканий. Используемые алгоритмы исключают этап пикировки сейсмических фаз и автоматизируют процедуру обработку данных, позволяют повысить робастность и чувствительность при анализе экспериментального материала. На основе полученных аналитических оценок, результатов численного моделирования и обработки реальных данных, даны рекомендации по планированию систем наблюдений, методикам обработки данных, разработаны алгоритмы и написаны компьютерные программы, позволяющие по записям сейсмического шума и коды землетрясений и взрывов проводить диагностику слабых эндогенных источников и получать количественную оценку изменения динамического состояния геосреды. Область применения — фундаментальная сейсмология, инженерная сейсмика, сейсморазведка, охранные системы.

При фундаментальных исследованиях информация о пространственном распределении источников рассеянного или индуцированного сейсмического излучения, о их пространственной миграции, мощности и частотном спектре может быть использована для развития и уточнения моделей генерации эмиссионного излучения, методов идентификации геологических объектов и прослеживания пространственно-временного хода развития динамических процессов внутри среды по их сейсмо-акустическим проявлениям. Показанная возможность использования одних и тех же методов локализации для источников сейсмического и магнитоакустического излучения позволяет использовать разработанные методы для комплексных исследований коррелированных сейсмошумо-вых, электромагнитных и инфразвуковых полей.

В инженерной сейсмике методы могут быть использованы для выявления разломных зон, карста, для оценки характера воздействия не среду техногенной нагрузки различной природы, для краткосрочного прогноза катастрофических сейсмических событий (землетрясения, оползни, снежные лавины и пр), которым предшествует возрастание энергонасыщенности геологической среды.

На месторождениях полезных ископаемых развитые методы являются основой для создания методик выявления высоко перспективных участков по поверхностным наблюдениям, до проведения буровых работ. При использовании мобильных передвижных систем наблюдений с получением результатов в режиме реального времени это способно значительно уменьшить экологический ущерб и увеличить скорость разведочных работ. При использовании алгоритмов, ориентированных на крупномасштабные исследования, можно получать распределение крупномасштабных неоднородностей во всем исследованном объеме непосредственно на выходе алгоритма. Это положительно отличается от ситуации с сейсморазведочными методами, когда приходится «сшивать» результаты, полученные по отдельным профилям, что приводит к большим ошибкам. Развитые методы позволяют выделять тектонические нарушения, зоны повышенной трещиноватости, нефте-газовые ловушки, фронты продвижения флюида, области концентрации напряжений и уплотнения резервуара. При разработке месторождений углеводородов развитые метода могут быть использованы для контроля межскважинного пространства и призабойной зоны, для

пространственно - временного мониторинга и оперативной коррекции процесса гидроразрыва, для количественной оценки с целью коррекции эффективности внешнего воздействия, различных типов воздействий на залежь с целью интенсификации отбора нефти и газа. При использовании разработанных методов в "интеллектуальных системах" на геотермальных, нефтяных и газовых месторождениях, они позволят улучшить менеджмент использования и разработки полезных ископаемых, а также оперативно оценивать реальную сейсмическую и геодинамическую обстановку вблизи разрабатываемых геотермальных объектов в случае экстренных ситуаций.

Реализация результатов. Основные результаты диссертации получены в ходе выполнения инновационных научно-исследовательских работ в рамках программы поддержки научных исследований MIF (Matsumae Internatinal Foundation), грант 1994-19, на факультете геофизики университета Сендаи (Япония) и в Институте физики Земли; в рамках программы Президиума РАН 23, проект 1.3.1, и других программ РАН в Институте проблем нефти и газа РАН; при поддержке гранта INTAS 03-51-5359; при участи в совместных проектах НИЦ «Синапс» (Москва) и Югорского НИИИТ (Ханты - Мансийск), а также в рамках сотрудничества с научно-инженерным центром «СИНАПС» (Москва), грант Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно- технической сфере, проект 6292, Госконтракт N4066-7.04.2006, грант Science Applications International Corporation SAIC GT Subcontract: 29990027 Subproject #:76-760207-9284-009.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских конференциях (Свердловск, 1991), Международных конференциях(Стамбул, 1989; Вена, 1991; Москва, 1997; Салоники, 1997; Платья д'Аро, 1998; Бирмингем, 1999; Страсбург, 2000; Banff, 2006; Москва, 2007; Мурманск, 2010) и на специальных семинарах отдела математических задач геофизики ВЦ СО АН СССР (1990), отдела региональных проблем геофизики и сейсмометрии Института геофизики АН УСССР (1990), отдела физики Земли НИИ Физики ЛГУ (1991), отдела экспериментальной геофизики ИФЗ АН СССР (1992), факультета геофизики университета Сендаи, Япония (1994), Югорского НИИИТ (2003, 2004), Международного инсти-

тута теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН (2009), ИПНГ РАН (2010).

Основное содержание диссертации отражено в 36 печатных работах, в том числе в 13 статьях в журналах, включенных в перечень ВАК, в авторском свидетельстве на изобретение Госкомизобретений СССР, патенте Росс. Федерации на изобретение н патенте Росс. Федерации на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения, библиографии, включающей 348 наименование. Работа изложена на 350 листах, содержит 78 рисунков и 5 таблиц.

Благодарности. Автор глубоко благодарен ученым, под чьим руководством посчастливилось работать и которые его многому научили - А. В. Николаеву, П. А. Троицкому, X. Сато и И.А. Володину. Автор признателен многим физикам, геофизикам и геологам, с которыми довелось общаться в процессе исследований и которые в разной степени оказали автору помощь в выполнении работы, особенно, О. Б. Хаврошкину, Ю. JL Климонтовичу, А. Ф. Кушниру, О.В. Павленко, В. Л. Барабанову, Ю. Ф. Кошшчеву, И. Н. Соколовой, В. А. Пили-пенко, М. В. Рожкову, Т. Т. Тангнзаде, Э. Р. Казанковой, М. В. Багдасаровой, Н.В. Корниловой, зарубежным коллегам А. Хасегаве, Н. Тсумуре, С. Матсумо-то, К. Шиоми. Автор выражает благодарность геофизикам, предоставившим для исследования экспериментальные материалы - группе японских геофизиков (1993 Joint seismic observation team in Nikko area, Earthquake Research Institute, University Tokyo), ЗАО НИЦ "Синапс" (Москва), Г. Н. Ерохину, П. Б. Бортникову, И. Н. Соколовой, А. В. Бугаевскому, Е. П. Тимошуку, А. В. Горба-тикову, И. Дрикеру, В. А. Пилипенко.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Сейсмический шум Земли

Выполнен анализ отечественных и зарубежных литературных источников, посвященных исследованию шумовых сейсмических полей, в которых обсуждаются глобальные спектральные характеристики, волновой состав, вопросы пространственно-временной изменчивости параметров и источники генерации континентальных и донных шумовых колебаний. Особое внимание уделено высокочастотному сейсмическому шуму и его эндогенной составляющей.

Анализ научных источников показывает, что степень изученности сейсмических шумов в различных диапазонах и в различных регионах не одинакова, но несомненно, что его источники многочисленны и разнообразны. Условно по частотному спектру колебаний сейсмический шум традиционно разделяется на сверхдлиннопериодный (менее 20 с), длиннопернодный (1-20с) и высокочастотный (1-100 Гц). Колебания на частотах сотни герц и выше относят к акустическому диапазону, но так как трудно четко разграничить сейсмические и акустические проявления, часто условно разделяемые диапазоны рассматривают

как один широкий диапазон и используют термин сейсмоакустические или геоакустические шумы.

Сверхдлиннопериодный диапазон исследован весьма слабо, отчасти это связано с аппаратурными сложностями. Амплитуда шума в этом диапазоне частот достаточно устойчива, обнаружено появление периодических колебаний, особенно четко проявляющихся на времени сильных океанических штормов и сильных землетрясений. Четкие представления о механизме генерации сейсмических шумов этого диапазона отсутствуют, высказываются предположения о влиянии процессов космической, метеорологической, внутренней природы [Бауто е1 а1,1972; Старовойт и др, 1978; Копвиллем и др,1987; Соболев,2004; Соболев и др,2005; Любушин, 2007; 2008; 2009].

Диапазон 1-20с изучен достаточно детально, так как первые сейсмографы имели рабочий диапазон внутри этого интервала, который со временем расширялся в обе стороны. Исследователи единодушны, что сейсмический шум в диапазоне 4-20с имеет океаническое происхождение, хотя существующие теории не лишены противоречий и не все экспериментальные факты находят объяснение в рамках этих теорий. Шум на частотах 1-4 с связывается с волнением на внутриконтинентальных водных пространствах - моря, большие озера. Особенности шумов этого диапазона и механизмы генерации подробно рассмотрены в монографиях [Рыкунов, 1967; Монахов,1977; Островский 1998]. Спектр колебаний имеет два максимума, которые называются микросейсмы первого и второго рода (по порядку их открытия), на периодах 4-10с и 14-18с, соответственно. Более высокочастотный максимум обычно шире и интенсивней в береговых микросейсмах (он может в 30 раз превышать уровень второго максимума), шумовые колебания этого диапазона частот получили название «штормовые микросейсмы». В результате многочисленных исследований установлено, что значительная доля энергии микросейсм распространяется виде поверхностных волн, но в различных работах приводятся разные значения о волновом составе: иногда с подавляющей долей основных и высших гармоник волн Рэлея, иногда волн Лява, иногда с их одинаковым вкладом.

К постоянно существующим в высокочастотном диапазоне (>1 Гц) слабым вибрациям земной поверхности долгое время существовало, отношение как к неустранимой помехе, некоторому фону, изучение характеристик которого необходимо для планирования эксперимента Подавляющая часть сейсмологических наблюдений, связанных с исследованием коры и верхней мантии, а также сейсморазведочные работы проводятся в этом диапазоне частот. По мере развития методов регистрации сейсмических колебаний в высокочастотном диапазоне и появления экспериментальных результатов, необъяснимых в рамках классических представлений, отношение к высокочастотному шуму и представление о модели Земной литосферы менялись. Сформировалось осознание того факта, что в высокочастотном шуме содержится информация о строении Земной коры и протекающих в ней гсодинамических процессах, что стимулировало развитие методов извлечения полезной информации из сейсмического шума. Сильным импульсом к увеличению интереса к шумам высокочастотного диапа-

зона послужили открытие Рыкуновым Л.Н., Хаврошкиным О.Б. и Цыплаковым В.В. явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли низкочастотными деформационными процессами различной природы [Рыкунов и др, 1983; Хаврошкин,1999], что связывалось с сейсмоакустической эмиссией глубинных источников, и экспериментальные работы авторов по изучению открытого ими явления.

Число публикации по изучению высокочастотных шумов с помощью точечной регистрации и сейсмических групп, на поверхности и в скважинах, в континентальных областях и на дне морей и океанов чрезвычайно велико. Волновое поле имеет очень сложную структуру и зависит от частоты, координат и времени. Существенные изменения спектральных и амплитудных особенностей могут происходить на небольших базах - десятки и первые сотни метров. Наблюдается сезонная, недельная и дневная периодичность уровней шума. Длительность интервала стационарности также локально обусловлена и для частот 1-10 Гц изменяется от 10 минут до нескольких часов. Волновое поле содержит как нераспространяющиеся, так и распространяющиеся в виде поверхностных и объемных волн компоненты [Aki, 1957: Gupta,1965; Sax et al, 1965; Вишшк, 1968]. Экспериментальные исследования показали, что высокочастотное шумовое сейсмическое поле в значительной степени формируется за счет множественных поверхностных источников техногенного и природного происхождения, вследствие чего, если поблизости нет источника интенсивного сейсмического излучения, то записи шума выглядят как случайные колебания. Но шумовое поле пространственно организовано, его когерентность является функцией частоты, волновой скорости и удаленности точек регистрации, эффект организации шума с глубиной ослабляется [Buckus et al, 1964; Mykkeltveit et al, 1983; Carter et al, 1991]. Амплитуды и спектры высокочастотных шумов сильно зависят от геологического строения, водонасыщенности пород. При скважинных наблюдениях на континенте и на дне океанов на больших глубинах изменчивость шума во времени и пространстве значительно меньше, чем на поверхности; в "тихих" местах уменьшение шума наблюдается только для высоких частот и, начиная с некоторых глубин наблюдается стабилизация уровня шума; спектр глубинного шума спадает быстрее с ростом частоты, чем спектр поверхностного шума [Gupta, 1965; Sax et al,1965; Аксенович и др,1972; Galperin et al, 1986; Carteret al, 1991; Ininial report..., 1982-1983]. Спектры донных и континентальных шумов спадают с частотой [Brune et а1,1959]. На частотах 1-2 Гц и кривые спектров среднего и максимального донного шума лежат выше и спадают с частотой более круто, чем спектры континентального поверхностного шума [Островский 1998], в местах с очень низким уровнем шума, где удается устранить влияние известных источников, минимальные значения шума на континенте и на дне океанов примерно одинаковы [Рыкунов и др, 1985].

В результате активных исследований, к середине 70-х годов прошлого века накопилось достаточное количество экспериментальных результатов, которые не укладывались в рамки представлений об экзогенной генерации сейсмических шумов, и выявилась необходимость привлечения гипотезы о существовании эндогенной сейсмической подпитки. Приведен подробный обзор экспери-

ментальных исследований прямо или косвенно указывающих на наличие такого рода эффектов [Голицын,I960; Гамбурцев, 1960; Omori, 1911; Eaton, 1967: Жадин,1971; Гордеев и др,1976; Galperin et al, 1986; Leet et al, 1962; Науменко, 1979; Nanney, 1958; Obara, 2002; Рыкунов и др,1978, 1986, 1987; Смирнов и др, 1991; Бердыев и др,1992; Мухаммедов, 1992; Дьяконов и др,1989; 1991; 1998; 2010; Diakonov et al, 1990; Астраханцев и др,2007; Беляков и др, 1995, 2007; Хаврошкин,1999; Гаврилов и др,2006; Анцыферов и др,1971; Сбоев, 198Й5; и пр.]. Описаны экспериментально обнаруженные характеристики эндогенной сейсмической эмиссии и теоретические предпосылки ее существования с точки зрения концепции геосреды как открытой неравновесной нелинейной динамической системы, активной энергонасыщенной, проявляющей изменчивость параметров, с блочной иерархической структурой.

К высокочастотным шумовым сейсмическим волновым полям можно отнести и коду землетрясений и взрывов [Aki et al, 1975; Копничев, 1978; 1985; Sato et al, 1998]. Результаты исследования явления сейсмической эмиссии говорят о том, что свой вклад в формирование кода - волн землетрясений и взрывов могут вносить эндогенные эмиссионные источники [Жадин, 1971; Гордеев и др, 1976; Хаврокин, 1999].

Для совершенствования теоретических представлений о природе сейсмического шума и полезного использования содержащейся в нем информации о строении среды и протекающих в ней процессах необходимо развитие новых методов, которые, в отличие от классических, нацелены на работу с экстремально слабыми шумоподобными источниками, сигналы которых не имеют четких вступлений и даже полностью маскируются помехами на одиночных записях.

Глава 2. Обратные задачи в сейсмологии и анализ современных методов

локализации сейсмических источников с помощью многоканальных систем наблюдений

Описаны основные типы классического подхода при решении обратных задач сейсмологии. Обратные задачи, то есть определение внутреннего строения Земли по данным, полученным на поверхности, - одна из классических задач сейсмологии. Важные открытия в этой области были сделаны в начале XX века. В 1904 г. Герглотц и Вихерт опубликовали решение задачи определения вертикального распределения скорости в сферически симметричной Земле по временам пробега объемных волн от поверхностных источников. Посредством анализа записей землетрясений в 1906 г,. Оулдхэмом было обнаружено ядро Земли и в 1909 г., а Мохоровичичем контрастная граница между корой и мантией [Bullen&Bolt, 1985]. Началом 1920-х годов датируется начало сейсморазведоч-ных работ - использование сейсмических волн, сгенерированных в результате взрывов, для исследования месторождений полезных ископаемых [Sher-iff&Geldart, 1982]. В нашей стране основы сейсморазведки заложены геофизической школой Г.А. Гамбурцева, опиравшейся на органическое сочетание эксперимента и теоретических разработок [Гамбурцев, 2003]. Советским ученым Е.И. Гальпериным был предложен метод вертикального сейсмического п:к>фи-

лирования (ВСП), в данный момент широко используемый во всем мире [Гальперин, 1971]. Развитие в сейсморазведке методом отраженных волн связано с именем академика H.H. Пузырева [Пузырев, 1959]

В течение XX столетия было разработано большое число методов решения обратных задач. Некоторые способы определения строения разреза по годографам отраженных и проходящих волн рассмотрены в фундаментальном двухтомнике Аки и Ричардсона [Аки&Ричардсон], а также в книге [Menke, 1984]. Большинство методов решения обратных задач базируется на данных о временах прихода определенных сейсмических фаз, хотя существуют методы, использующие важную информацию, содержащуюся в амплитудах, поляризации и фазовых сдвигах. В результате решения обратных задач по конечному набору экспериментальных данных определяется значения конечного набора неизвестных параметров модели (среды и/или источников излучения).

Определение координат землетрясений с использованием времен прихода объемных волн на несколько станций при известной скоростной модели среды является старейшей обратной задачей сейсмологии. Определение трехмерной скоростной модели (при достаточно плавном изменении скорости) по данным о временах прихода при известном положении источников реализуется в методах скоростной томографии для проходящих [Aki et al,1977; Dziewonsci, 1984; Сейсмическая томография...,1990; Сабитова&Адамова,2001; Усольце-ва&Санина,2006; Винник и др.,2006], отраженных и обменных [Bishop et al, 1985; Сейсмическая томография...,1990] волн. Если неоднородность среды сильно проявляется на расстояниях порядка длины волны для выделения отражающих и рассеивающих объектов развиты методы миграции, сейсмической голографии и дифракционной томографии [Петрашень&Нахамкин,1973; Алексеев и др.,1977; Bleistein,1985; Сурнев,1997; Троян,1997; Сейсмическая томография...,1990]. Информация о временах вступления сейсмических фаз также позволяет решать обратную задачу одновременной оценки неизвестной скоростной модели и неизвестных параметров сейсмических источников [Spenser&Gubbins,1980; Crosson,1976;Roecker,1982], Особую группу составляют томографические методы с использованием поверхностных волн, регулярных и шумовых [Королева и др,2009; Яновская, 1993; 1988].

Важным предварительным этапом большинства классических методов является снятие времен вступлений сейсмических фаз на одиночных записях. Эта задача является чрезвычайно трудоемкой и во многих случаях непростой при ручной обработке материала. Большие усилия исследователей были направлены на разработку и совершенствование методов автоматического детектирования и определения параметров фаз на одиночных записях по амплитудным, частотным и поляризационным характеристикам сигналов. Эти методы успешно работают в действующих системах автоматического мониторинга, но они плохо срабатывают при нечетких, интерферирующих вступлениях, при малом отношении сигнал помеха. Для выделения слабых сигналов более эффективным подходом является использование методов, не требующих снятия времен вступлений и базирующихся на многоканальной корреляционной обработке волновых форм. Активное использование в сейсмологии методов пространственного

анализа сигналов, развитых в радио- и гидролокации, связано с появлением цифровой регистрации сигналов и созданием антенных сейсмических решеток (LASA, NORSAR, NORESS, ARCESS и пр).

Выполнен обзор методов локации удаленных источников и определения параметров излучения развитых в различных областях исследований и использующихся для идентификации падающих волновых фронтов пассивными методами локации источников излучения или активными методами обнаружения и распознавания целей. Они базируются в основном на методах, предложенных ранее для спектрального анализа [Марпл, 1990], общей особенностью которых является использование взаимно-спектральной матрицы сигнала, оцениваемой на некоторой частоте или полосе частот выходного сигнала регистраторов волнового поля. Методы локации могут быть разделены на две группы. Первую составляют методы непрерывного анализа, ориентированные на расчет поля интенсивности при сканировании среды по некоторой сетке опроса (spectral-based approach), наилучшее значение анализируемого параметра оценивается по положению пика интенсивности. Все методы непрерывного пространственного анализа мщуг быть представлены в виде линейного пространственного много-входового фильтра с одним выходом, число входов которого равно числу приемников [Мюнье&Делиль,1987]. Более того, они представляют собой один общий класс адаптивных к входным данным фильтров и все многообразие методов можно получить на базе двух формул, используя различные значения параметров. К методам непрерывного анализа относятся, например, метод максимальной энтропии Берга [Burg, 1968] или авторегрессионный метод [Van Den Bos,1971], метод Кейпона MVDR [Кейпон,1969; Bienvenu,1979], методы Борд-жотти-Каплана [Borgiotty&Kaplan,1979] и Лагуноса [Lagunas&Gasull,1984] . Вторую группу составляют нелинейные параметрические методы (parametric approach), реализующие одновременный поиск наилучших значений для всех параметров модели. Вторая группа методов обычно обеспечивает более аккуратные оценки, но при увеличении сложности вычислений. Можно также выделить подгруппу методов, основанных на разбиении пространства собственных векторов спектральной матрицы на два независимых подпространства, в нее входят алгоритмы как непрерывного анализа, так и параметрические. К параметрическим методам относятся детерминистический и стохастический методы максимального правдоподобия [Krim&Viberg, 1996]. К методам, основанным на разбиении пространства собственных векторов спектральной матрицы на два независимых подпространства, относятся алгоритмы непрерывного анализа MUSIC (Multiple Signal Classification) и EV (Eigen Vectors) [Schmidt, 1979], параметрические методы Писаренко [Pisarenko,1973] и метод SSF (Signal Subspace Fitting) [Viberg at el, 1991].

Описаны результаты численного имитационного моделирования, проведенного соискателем для выяснения возможности методов, разработанных для локации удаленных источников, применительно к локализации слабых источников в ближней зоне.

На основании результатов численного моделирования и изучения особенностей методов пространственного анализа сигналов по литературным истсчни-

кам сделано заключение, что аспекты поведения методов при локации удаленных источников нельзя автоматически переносить на работу со слабыми источниками в ближней зоне. Несомненно, надо по возможности использовать арсенал методов, разработанных в других областях научных исследований, но тщательно проверять работоспособность методов численным моделированием и вносить при необходимости коррекции в существующие алгоритмы и методики. Особенно осторожно при использовании методов локализации источников в ближней зоне надо относиться к алгоритмам, использующим разделение пространства собственных векторов ковариационной матрицы на ортогональные подпространства сигналов и шума с формированием ортогональных проекторов.

Необходимо положительно отметить один, наиболее старый и простой, но эффективный и широко используемый метод многоканальной обработки. В англоязычной литературе он называется ЬеатСэггт^, что можно перевести как формирователь луча [Кпт&У1Ье^,1996]. В русскоязычной литературе он называется иногда регулируемым направленным приемом (РНП), процедурой направленного синфазного суммирования или простейшим групповым фильтром. Формирователь луча не является оптимальным фильтром, при правильной настройке антенны он просто максимизирует полезный сигнал, его разрешение лимитируется дифракционными эффектами и для сильных сигналов хуже, чем у оптимальных методов высокого разрешения. Однако для слабых сигналов преимущество высокоразрешающих непараметрических методов чисто иллюзорное: численное моделирование показывает, что при наличии двух близких источников спектр высокоразрешающих методов, хотя и показывает более острый пик, чем спектр формирователя луча, но этот пик является единственным и ошибочным. Формирователь луча имеет широкий пкк, но он правильно покрывает два источника. В тех случаях, когда проблема сверхразрешения остро не стоит, а более важны требования робастности к помехам, входным параметрам модели и состоятельность оценок, как ни странно, предпочтительны наименее изощренные методы - формирователь луча.

Глава 3. Алгоритмы эмиссионной сейсмической томографии во временной

и частотной области

В Главе 3 выполнен детальный анализ набора алгоритмов метода шумовой эмиссионной томографии: описаны основные алгоритмы во временной и частотной области, приведены результаты численного моделирования и аналитические оценки, рассмотрены вопросы планирования эксперимента и интерпретации получаемых результатов.

Для решения задачи локализации слабых шумоподобных сейсмических источников авторским коллективом сотрудников института Физики Земли РАН им. ОЛО. Шмидта, в число которых входит автор диссертации, в начале 80-х годов был предложен и запатентован метод локализации сейсмических источников [Николаев и др, 1983], со временем он получил название "эмиссионная сейсмическая томография". Физической основой метода является тот факт, что в геосреде существуют области слабого шумоподобного высокочастотного

сейсмоакустического излучения, активизирующиеся при низкочастотных деформационных природных и техногенных воздействиях.

Эмиссионная томография является методом пассивного мониторинга и пе предполагает необходимости искусственного воздействия на среду. В качестве входных данных используются многоканальные записи сейсмического шума или коды землетрясений и взрывов. В результате компьютерной обработки получается трехмерное изображение источников излучения в виде «облака», заполняющего излучающую область среды. При большом удалении источников более удобно двумерное представление результатов в координатах азимут -угол-выхода. Возможна оценка мощности и частотного состава излучения. Все алгоритмы можно использовать для локализации как активных (эмиссионных), так и пассивных (рассеивающих, дифракционных) источников.

Преимущество по сравнению с традиционными методами локализации сейсмических источников состоит в том, что в алгоритмах отсутствует этап определения времен вступления сейсмических фаз, поэтому они эффективно работают при нечетких и интерферирующих вступлениях сейсмических волн, при слабых сигналах, полностью маскируемых шумом на единичных записях.

В работе предложено несколько модификаций алгоритма эмиссионной томографии, каждый из которых обладает своими достоинствами. Совокупность алгоритмов позволяет работать при однокомпонентной и трехкомпонентной регистрации, при разных пространственных масштабах исследований, в разной по-меховой обстановке, с реализацией алгоритмов во временной и частотной области

Первоначально предложенный алгоритм во временно области с линейным формирователем луча эффективен при интенсивной аддитивной случайной помехе. Для него удалось исследовать статистические свойства получаемых изображений и получить полезные оценки

« статистической значимости результатов

■ пространственного разрешения

■ чувствительности метода и оценки времени накапливания сигнала при заданной погрешности определения яркости источника.

При трехкомпонентной регистрации в базовой формуле место мгновенной одноканалышй амплитуды используется проекции мгновенной трехмерной амплитуды волнового поля на направление поляризации выбранного типа объемных волн. При этом улучшается качество изображения и

■ оптимально используется энергия сигнала в полезном типе волн

■ эффективно подавляется когерентная помеха в виде волны с другой поляризацией

• обеспечивается возможность построения изображений среды в различном типе волн.

Использование в базовой формуле нелинейного суммирования мгновенных амплитуд (нелинейного формирователя луча) позволяет работать в условиях, когда алгоритм с линейным формирователем луча теряет работоспособность. При этом обеспечивается

• существенное повышение чувствительности метода

■ резкое улучшение пространственного разрешения

■ повышение робастности к параметрической помехе.

Алгоритм, эквивалентный алгоритму с линейным формирователем луча, может быть реализован и в частотной области. Качество изображений близко к результатам алгоритма во временной области с линейным формирователем луча, но при локализации «точечных» источников более надежные результаты дают алгоритмы во временной области. Преимущество алгоритмов с реализацией в частотной области:

■ существуют приближенные формулы, позволяющие уменьшить время компьютерных расчетов

1 в частотной области соискателем развиты новые и адаптированы известные в сейсмологии методы подавления пространственно-когерентной помехи.

Разработанные алгоритмы и методики были применены к исследованию различных геофизических объектов, о чем будет рассказано в следующих главах.

В 3.1 описаны алгоритмы эмиссионной томографии с реализацией во временной области. Первоначальный вариант метода рассматривал однокомпо-нентную регистрацию: исследуемый объем среды сканируется по прямоугольной сетке и приемная группа, путем введения временных канальных задержек в соответствии с известной скоростной моделью среды, настраивается гга усиление сигнала из гипотетического источника, совпадающего с точкой опроса. Трехмерное изображение среды рассчитывается как результат корреляционной обработки многоканальных записей волнового поля с помощью когерентной оценки Semblance [Taner & Koehler,1969]: v

5(Р) = Ш-, (3.1.1)

где Xj(tJ - значение принимаемого сигнала на ;-м датчике группы в момент времени tj, т,(р) - временная задержка, соответствующая времени прохода сигнала от точки опроса с координатами р до ¿-го датчике группы, К-число приемных каналов, Т-число независимых временных отсчетов, T=2Bt, где В - граничная частота, t - длина временного окна накапливания сигналов.

Оценка Semblance предложена Танером и Келером в сейсморазведке как скоростной фильтр в методе ОГТ. В алгоритме эмиссионной томографии при заданной скоростной модели она используется для расчета пространственного распределения эмиссионных источников.

В Приложении 1 к Главе 3 исследована статистика оценки Semblance. Показано, что в случае случайной гауссовой некоррелированной между каналами помехи распределение интенсивности в изображении равномерное, среднее и

2 if, О

дисперсия описываются формулами: (s)=l и " ~ г[; к ] ■ Получены соответствующие оценки и при наличии аддитивного пространственно-когерентного сигнала. Они в общем случае имеют сложный вид и, помимо числа каналов и

интервала накапливания сигнала, зависят от Л - энергетического отношения сигнал/помеха, о- коэффициента суммарной зависимости от диаграммы направленности, геометрического расхождения, статистики флуктуаций времени прихода. Наличие локализованного источника излучения приводит к появлению в изображении яркого пятна, положение которого совпадает положением источника, а яркость пропорциональна мощности излучения. Для слабых сигналов (я)»1+ КЛ.

Согласно формуле дисперсии, величина флуктуаций когерентной квадратичной меры в точках, отличных от положения источника, уменьшается с увеличением времени накапливания сигнала, т.е. увеличение времени накапливания ведет к увеличению чувствительности метода. Это позволяет оценить порог де-

¡2

тестирования: <5А=0 =2сг = 2Л—. Критерий присутствия источника эмиссионного излучения в среде - превышение абсолютным значением £ в точке опроса величины 95%-доверителыюго интервала значений оценки 5 для волнового

поля, представленного случайной диффузной помехой: ~ - ^л=о •

Если волновое поле является смесью нескольких типов волн, то при построении изображения среды в выбранном типе волн остальные типы волн являются помехами: кроме изображений реальных источников выбранного типа, на изображения среды будут наложены ложные расфокусированные и смещенные изображения источников остальных типов волн. При использовании трех-компонентной регистрации можно достаточно эффективно подавлять такого рода помехи. За счет проекции данных на направления поляризации соответствующего типа волн в точках приема удается оптимально использовать энергию сигнала в полезном типе волн и отфильтровать волны с другой поляризацией. При анализе объемных волн, изображения строятся для продольных волн (Р) и двух компонент поперечных волн (БН и БУ). С применением трехкомпонент-ной регистрации, можно использовать ту же когерентную оценку, что и для од-нокомпонентного приема, но величина*/^ в формуле (3.1.1) приобретает другой смысл. Теперь она является составляющая мгновенной амплитуды волнового шумового сейсмического поля с выбранным направлением поляризации на 1 - канале в .¡-момент времени при использовании трехкомпонентных приемников, где проекции на соответствующие направления определяются как *<(';) = где = в скобках проекции мгновенной

амплитуды волнового шумового сейсмического поля на радиальное, поперечное вертикальное и поперечное горизонтальное направление соответственно;

= - регистрируемые мгновенные амплитуды волново-

го шумового сейсмического поля на трехкомпонентных сейсмографах: 1Ю-вертикальная компонента, ЕАУ и N8 горизонтальные компоненты с направлением восток-запад и север-юг соответственно;

со:>0, зшО^п^ $т01ахф1 Л = ¡т01 - С05б» ф1 - еж б"«« ( О -со БШ^

где угол выхода сейсмического луча, Ф< -его азимут.

Для поперечных волн качество изображения возможно еще улучшить, используя оценку в виде

где

<-1_

|>f е, -г,о»

.-1_

'11X4 ~Ш)Г

isv = j v

xf, xf -проекции полной мгновенной амплитуды на направление SH и SV, остальные обозначения аналогичны обозначениям в формуле (3.1.1).

При распространении сейсмической волны в районах со сложной гетерогенной геологической структурой происходит искажение амплитуд и фаз сигналов вдоль фронта волны. Величина искажений возрастает по мере увеличения длины пути сигнала в срсде и росте частоты колебаний. При большом расстоянии между регистрирующими станциями возникшие искажения могут быть столь значительными, что корреляция сигнала между каналами будет практически утеряна. Использование алгоритма с нелинейным формирователем луча обеспечивает существенное увеличение усиления сигнала, значительно улучшает пространственное разрешение и робастность к параметрической помехе.

При нелинейном суммировании формула (3.1.1) может быть переписана в следующем виде:

s= _

j=l ы

где В j = -ri(P) - линейный функционал - формирователь луча

i-i .

(beam), то есть в первоначальном варианте метода эмиссионной томографии использована процедура расчета линейного формирователя луча. При использовании нелинейного формирователя луча формула (3.1.1) сохраняет свой вид, но формула формирователя луча приобретает вид:

к "V

где Ъ1 = -т,(р))| -гДр))}), N^1 - параметр нелинейности

формирователя луча.

Эти формулы являются обобщением алгоритма реализации эмиссионной томографии во временной области. Эта модификация алгоритма эмиссионной томографии защищена патентом РФ [Чеботарева и др, 2006]

В 3.2 описаны алгоритмы эмиссионной томографии с реализацией в частотной области. Используемые в сейсмологии методы локализации источников, привнесенные из других областях научной деятельности: систем беспроводной связи, оптики, радио- и гидролокации, и пр. - в подавляющем большинстве реализованы в частотной области [Николаев и др,1982; Александров&Мирзоев, 1997; Кушнир& Лапшин, 1997]. Традиционно используемый для локации телесейсмических источников и описанный в предыдущей главе метод Кэйпона М\ТЖ был успешно использован для локализации эндогенных сейсмических источников в ближней зоне приемной группы [Александров&Рыкунов, 1992; Александров&Мирзоев, 1997]. С. И. Александровым предложен также реализованный в частотной области поляризационный фильтр, позволяющий успешно выделять линейно-поляризованный сигнал на фоне плоско-поляризованной монохроматической помехи [Александров,1992; Александров&Узунов,1992]. Использование метода Кзйпона М\ЛЖ, обеспечивающего разрешение выше рэле-евского, при расчете сейсмоэмиссионных изображений создает более острые пики, чем алгоритм (3.1.1) с линейным суммированием. Как показывает численное моделирование, результаты которого приведены в предыдущей главе, методы сверхразрешения теряют свои преимущества при очень слабых сигналах и даже становятся несостоятельными - могут приводить к ошибочной локализации. Поэтому при работе с сигналами очень слабых эндогенных источников методы "сверхразрешения" нельзя считать предпочтительными по сравнению с методами "низкого разрешения" на базе неоптимального формирователя луча, тем более, что при использовании методов "сверхразрешения" соотношение величин пиков в точках локализации сейсмических источников не отражает отношения мощностей сигналов и может очень сильно искажаться в зависимости от геометрии сейсмической группы и положений источников. Последний эффект связан с тем, что функционалы, используемые в методах высокого разрешения, не являются состоятельными оценками пространственной спектральной плотности.

Алгоритмы "низкого разрешения" на базе неоптимального, линейного формирователя луча, к которым относится и вышеописанный алгоритм с использованием формулы (3.1.1), допускают простую реализацию и во временной и в частотной области. При использовании в частотной области "неоптимальный формирователь луча" в русскоязычной литературе имеет эквивалентное название - "простейший групповой фильтр". Пусть "(ехр{-12ж/к=1,...,К) -вектор-столбец фазовых задержек, определяемых временными задержками Ткфц), которые претерпевает между первым и к-м датчиком приемной группы сейсмический сигнал с частотой/] распространяющийся из точки фокусировки

группы с координатам и ps ~ (х„уя zj т. Векторная частотная характеристика простейшего группового фильтра имеет вид

!•*(/) = ЬД/МЬЛЛ hj (/)) = Ь/(У)УК, (3.2.1)

где К - число приемников в группе. Этот фильтр является базовым в алгоритме традиционного пространственного спектрального анализа с низким разрешением: оценка координат р* s источника сигнала соответствуют максимуму по р функционала

Р4(Р)- £ |rA*ap)x(/)f, (3.2.2)

/min

где хф -фурье преобразование x(t)- многоканального сигнала на выходах приемников группы. Формула (3.2.2) может быть переписано в эквивалентной форме как

П(Р) - Jh * (/„,p)F(/0)h(/[P)A/, л»

где i\(/)~ оценка спектральной матрицы многоканального сигнала \(t). Согласно теореме Парсеваля, функционал (3.2.2) эквивалентен (с точностью до нормирующего множителя) функционалу, используемому при реализации алгоритмов эмиссионной томографии во временной области, формула (3.1.1). Следовательно, рассчитывая матрицы значений Рь(р) и S(p) по трехмерной пространственной сетке опроса, мы должны получить примерно одинаковые изображения, в которых максимумы яркости (максимумы значений функционалов Рь(р) и S(p) ) соответствуют положению сейсмических источников, что действительно наблюдается при обработке модельных и реальных данных.

При расчете изображений геосреды несомненный интерес представляют методы обнаружения и оценки параметров сейсмических сигналов, маскируемых сильными когерентными помехами, в частности, описанные в предыдущей главе и реализованные в частотной области статистически оптимальные алгоритмы адаптивной и режекторной пространственной фильтрации, разработанные для анализа телесейсмических событий [Кушнир и др,1990, Гулько и др,1990]. При известных координатах источников когерентных помех, успешное подавление когерентной помехи обеспечивает режекторный фильтр

- т\1[ълл т шг,

B(/)=[i - Qn(/)(Qn*(/) Qn(/)) ~l Qn*C/)], где I-единичная матрица, \i„(J)=(exp{-i2nf it(Pn)}, k-1.....К) определяется временными задержками хфп) когерентной помехи, генерируемой источником с известными координатами р„ , при ее распространении между первым и к-м датчиком группы, Q„(/)=[ b„, h^..., h„,]- матрица составленная из г столбцов, каждый из которых соответствует вектор-столбцу фазовых задержек когерентных помех, генерируемых источниками с координатами />„/, р„2,. .. Pur- Если информация о координатах источников помех отсутствует, либо помеха является результатом действия большого числа источников когерентных помех и диффузного сейсмического шума, целесообразно применение адаптивного оптимального группового фильтра, обеспечивающего максимальное выходное отношение сигнал-помеха (и обеление остаточной помехи):

где Р;'(/)- оценка обратной комплексной спектральной матрицы помех. Аналогично формуле (3.2.2), распределение интенсивности в изображении с использованием адаптивного оптимального группового фильтра определяется формулой:

р ,0) = /уЬ*(/о.Р)Рп-'(/о)Р,(/о)Рп-'(/0)Ь(/0,р)

* /.» Ь*(/»,р)Рп"'(/о)Ь(/0,р) Как следует из вышеприведенной формулы, при реализации алгоритма групповой адаптивной фильтрации необходимым этапом является адаптация по сейсмическим записям, содержащим только сигнал от мешающего источника. В реальных условиях часто нет возможности получить сейсмические записи "чис той помехи", обычно регистрируется смесь сигналов от мешающих и полезных источников. Многоканальный адаптивный фильтр работает и в таких условиях, проявляя свойство самоадаптации, но поведение фильтра не столь устойчиво и эффективно, как при адаптации по "чистой помехе".

Соискателем была проведена адаптация упомянутых выше алгоритмов адаптивной и режекторной пространственной фильтрации для использования в эмиссионной томографии, что детально описано в разделе. В связи с сильным увеличением числа каналов и особенностями сигналов от полезных и мешающих источников в ближней зоне приема использованные ранее алгоритмы пришлось существенно видоизменять, дополнять и тестировать. Также соискателем были разработаны два дополнительных альтернативных фильтра для компенсации когерентной помехи (адаптивно - режекторный и простейшим группопым фильтром с режекцией), которые в комплексе позволили сформулировать критерий для оценки значений вспомогательных параметров, необходимых при численной реализации всех вычислительных алгоритмов. На результатах численного моделирования проиллюстрирована степень зависимости качества изображения источников от значений регуляризационных параметров - при неправильном выборе параметров фокусировка изображения может быть полностью развалена.

Пусть £",(/) = и(/)1)(/)и*(/) - сингулярное разложение оценка спектральной матрицы где Щ/) - матрица столбцов ортогональных нормированных собственных векторов, Щ/) - диагональная матрица упорядоченных по убыванию собственных значений. Обнулим в матрице Щ/) выбранные первые наибольшие собственные значения и обозначим новую матрицу как Й(/). Тогда изображение с использованием простейшего группового фильтра с режекцией определяется формулой:

л.

Устраним из матрицы и(/) столбцы, соответствующие наибольшим собственным векторам, которые не должны быть использованы при реконструкции изображения, и обозначим новую матрицу как 0(/). Тогда формула для изоораже-

ния с использованием группового адаптивно - режекторного фильтра примет вид:

рг(Р)*> »(/) = И-0(/)(и-(/)и(/))-04/)]•

г! ь*(Л,р)В(/0)КЛ,р)

Два последние фильтра обладают важным полезным свойством. Если при адаптивной фильтрации мы практически не можем контролировать степень усиления слабых сигналов относительно друг друга, то здесь ситуация совсем иная. Последовательно увеличивая число устраняемых наибольших собственных значений и собственных векторов можно получать изображения все более и более слабых источников. Тем не менее, при адаптивной фильтрации возможно получить лучшее пространственное разрешение, что особенно заметно при малом шаге сканирования.

Описаны результаты подробного численного имитационного моделирования, проведенные для оценки эффективности алгоритмов и выявления особенностей их работы.

В разделе 3.3 аналитически и с помощью численного моделирования исследованы вопросы, важные при планировании эксперимента и интерпретации результатов - зависимость пространственного разрешения от длины волны, размера приемной группы и положения источника; вопрос выбора схемы расстановки регистрирующих приборов; влияние на качество изображения неточности в определении фазовых сдвигов и скоростной модели; количественная оценка необходимой точности определения координат группы в зависимости от диапазона частот исследований.

В оптике, согласно критерию Рэлея, пространственное разрешение определяется размером пятна в изображении точечного источника, на краю которого яркость спадает на 60%/. Радиус такого пятна выбирается в качестве оценки точности определения координат источника. Согласно сделанным в работе оценкам, для сейсмических приложений такое пятно при 0^1 ¿20 имеет продольный и поперечный размеры: 0.4А ^ < 2А и 1А 5 <5,2 32А. Здесь О - апертура приемной группы, £ - расстояние от центра группы до источника. Если не столько важна задача разрешения близких источников, сколько более точная локализация границ излучающей области, то можно ориентироваться на меньший размер яркого пятна, например, с 10-15%-ным уменьшением яркости на границе. При этом размеры пятна в изображении сейсмического точечного источника 0.1А < <5\ < ОДА и 0.2А 5 г1! 2 5А .

На качество изображения сейсмических источников существенное влияние оказывает неточность в определении фазовых сдвигов при суммировании каналов, причиной которых служат различные факторы. Все канала приемной группы должны быть идентичными и откалиброванными. Если используются различные регистрирующие приборы, обязательно снятие влияния амплитудно-частотной характеристики приемного канала. Наличие случайных неоднород-ностей среды приводит к флуктуациям амплитуды и фазы сигналов [Чернов Л.А.,1977; Николаев А.В.,1973]. Такого рода искажения сигнала, как и влияние разломных зон и областей сильного затухания устранить нельзя. Если известны

параметры неоднородности среды, можно только оценить влияние вносимых искажений. К ошибкам в фазовых сдвигах приводит неточность в скоростной модели среды. Такую ошибку можно уменьшить улучшением качества скоростной модели, хотя построение адекватной скоростной модели - это отдельная сложная задача. Существуют причины ошибок легко устранимые, которые ¡¡здо обязательно принимать во внимание при проведении эксперимента по эмиссионной томографии. К таким причинам относятся ошибки при локализации координат точек регистрации. Аналитически и с помощью численного моделирования показано, что при работе в диапазоне частот 10-30 Гц допустимая неточность локализации координат составляет&г* =1-2м, для диапазона 30-60 Гц допустимая ошибка &* =0.5 м.

В разделе 3.4 дано краткое описание алгоритмов трассировки лучей, использованных в представленной работе при обработке экспериментальных данных и реализованные автором в виде компьютерных программ.

Раздел 3.5 является приложением к Главе 3 и состоит из двух частей. В первой части изложены аналитические выкладки, с помощью которых получены формулы центральных моментов распределения меры Semblance для диффузной помехи и для смеси когерентного сигнала в виде функций от числа каналов, временного окна, отношение сигнал/помеха, коэффициент зависимости от-диаграммы направленности и геометрического расхождения волн. Во второй части приведены аналитические выкладки, с помощью которых получены формулы зависимости продольного и поперечного пространственного разрешения в ближней зоне приемной группы от длины волны излучения, апертуры группы, координат источника.

Далее, в главах 4-6 приведены результаты использования при обработке реальных данных развитых алгоритмов и методик эмиссионной сейсмической томографии при разных масштабах исследований и в разной помеховой обстановке.

Глава 4. Локализация эндогенных источников по записям сейсмического шума и коды местных землетрясений. Реализация алгоритмов во временной области, линейный формирователь луча

Метод эмиссионной томографии с реализацией алгоритмов во временной области с линейным формирователем луча был опробован на записях сейсмических наблюдений в сейсмоактивном районе вулканический фронт на территории северо-восточной Японской дуги, префектура Nikko, о.Хонсю, Япония. Здесь в горах на высоте 650 -1300 м над уровнем моря, в течение полутора месяцев функционировала временная сейсмическая сеть с апертурой 7 км, состоящая из 195 трехкомпонентных станций, настроенная на регистрацию слабых локальных землетрясений. При построении изображений были использованы записи локальных землетрясений с М=2.5 - 3. Гипоцентры этих землетрясений имеют примерно одинаковую глубину (8-9 км) и распределены вокруг приемной группы. Для каждого землетрясения запись имеет фиксированную длину, равную 20 секундам с частотой опроса 200 Гц. Анализировался сейсмический шум в интервале 0-3.6 сек перед Р-волной местных землетрясений и S-

излучение из ни жней части разлома, более высокочастотное, чем излучение из верхней части. При простом рассеянии, в линейной среде такого быть не должно, так как высокочастотное излучение сильнее затухает с ростом расстояния. Полученный результат явно свидетельствует о нелинейном механизма генерации излучения на глубинах более 3 км и переброски энергии техногенного излучения в высокочастотную часть спектра. Такие явления возможны в нелинейных средах [Руденко, 1986]. В работе [Павленко, 2009] показано, что при прохождении достаточно мощного шума с ограниченным спектром через нелинейные грунты спектры колебаний стремятся преобразоваться к виду £(/)- /"', при этом энергия частот входных сигналов переходит не только в низкочастотную, но и в высокочастотную области спектра. Аналогичные эффекты можно ожидать и на больших глубинах, в зонах с повышенной нелинейностью.

По записям второго дня наблюдений и записям первого дня при ослаблении помехи проявляется еще один излучающий объект. Область излучения выглядит как вертикальный шнуроподобный источник или несколько сливающихся в вершине источников, охватывает диапазон глубин 1-6 км, рис.2(г). Этот источник расположен под шумящей скважиной, вне разломной зоны в средине целого блока. В вершине шнуроподобного источника, на глубине 1-3 км виден тот же тонкий объект, что и при адаптивной фильтрации на времени интенсивных техногенных пульсаций. Малоразмерные в плане и протяженные по глубине трещинные объекты на территории западной Сибири выделялись и ранее, их существование связывается с вихревыми структурами - зонами скручивающих напряжений. P.M. Бембелем разработаны специальные методы высокоразрешающей сейсморазведки [БембельД991] для выявления таких объектов, результаты которых подтверждены бурением. Очаги повышенной концентрации проводящих каналов названы им геосолитонными трубками. В геосолитонных трубках могут формироваться месторождения жильного типа и многоэтажные месторождения, с корнями подпитки, уходящими в кристаллический фундамент, достигающие мантии. В одной из своих статей, чрезвычайно большой приток нефти в скважине именно на данном месторождении P.M. Бембаль [Бембель,2006] связывает с наличием здесь геосолитонной трубки и попаданием скважины в ее ядро. Наши результаты согласуются с предположением Бем-беля. По совокупности известных фактов, выделенная система шнуроподобных источников интерпретируется как высокопроницаемая зона деструкции, обусловленная вихревой геологической структурой [Бембель,2006; Ли Сы Гу-ан,1958; Дмитриевский,1993; Володин,1999; Мирлин,2006].

Необходимо подчеркнуть один экспериментальный факт: сильное сейсмическое воздействие на среду, например, прохождение сейсмической волны, временно меняет вид распределения источников. У шнуроподобного источника мощность излучения начинает сильно изменяться по глубине, появляются боковые детали. У структуры, видимой в нижней части объема при адаптивной фильтрации на времени после экстремально сильной пульсации, при обычном режиме пульсаций (записи типа I) видна только одна деталь, иногда правая, иногда левая.

Второй день наблюдений отделен от первого промежутком в 9 дней. На сейсмических записях второго дня интенсивные помеховые пульсации отсутствуют, но наблюдаются нерегулярные сейсмические фазы, часто с очень большой кажущейся скоростью, что соответствует сигналам от источников, расположенных под площадкой наблюдений. Один из наблюдаемых типов сейсмических фаз- это короткие фазы с четкими вступлениями, которые характерны для тектонических событий, микроземлетрясений. Положение изображений источников таких фаз совпадает с пересечением разломных зон и эти фазы, по всей видимости, являются результатом небольших тектонических подвижек, инициированных процессом разработки.

На последнем часе суточных наблюдений на записях наблюдается сильное низкочастотное событие. Оно является низкочастотным и на все каналы приходит почти одновременно. При фильтрации в полосе частот 10-50 Гц сильное вступление четко не выделяется, но непосредственно до него и после видны слабые по амплитуде, но продолжительные по времени сейсмические фазы с нечеткими вступлениями. Похожие фазы видны на записях и значительно позже, через 23 минуты после сильного низкочастотного вступления. На времени существования этих фаз на изображениях среды выявляется всплывающий внутри разломной зоны солитоиоподобного источника сейсмического излучения, рис.3. Он появляется у основания кубика, всплывает вверх внутри разломной зоны, свечение временно прекращается через 3 минуты после сильного низкочастотного сейсмического события, затем возобновляется снова, спустя 20 минут, около конца записей. Скорость вертикального движения около 10 м/сек.

Рис.3. Сейсмоэмиссионные изображения для второго дня наблюдений, алгоритм с использованием простейшего группового фильтра, 10-30 Гц. Цифры -начало временного интервала в секундах относительно времени сильной низкочастотной фазы, знак "минус" означает, что начало интервала расчета изображения предшествует времени сильного вступления. (а)-трехмерные изображения, (б) - проекции исследуемого объема на горизонтальную плоскость. Сплошные линии - тектонические разломы. Временное окно накапливания сигнала 100 сек.

Имеется несколько простых схем, теоретически описывающих возможность существования всплывающих объектов в горном массиве. В работе академика Е.И. Шемякина [Машуков и др, 1997] и его коллег описывается механизм

всплытия на дневную поверхность полостей или областей аномального разуп-

90(а4) 90(61)

лотнения пород. В результате всплытия фронта разуплотнения, сопровождающегося характерными сдвиговыми деформациями, образуется канал с вертикальными стенками. Процесс может развиваться медленно, годы и даже сотни лет, но возможно смещение пород и в виде срыва, в взрывном режиме. В работах Д.И. Иудина [Иудин и др, 1994; 1ис1ш,1996; 1ис1т е1 а1, 1999] рассматривается другой механизм - возможность всплытия связанной системы флюидозапол-ненных трещин или пор. Этот процесс также может протекать как медленно, так и во взрывном, перкаляционном режиме. Учитывая возможность взрывных режимов, полученная оценка скорости всплытия объекта не является пугающе большой, она может соответствовать докритическому режиму упомянутых механизмов. К тому же, обнаруженный объект может иметь и совсем другую природу, например, быть чисто сейсмическим или сейсмо-электромагнитным проявлением.

В 5.3.описаны результаты исследования процесса гидроразрыва на территории газового сланцевого месторождения в США. По поводу добычи сланцевого газа нет однозначного мнения. Основное преимущество сланцевого газа — близость к рынкам сбыта, но при этом его себестоимость гораздо выше себестоимости классической добычи. Технология добычи, безусловно, приносит большой экологический вред, затрагивает большие площади и предусматривает значительное техногенное воздействие на среду (закачку больших объемов воды в смеси с песком и химическими веществами). Жидкие взвеси и растворы попадают в подпочвенные воды, а оттуда - в водоемы. Сланцевый газ, преимущественно метан, содержится в осадочной породе в небольших количествах. Технология добычи сводится к бурению большого числа горизонтальных скважин и созданию трещин гидроразрыва в скважине через определенные интервалы. Вследствие низкой концентрации газа в породе дебит пробуренных скважин быстро сокращается. В таких условиях, в случаях, когда все-таки ведется разработка сланцевых месторождений, для обеспечения устойчивой добычи газа необходимы высокоэффективные методы , с одной стороны, мониторинга состояния среды для поддержания эксплуатационных характеристик уже пробуренных скважин,, с другой стороны стороны, для контроля процесса гидроразрыва и минимизации экологического вреда.

При полевых исследованиях регистрация проводилась сейсмической площадной группой из 293 вертикальных сейсмографов,. Апертура группы 3 км, перепад высот рельефа 300 м. Изображения геоереды строились в кубическом объема с ребром 3 км и шагом опроса 30 м. Большое число регистрирующих датчиков и высокое качество эксперимента позволило получить изображения среды на частотах до 100 Гц.

Перфорационные взрывы, не смотря на их малую мощность, обеспечивают дополнительную сейсмическую подсветку и позволяют выявить зоны интенсивного рассеяния. По сейсмическому шуму и перфорациям выделены эмиссионные источники и дана их интерпретация. Дана интерпретация наблюдаемого сценария сейсмического процесса на времени 4-ой стадия гидроразрыва, некоторые детали которого показаны на рис.4. Обнаружено возникновение высокочастотного (60-100 Гц) эмиссионного свечения блока среды, перед возникнове-

нием индуцированного землетрясения с локализацией у его основания, рис.4(в). Землетрясение является следствием поворота блока среды вокруг тонкого основания, что инициировано техногенным воздействием (закачкой раствора) на верхнюю часть блока.

В диапазоне частот 10-30 Гц для всех образцов сейсмических записей преобладающие источники - сигналы слабых землетрясений. Для сейсмических записей до гидроразрыва источники расположены вне исследуемого объема, для записей гидроразрыва большинство источников расположено внутри исследуемого объема, что является результатом релаксации напряжений в массиве пород. По шуму и перфорациям в диапазоне 40-60 Гц выявляется сложпопостро-енная протяженная эмиссионного зона излучения в широком диапазоне глубин, являющаяся, по всей видимости, системой межблочных швов. Она активизируется на времени закачки раствора. В диапазоне 60-100 Гц видны те же источники, что и в диапазоне 40-60 Гц, но менее четко.

Сильное техногенное воздействие на среду приводит к существенному изменению пространственного распределения эмиссионных источников. До начала увеличения давления в диапазоне 40-60 Гц, рис.4а, выявляется область гидроразрыва, сформированного на предыдущих стадиях в виде зоны объемного разрушения. После начала закачки раствора эмиссионное свечение распространяется вниз по области межблочных швов и вверху над областью гидроразрыва. В диапазоне 60-100 Гц воздействие на среду на предыдущих стадиях гидроразрыва привело к полной хаотизации шумового поля - до начала закачки раствора распределение интенсивности в изображении равномерное, все фоновые источники гаснут, рис.4а. После начала закачки раствора появляются наведенные сейсмических источников с неустойчивой локализацией. После снятия техногенной нагрузки распределение интенсивности сразу становится снова равномерным, по через сутки восстанавливается пространственное распределение эмиссионных источников, близкое к первоначальному фоновому.

При установившемся состоянии фоновых колебаний геосреды диссипация энергии в виде сейсмического излучения локализуется на определенных геологических структурах. Техногенное воздействие приводит к образованию корот-коживущих высокочастотных виртуальных сейсмических структур, являющихся проявлением пространственных флуктуации сейсмической энергии. Некоторые из короткоживущих областей излучения можно связать с геологическими объектами. Например, на времени интервала увеличения давления (500-600 с) возникает высокочастотное свечение блока в северо-западной части объем перед сдвоенным землетрясением у его основания. Вероятная причина землетрясения - тектоническая подвижка при развороте деформированного блока вокруг его тонкого основания, инициированной закачкой жидкости у верхушки блока. О большой подвижности этого блока среды косвенно свидетельствует понижение рельефа над областью расположения блока.

Возможность существования короткоживущих структур имеет теоретическое и экспериментальное обоснование [Володин, 2003; Сбоев, 1988а]. В фоновом состоянии в геосреде формируется многомасштабная пирамида коллективных движений, где движение на каждом масштабе, являясь коллективным эф-

фектом множества движений всех предыдущих масштабов, модулирует эти движения. Появление очага неравновесное™ в результате внедрения флюида, кумулятивного техногенного воздействия и пр. "разваливает" огибающие высоких порядков (низкочастотные моды) и приводит к перетеканию энергии этих коллективных движений на более высокие частоты. Эти процессы могут приводить к концентрации высокочастотной энергии в малом объеме, к волновым коллапсам. Для их возникновения необходимо выполнение определенных соотношений между амплитудой огибающей и ее пространственной производной, что накладывает условие на связь частоты и амплитуды колебаний. В зависимости от значений управляющих параметров, скорость взрывной компрессии импульса может варьироваться и приводить к существованию наведенного сейсмического источника, действующего в течение определенного времени.

«в тт

60-100Гц

ЬМ-

■ п

I ««

. 40-60 Гц

Ш >!

'¿т

р. (Г •

■ ; х-

I '1

10-30 Гц

(а)300-400с (б)400-500с (в)500-600с (г)700-800с

Рис.4. 4-ая стадия гидроразрыва,. Цифры внизу - интервал текущего временного окна при расчете изображений в секундах, а-до начала увеличения давления, б-интервал нарастания давления, в, г -интервал устойчиво повышенного давления. Область перфорации - в центре системы вертикальных трещин на рис.4(а), 40-60 Гц.

Глава 6. Локализация эндогенных источников при сильной пространственной декорреляции сигнала. Реализация алгоритмов во временной области, нелинейный формирователь луча

При хорошей корреляции сигнала между датчиками приемной группы алгоритмы эмиссионной томографии с линейным формирователем луча во временной или в частотной области могут быть прямо использованы для локализации

не только шумовых, но и квазиимпульсных сейсмических источников излучения (сигналы от взрывов и землетрясений). При использовании сейсмической сети станций с большим расстоянием между точками регистрации и сильной неоднородности среды пространственная корреляция высокочастотных записей нарушается. Декорреляция сигнала по группе может быть столь значительна, что фокусировка изображения источника с помощью алгоритмов с линейным формирователем луча полностью нарушится. В таких условиях необходимо использовать модификацию метода эмиссионной томографии с нелинейным формирователем луча, позволяющую эффективно работать в условиях плохой корреляции сигналов. Для локализации источников сильных сигналов можно использовать и метод с линейным формирователем луча, но тогда необходима предобработка данных с целью замены слабо коррелированных высокочастотных волновых форм высоко коррелированными низкочастотными функционалами от регистрируемых сигналов, например, способами, изложенными в [Ringdal et al, 1972; Gibbons et al, 2008; Cox, 1973; Bungum et al, 1971; Kushnir et al, 1990].

В 6.1 продемонстрированы возможности использования эмиссионной томографии для быстрого операторного определения координат источников местных землетрясений и взрывов как при использовании сейсмических групп с небольшой апертурой, так и сейсмических сетей с большими линейными размерами. В последнем случае используется модификация алгоритма с нелинейным формирователем луча или предобработка исходных данных с целью замены слабо коррелированных высокочастотных волновых форм высоко коррелированными низкочастотными функционалами от регистрируемых.

В 6.2 описана разработанная и опробованная методика применения эмиссионной томографии в условиях сильного искажения сигнала при распространении в латерально неоднородной среде, позволяющая проводить исследования нижней коры и верхней мантии. Показано, что использование нелинейного формирователя луча повышает устойчивость метода к влиянию параметрической помехи и позволяет получать изображения среды в случае, когда алгоритм с использованием линейного формирователя луча теряет работоспособность. Получены изображения геосреды по записям сейсмического шума и коды местных землетрясений, зарегистрированным Киргизской сетью станций (рис.5), показывающие, что пространственное положение зон рассеяния сейсмических волн в диапазоне глубин 0-30 км отражает геометрию особенностей поверхностного горного рельефа, а в переходной зоне кора-мантия проявляется структура узких вертикально вытянутых неоднородностей.

Известные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности наличия в месте проведения наблюдений интенсивных восходящих флюидных потоков. Известно, что для центрального Тянь-Шаня характерен расслоенный тип земной коры, характеризующийся наличием волноводов и электропроводящих слоев, чья повышенная удельная проводимость связывается с поступлением горячих растворов из нижних горизонтов через субвертикальные зоны, соединяющие эти горизонты, на геоэлектрическом разрезе прослеживается прогиб электропроводящих структур до глубин более 80 км [Брагин, 2001].

(а) (б)

Рис.5. Послойные горизонтальные изображения литосферы под сетью KNET по записям (а)-коды местных землетрясений и (б)- сейсмического шума для глубин 0-150 км (продольные волны), предварительная частотная фильтрацией в полосе 0.1-2 Гц.

Литосферные скоростные вариации в районе наблюдений, к востоку от Таласо-Ферганского разлома, обусловлены неоднородностью состава или температур [Reocker et al, 1993]. Скорость поперечных волн в коре центрального Тянь-Шаня на глубине 10-35 км на несколько процентов ниже, чем за его пределами, а переход от верхней мантии к коре происходит в более широком интервале глубин, что связывается с вертикальной интрузией мантийного материала в кору [Kosarev et al, 1993]. В этом же районе наблюдается аномалия поляризации поперечных волн [Makeeva et al, 1992], которая ;.южет быть объяснена тем, что течение мантии в этом районе отличается от пассивной реакции на сжатие, характерной для западного Тянь-Шаня, и обусловлено наличием восходящей термической аномалии (мантийного плюма) и мелкомасштабной конвективной ячейки. Анализ вариаций поля поглощения короткопериодных сейсмических волн в этом районе [Копничев и др, 2007; 2010] показал, что перед сильными землетрясениями в нижней коре и мантии формируются области повышенного поглощения поперечных волн и существенные временные вариации структуры поля поглощения, что объясняется активной миграцией ювениалыюго флюида в нижней части коры и в верхней мантии. Это предполагает наличие высоко-

проницаемых вертикальных каналов, насыщенных флюидом и мантийных корней разломов.

По результатам скоростной томографии с использованием разных экспериментальных данных, отличающихся методов и алгоритмов [Адамо-ва&Сабитова,2004; Усольцева&Санина,2006; Винник и др.,2006; Сабитова,2006; Копничев&Соколова,200б;], под горными хребтами до глубин 35-50 км выявляются однородные объемы пониженных скоростей, а в переходной зоне кора-мантия обнаружено наличие аномально низких скоростей продольных волн в области (р =41.5°-43.0°;Я = 73.5°-75.5°). Неоднородности в переходной зоне связываются [Сабитова,2006] с внедрением в кору разогретого мантийного вещества, что может рассматриваться как развитие мантийного плюма, в частности, ответвления Тибетского плюма, контролирующего геодинамические процессы в пределах Высокой Азии. Результаты скоростной томографии полностью согласуются с результатами эмиссионной. Координаты низкоскоростной неоднородности по глубине и в плане совпадают с положением выявленной в данной работе на глубинах 50 км - 90 км кольцевой структуры тонких вертикально вытянутых неоднородностей, которая видна в центре горизонтальных срезов на рис.5(а) и рис.5(б).

Как следует Из выше приведенных экспериментальных результатов, проявившаяся на изображениях литосферы на глубинах 50 км - 100 км кольцевая система квазивертикальных рассеивающих неоднородностей может быть системой высокопроницаемых деструктивных зон, обеспечивающих внедрением мантийного флюида в кору, и, возможно, потоков с обратной направленностью флюида, обеспечивающих перемешивание вещества в коре и мантии. Корреляция распределения неоднородностей с поверхностным рельефом также находит объяснение в связи с приуроченностью к горным хребтам низкоскоростных и сильно поглощающих зон. Схожесть на всех глубинах изображений, полученных по шуму и коде, говорит о том, что проявившиеся в обоих случаях детали являются результатом рассеяния распространяющегося сейсмического излучения на латеральных неоднородностях среды.

Глава 7. Критерий степени упорядоченности режимов колебаний для анализа пространственной и временной изменчивости динамики геофизической среды

В главе описаны алгоритмы пространственно - временного анализа динамики геосреды, разработанные с использованием в-энтропии Климонтовича, и их экспериментальное опробование. Этот подход к обработке данных не связан напрямую с эмиссионными источниками. Однако, экспериментальные результаты, полученные с его использованием, свидетельствуют о том, что эмиссионное излучение оказывает существенное влияние на динамику сейсмического шума.

В 7.1 описан развитый для анализа временной изменчивости состояния геосреды алгоритм обработки экспериментальных данных.

Для замкнутых систем мерой неопределенности (хаотичности) состояний при статистическом описании является энтропии Больцмана. В случае откры-

тых систем ее использование не является корректным, так как закон распределения определяется не только структурой режима колебаний, но и изменяющейся энергией системы. В последнем случае, согласно в-теореме Климонто-вича [Климонтович,1995], в качестве корректной оценки относительной степени упорядоченности двух состояний должна быть использована перенормированная энтропия Больцмана, при этом нормировка проводится таким образом, чтобы выровнять средние энергии двух сравниваемых состояний. В качестве функции распределения для экспериментально измеренных данных (в нашем случае - мгновенные амплитуды сейсмического шума) в представленной работе использованы оценки спектра мощности, основанные на авторегрессионной модели процесса.

Ранее, в ряде биологических исследований с использованием перенормированной энтропии было показано, что живые организмы, как сложные многокомпонентные открытые нелинейные системы, нормально функционируют в определенном диапазоне значений этой меры упорядоченности, называемом нормой упорядоченности [Климонтович,1998; Анищенко, 1994,1997; Пархоменко, 1996]. Выход за пределы нормы упорядоченности является индикатором патологии, а внезапный выход и может привести к гибели системы. Если рассматривать сейсмический шум как проявление режима динамического хаоса в геофизической среде, то можно проверить гипотезу, что реализуемый в Земной коре тип хаотического аттрактора также имеет норму упорядоченности колебаний (возможно, локальную), отклонение от которой вследствие тектонических или других воздействий приводит к катастрофическим явлениям.

Описаны результаты численного моделирования с целью тестирования алгоритма и реализующей его компьютерной программы с использованием модельных временных рядов, сгенерированные с помощью логистического отображения, которое описывает переход к динамическому хаосу по сценарию Фейген-баума: Численное моделирование и результат обработки реальных данных подтверждают факт того, что именно перенормированная согласно алгоритму Б-теоремы Климентовича энтропия является корректной оценкой состояния геосреды, а использование ненормированной энтропии Больцмана приводит к неверным результатам.

Критерий степени относительной упорядоченности режимов сложных колебаний в представленной работе впервые был использован для количественной оценки временной изменчивости состояния геосреды по записям сейсмического шума, зарегистрированного в сейсмоактивном районе на территории Ирана. Показано, рис.7, что на временах близких сильных коровых землетрясений с магнитудами 4.5 < М <6.3 и эпицентрами на расстояниях меньших 300 км от площадки наблюдений на кривой перенормированной энтропии выявляются интервалы увеличения степени упорядоченности фоновых колебаний длительностью 10-12 дней. Нижняя кривая показывает поведение значений энтропии Больцмана, никаких особенностей на времени землетрясений на ней не просматривается.

Наличие минимумов кривой Л?* на временах близких сильных землетрясений можно объяснить следующим образом. В гетерогенной геосреде возможно

существование ансамблей связанных осцилляторов различной природы. Основная энергия взаимодействия между ними передается через упругие связи на контактах. Для таких гетерогенных систем характерна нелинейная динамика [Руденко,2006; Зайцев,2007], в результате которой возникает коллективный эффект - синхронизация колебаний осцилляторов с совпадением частот и фаз колебаний [Пиковский и др,2001].

Рис.7. Относительная степень упорядоченности по экспериментальным данным. &S* - энтропия, перенормированная согласно алгоритму S-теоремы, &S -энтропия Больцмана. Светлые и темные значки соответствуют измерениям в двух разных точках, находящихся на расстоянии 1 км. Треугольниками на верхней оси времени помечены моменты наиболее сильных землетрясений: 1 -8 толчков 4.6 <.М<, 5.3 с близкими эпицентрами, расстояние 650 км, 2 - М = 4.0, расстояние 120 км, 3 - М = 4.7, расстояние 280 км, 4 - М = 4.9, расстояние 280 км, 5 - 5 толчков 4.5 < м < 6.3, расстояние 100 км.

Переход к синхронизации описывается аналогом процесса фазового перехода второго рода - переходом Курамото- и происходит в виде флуктуаций, различных кластеров, «звучащих» как на несущей частоте синхронизации, так и на низкочастотных волнах, модулирующих эту частоту. В зависимости от величины геостатического давления и плотности потока энергии возникают различные критические уровни, на которых происходят синхронизации нелинейно связанных ансамблей осцилляторов в различных кластерах. Какое их состояний более устойчиво - синхронное или асинхронное — зависит от силы связей между осцилляторами и распределения автономных частот определяемых неоднородностью геосреды. Процесс синхронизации начинается, когда влияние первого параметра превышает влияние второго, а их совпадение соответствует критическому состоянию. Возрастание потока энергии или поля напряжений при техногенном воздействии на среду создает условия для фазового перехода, который начинает происходить в режиме флуктуаций, образуя в каждый момент распределенную в объеме среды систему кластеров. По-существу, формируе-

мые кластеры как результат процесса самоорганизации (согласно Ю.П. Кли-монтовичу) являются днссипативпыми структурами на потоке энергии с временем жизни, экспериментально оцениваемом по нашим данным как 10-12 дней. При увеличении потока энергии в геологической среде выше некоторого критического уровня происходят два процесса. С одной стороны, формируемое на кластерах синхронизации контрастное распределение частот существенно снижает описа1шую выше энтропию спектра сейсмического эмиссионного излучения. С другой стороны, возбуждение новых структурных элементов земной коры при новом уровне энергии аналогично включению стохастического источника Ланжевена и, вообще говоря, увеличивает величину энтропии. Поэтому оба эти процесса компенсируют друг друга, не позволяя с помощью критерия обычной энтропии зафиксировать возрастание потока энергии. Переход же к перенормированной энтропии снимает влияние второго фактора, делая этот критерий эффективным.

Описаны результаты опробования метода для количественной оценки эффективности воздействия на среду при проведении гидроразрыва, которые показывают, что современные поверхностные сейсмические системы регистрации позволяют отслеживать процесс подготовки образования трещины гидроразрыва на глубине более 2 км по записям одиночных приборов. При этом кривые меры упорядоченности, рис.8, показывают до начала закачки постоянство, норму упорядоченности, затем, на начальном этапе закачки, некоторое увеличение степени хаотизации состояния среды с последующим увеличение степени упорядоченности с резким всплеском и возвращение к норме хаотизации после образования гидроразрыва.

Рис.8. Изменение во времени значений перенормированной энтропии Д£*по записям гидроразрыва, слайды 1 и 2 различаются масштабом по вертикальной оси

Полученный результат показывает, что метод может быть использован для контроля состояния среды при разработке месторождений полезных ископаемых и для количественной оценки эффективности внешнего воздействия, например различных типов воздействий на нефтяную залежь с целью интенсификации отбора нефти. Мера упорядоченности показывает не только тенденцию

отклонения от исходного состояния, но дает количественную оценку величины отклонения, что обеспечивает возможность оперативной коррекции работ. Также метод может быть использован для локального контроля состояния среды при разработке месторождений полезных ископаемых и для краткосрочного прогноза катастрофических сейсмических событий в коре Земли, которым предшествует возрастание энергонасыщенности геологической среды, таких как землетрясения, оползни, снежные лавины.

В 7.2 описано теоретическое обоснование и экспериментальное опробование нового метода локализации эндогенных объектов, который позволяет локализовать глубинные источники, сигнал от которых отличается по степени хаоти-зации от фонового шума. При этом не используется информация о скоростной модели и измерения волнового поля проводятся последовательно в точках регистрации по профилю или площади, а не одновременно, что является принципиальным положительным отличием нового метода от традиционных методов локализации источников. Соискателем получены аналитические выражения для значений приращения перенормированной энтропии при смещении точки наблюдения как зависимости от параметров излучения, геометрического расхождения и координат источника. Показано, что особенности геометрии кривой меры упорядоченности позволяют не только картировать объект, но и оценивать глубину его залегания. При экспериментальном опробовании метода были использованы сейсмические записи, сделанные вдоль геофизического профиля над грязевым вулканом горы Карабетова, расположенным на Северном Кавказе - на Таманском полуострове. Измерения производились последовательно во времени в 19 точках с шагом около 420 м. Профиль был заложен таким образом, чтобы он пересекал субмеридиональную систему разломов. Были использованы записи вертикальной составляющей волнового поля. Полоса частот регистрации 0.03-10 Гц. По записям сейсмического шума был локализован грязе-вулканический резервуар, расположенного на глубине 1.0-1.5 км и являющийся флюидонасыщенной гетерогенной системой с повышенными нелинейными свойствами. Ранее, методом микросейсмического зондирования по низкочастотной части записей (<1 Гц), по тем же данным, под вершиной горы была выявлена узкая вертикальная низкоскоростная зона, ассоциируемая с флюидона-сыщенным подводящим каналом, область питания которого находится на глубине 4.5-9 км, а на глубине 0.8-1.5 км выделена низкоскоростная зона, интерпретируемая как приповерхностный грязевулканический резервуар [Собисевич и др, 2008]. При этом обрабатывался не только низкочастотный диапазон записей (<1 Гц), но и высокочастотный. В отличие от метода микросейсмического зондирования, основанного на обработке поверхностных волн, преобладающих в низкочастотном диапазоне, наш метод ориентирован на обработку объемных волн, поэтому мы можем использовать весь диапазон, в котором излучают источники. Использование высокочастотного диапазона позволяет существенно улучшить точность локализации источников. Центральная часть построенной модели в точности совпадает с положением низкоскоростной неоднородности, выявленной в работе [Собисевич и др, 2008]. Вследствие применения различных методов и различных диапазонов частот, результаты являются независи-

мыми. Их хорошее совпадение, обнаруженное в процессе обработки данных, является подтверждением достоверности полученных результатов.

В использованном в данной работе методе локализации оценка глубины источника и его геометрии достаточно грубая, но существенным преимуществом метода является то, что вместо площадной сейсмической группы можно использовать одноточечную последовательную регистрацию вдоль профиля или по площади. Это несравнимо по финансовым затратам с площадной регистрацией и при этом легко могут быть обследованы большие площади. Затем на выделенных площадках можно проводить исследования с помощью более дорогостоящей и трудоемкой площадной регистрации, нацеленные на детальное изучение выявленных объектов, например, методом сейсмической эмиссионной томографии.

Глава 8. Расширения области применения пассивных методов

В главе приведены результаты расширения области применения пассивных методов. Описаны результаты адаптации метода эмиссионной томографии для. исследования источников электромагнитного излучения. Описаны алгоритмы и результаты практического использования оригинальной системы автоматического обнаружения и классификации сейсмоакустических сигналов с пассивным принципом действия, допускающей реализацию в виде интеллектуального сенсора. Получен патент на полезную модель. В патенте, кроме оригинальной схемы устройства, предложен новый способ формирования вектора классификационных признаков путем оригинального кодирования информации о параметрах сигналов на базе их пакетных вейвлетных разложений. В качестве классификатора в устройстве использована нейронная сеть.

В 8.1 описана разработанная и опробованная методика применения эмиссионной томографии для локализации источников ионосферного мапштоакусти-ческого излучения по записям наземных наблюдений антарктических станций. Результаты известных экспериментальных исследований свидетельствуют о тесной связи сейсмических и ионосферных проявлений: по данным искусственных спутников Земли выявлен широкополосный тип электромагнитного излучения, появляющегося за несколько часов до землетрясений и после землетрясений и промышленных взрывов [Мигулин и др, 1982]; существует корреляция увеличения уровня сейсмического шума и магнитных бурь [Табулевич, 1986]; отмечается совпадение суточного хода среднего уровня геоакустической эмиссии и нормального суточного хода электромагнитного поля в волноводе Земля-ионосфера [ Гаврилов и др, 2006] и пр. Предложены гипотетические объяснения наблюдаемых корреляций, но надо отметить, что достаточной ясности в механизмах сейсмо-ионосферного взаимодействия нет. Совместное исследование и локализация областей генерации не только сейсмического, но инфра-звукового и магнитного излучения важны для прояснения механизмов взаимодействия природных сейсмических и электромагнитных полей, для понимания механизма магнитных бурь и связанных с ними явлений, для развития теории сейсмического процесса. Оказалось, что разработанный в сейсмологии метод эмиссионной томографии может быть использован и для локализации нсточни-

ков магнитного излучения - магнитоакустических волн. К сожалению, синхронных наблюдений сейсмического и инфразвукового волнового поля не проводилось.

С помощью численного моделирования показано, что использование алгоритма с нелинейным формирователем луча позволяет резко улучшить качество изображения источников магнитоакустического излучения, добиться "сверхразрешения". На рис.6 приведен пример изображения источника магнитакусти-ческого излучения, зарегистрированного антарктическими наземными станциями, и соответствующий ему космический снимок арктических сияний. Микропульсации имеют широтную сопряженность в южном и северном полушариях Земли. Это позволяет сравнивать результаты локализации источников магнитного излучения по наземным антарктическим наблюдениям и космические снимки полярных сияний в арктической области (авроральную зону) на времени этих наблюдений. По результатам сравнения можно сделать заключение, что наблюдается хорошая угловая корреляция положения источников по наземным наблюдениям и космическим снимкам.__

а б

Рис.6. Пример изображения источника магнитного излучения (а) и космического снимка (б) полярного сияния на том же временном интервале для 064 дня 2001 г.

В 8.2. описана оригинальная система автоматического обнаружения и классификации сейсмических сигналов с пассивным принципом действия, предназначенная для обнаружения и классификации сейсмических и/или акустических сигналов различной природы, которая может быть одинаково успешно использовано для охранных целей (идентификации и контроля передвижений объектов-нарушителей), а также в природных заповедниках для мониторинга популяции и путей передвижения животных; в сейсморазведке, при сейсмоакусти-ческом каротаже для автоматического определения литологических свойств разреза по изменениям в зондирующем сигнале; при разработке месторождений для отслеживания возникновения сложных колебательных режимов забойного давления и пр. Важными отличительными особенностями системы являются: возможность высокоэффективного анализа в зоне пассивного контроля (в ре-

жиме реального времени либо постобработки) сигналов сложной формы от ква-зиимпульспых до квазигармонических и шумовых; скрытность установки используемых датчиков обнаружения (они могут быть вмонтированы в стены, пол, ограду, прикопаны под землю, размещены на дне водоема); возможность охраны неогражденных рубежей, независимость от рельефа местности, отсутствие не просматриваемых зон наблюдения ("мертвых зон"), возможность обеспечения работы на автономных источниках питания, возможность использование в автономных и быстро разворачиваемых систем, возможность беспроводного обмена информацией с уполномоченными абонентами, которые могут в режиме удалённого доступа, например в виде SMS на сотовый телефон, получать сведения о текущей обстановке, а в случае необходимости изменять настройки устройства охранного мониторинга. Разработанная система обнаружения и классификации сейсмических сигналов может быть реализовано в виде программно-аппаратного комплекса или портативного беспроводного автономного устройства (интеллектуального сенсора).

При работе устройства автоматического обнаружения и классификации сейсмических сигналов зарегистрированные геофонами аналоговые сигналы преобразуются в цифровые и в виде временных рядов определенной длительности подаются по каналам связи в процессор, где они сначала подвергаются частотной фильтрации с целью устранения наиболее интенсивных помех природного или антропогенного характера, затем сигналы подвергаются предобработке, в результате которой формируется вектор классификационных признаков, на основании которого идентифицируется тип объекта, генерирующего сейсмический или акустический сигнал. В качестве классификатора в описываемом программно-аппаратном комплексе использована радиальная нейронная сеть. Процесс предобработки данных включает расчет пакетных вейвлет -декомпозиций исходных временных рядов с последующей кодировкой информации согласно оригинальной запатентованной схеме [Чеботарева и др, 20066] для формирования вектора классификационных признаков. Данная охранно-информационной сейсмическая система была реализована в виде портативного устройства - интеллектуального сейсмического сенсора, состоящего из беспроводного модема, процессорного модуля, модуля аналого-цифрового преобразования, элементов управления/индикации, аккумулятора и сейсмодатчика [Разработка и создание..., 2006]. В устройстве предусмотрены возможности передачи информации о принятом решении, управление режимом работы устройства, тестирование работоспособности устройства с использованием протокола передачи и приема GSM сообщений в сети стандарта GSM.

На рис.7 показан пример возможного отображения информации о текущей классификации сигналов в режиме реального времени на экране дисплея. Зашумленность реальных данных приводит к появлению ошибочных классификаций. Для улучшения результатов был дополнительно использован стабилизирующий фильтр, учитывающий предысторию текущей классификации и значения вероятности классификации текущего сигнала как одного из возможных вариантов (верхние изображения для каждого типа сигналов на рис.7).

а б

....о.....о.......о..................83.. -.................................................0.............. АДДА АДДА ДДАДА ...................... ................. >дДДА аа ....... аадаа........... ........ .........ААЛААА.............. ..............................

...............& А и...... .. А--------А-' ................... д ДДД ДА ДДД •• ..........................АД-ДАДА......ДДДАД —ДЖДДА-ДДДД —АДА--------------Д ДДАА4 ДД -...... ........■ -.ч...,..,.д, ■ •¿й а д ............А....... Д МЛ................................. -.......-А- АДа.............. -

Рис.7. Пример возможного отображения информации о классификации сигналов в режиме реального времени, а - шаги, б- шаги с остановкой, затем копание лопатой, в-движущийся автомобиль. Внизу-образец сейсмической записи, выше -кривые вероятности классификаций типов сигналов, затем результат классификации, и на самом верху результат классификации на выходе стабилизирующего фильтра. На графиках классификаций нижняя линия соответствует классификации "сейсмический шум" , следующая вверх синяя - "транспортное средство", затем —"шаги", затем - "копание лопатой". Классификация проводилась в 4-секундном временном окне. Значение каждой классификации отображается виде треугольника на линии, соответствующей классификации. Для уменьшения ошибок классификации использовался стабилизационный фильтр. Результатам на выходе фильтра соответствуют верхние графики. Кружки помечают моменты смены типа классификации, когда посылаются сообщения пользователю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе развит новый подход к изучению структуры геосреды и протекающих в ней процессов посредством анализа информации, содержащейся в шумовых сейсмических волновых полях, естественного и искусственного происхождения. Создана, защищена авторскими свидетельствами и опробована система методов шумового сейсмического монито-

ринга. Доказана высокая информативность высокочастотного сейсмического шума и коды сейсмических событий, позволяющая изучать рассеивающие и эмиссионные свойства геосреды, связанные с реальными геофизическими объектами (дефектами структуры, гетерогенными границами, областями высокого энергетического потенциала различной природы), и проводить их идентификацию; изучать пространственно-временные и частотные характеристики эндогенного излучения, количественно оценивать отклик геосреды на внешнее воздействие в терминах относительной степени самоорганизации и хаотизации волновых полей.

Основные результаты работы следующие:

1. Развит и опробован экспериментально метод эмиссионной сейсмической томографии, использующий информативность пространственно-когерентной составляющей шумового сейсмического поля. В работе предложено несколько модификаций алгоритма эмиссионной томографии, каждый из которых обладает своими достоинствами. Совокупность алгоритмов позволяет работать при однокомпонентной и трехкомпонентной регистрации, при разных пространственных масштабах исследований, в разной помеховой обстановке, с реализацией во временной и частотной области. В разработанных алгоритмах отсутствует этап определения времен вступления сейсмических фаз, поэтому они эффективно работают в условиях, когда использование традиционных сейсмологических алгоритмов локализации источников излучения затруднено или невозможно - при нечетких и интерферирующих вступлениях сейсмических фаз, при слабых сигналах, полностью маскируемых шумом на единичных записях, при наличии множественных источников. Выбор конкретного алгоритма и методики обработки данных определяется типом эндогенных источников и особенностями помехи, а параметры системы регистрации волнового поля - требуемой чувствительностью и пространственным разрешением.

2. Результаты аналитических исследований и численного имитационного моделирования позволили оценить возможности построения изображений шумящих областей внутри реальной среды, сформулировать требования к основным параметрам эксперимента, выявить количественную связь погрешности оценок, чувствительности и пространственного разрешения с основными параметрами волнового поля и параметрами эксперимента, что необходимо для оценки статистической достоверности результатов и планирования эксперимента.

3. Разработанные алгоритмы проявляют большую помехоустойчивость. Наличие интенсивных аддитивных и параметрических помех ухудшает качество изображения, но не устраняется принципиальная возможность его формирования. Влияние аддитивной диффузной помехи компенсируется увеличением времени накапливания сигнала. Компенсация влияния параметрической помехи и существенное улучшение пространственного разрешения достигается с помощью алгоритмов с использованием нелинейного формирователя луча. При наличии пространственно когерентной помехи используется система алгоритмов с режскторной и адаптивной фильтрацией, допускающих настройку фильтров по смеси сигнала и помехи (в режиме самоадаптации).

4. Важный методический результат экспериментальной части представленной работы состоит в том, что литосфера Земли как среда, в которой распространяются сейсмические сигналы, устроена таким образом, что методы когерентного приема успешно работают. С одной стороны, среда достаточно прозрачна и стабильна, чтобы обеспечить сохранение пространственной когерентности и достаточную амплитуду сигнала на значительном удалении от источника, с другой стороны, распределение источников достаточно неравномерно по пространству и контрастно, чтобы они поддавались выделению. При этом метод эмиссионной томографии может применяться даже в случае несовершенной системы наблюдений - неравномерное площадное распределение сейсмических станций и поверхностная регистрация, сложный рельеф местности, сильная латеральная неоднородность среды, интенсивные помехи. Экспериментально доказано, что изображения сейсмических источников на удалении не менее 3 км можно получать для частот до 100 Гц. На частотах менее 2 Гц можно получать изображения среды до глубин в несколько сотен километров.

5. В процессе проведении опробования метода в экспериментальных исследованиях показана возможность оконтуривания магматического тела с размерами, большими по сравнению с размерами приемной группы, и наблюдения временной изменчивости излучаемого им сейсмического сигнала, связанного с глубинной магматической активностью. Показана возможность выявления областей повышенной трещиноватости и раздробленности. Показано, что области эмиссионного излучения, являются не только источниками эмиссионной составляющей сейсмического шума, но более мощными источниками когерентной составляющей коды, активизируясь после прохождения 8 волн местных землетрясений. На территории разрабатываемых месторождений, при интенсивном техногенном воздействии на среду, обнаружен ряд новых геофизических эффектов. Обнаружен новый тип сейсмических объектов - пространственно локализованный всплывающий внутри разломной зоны со скоростью около 10 м/сек солитоноподобный источник сейсмического излучения. В диапазоне глубин от 1-6 км выявлена вертикальная система шнуроподобных источников сейсмического излучения, пересекающая отложения платформенного чехла и всю видимую часть фундамента и уходящая на большие глубины. По совокупности известных фактов этот объект интерпретируются как тонкая высокопроницаемая вертикальная зона деструкции. Также выявлен захват разломной зоной и нелинейная трансформация техногенного излучения, что может быть полезно использовано для картирования разломных зон.

6. На основе результатов 8-теоремы Климонтовича предложен и опробован метод количественной оценки изменения динамического состояния геофизической среды. Показано, что при подготовке близких сильных землетрясений происходит отклонение от фоновой нормы хаотизации и резкое увеличение степени упорядоченности режима высокочастотных шумовых сейсмических колебаний. Показано, что аналогичные эффекты наблюдаются при формировании трещины гидроразрыва. При воздействии на геосреду изменение динамики шумовых колебаний сопровождается изменением пространственного распределения областей эндогенного эмиссионного излучения и появлением коротко-

живущих высокочастотных сейсмических структур с неустойчивой локализацией. После снятия техногенной нагрузки, восстанавливается пространственное распределение эмиссионных источников, близкое к первоначальному.

7. Разработан метод локализация сейсмических источников, сигналы которых отличаются по степени упорядоченности от фонового шума. Существенным преимуществом метода является то, что вместо площадной сейсмической группы можно использовать одноточечную последовательную регистрацию вдоль профиля или по площади, что несравнимо по финансовым затратам с площадной регистрацией, и при этом легко могут быть обследованы большие площади. Развитая методика применена для локализации резервуара грязевого вулкана.

8. Показана возможность использования разработанных алгоритмов эмиссионной томографии для исследования ионосферных геомагнитных возмущений по данным наземного магнитного мониторинга.

9. Развит алгоритм автоматического детектирования и классификации сейсмических сигналов, высокоэффективный при анализе сигналов сложной формы, как импульсных, так и квазипериодических. На этой основе разработана и опробована система обнаружения и классификации сейсмических сигналов с пассивным принципом действия, которая может быть реализована в виде программно-аппаратного комплекса или портативного беспроводного автономного устройства (интеллектуального сенсора). Устройство может быть одинаково успешно использовано для охранных целей (идентификации и контроля передвижений объектов-нарушителей), а также в природных заповедниках для мониторинга популяции и путей передвижения животных; в сейсморазведке, при сейсмоакустическом каротаже для автоматического определения литологиче-ских свойств разреза по изменениям в зондирующем сигнале; при разработке месторождений для отслеживания возникновения сложных колебательных режимов забойного давления и пр. Важными отличительными особенностями разработанного устройства являются: скрытность установки используемых датчиков обнаружения (они могут быть вмонтированы в стены, пол, ограду, прикопаны под землю, размещены на дне водоема); возможность охраны нсограж-денных рубежей, независимость от рельефа местности, отсутствие не просматриваемых зон наблюдения ("мертвых зон"), возможность обеспечения работы на автономных источниках питания, возможность использование в автономных и быстро разворачиваемых систем, возможность беспроводного обмена информацией с уполномоченными абонентами, которые могут в режиме удалённого доступа, например в виде SMS на сотовый телефон, получать сведения о текущей обстановке, а в случае необходимости изменять настройки устройства охранного мониторинга.

Изложенная работа представляет собой существенное продвижение в развитии теории обратных задач сейсмологии, в создании экспериментальных основ количественной оценки техногенного воздействия на среду и прогноза опасных динамических явлений, в понимании природы сейсмического шумового поля.

Результаты исследований могут быть использованы в сейсмологических институтах РАН, научно-исследовательских и производственных организациях, в

центрах мониторинга сейсмической и вулканической активности, в интеллектуальных системах поиска и разведки, бурения, разработки, эксплуатации, транспорта нефти, газа и нефтепродуктов, работающих в режиме реального времени. На рис.8 приведена схема возможных областей применения разработанных методов и методик.

Многоканальная регистрация

: Система аатомшического щ обнаружения и .шасакрккацж сложных с&йсшмескил с-игнапор. пассивные прин'Диг.ом дексгеиз

Рис.8. Схема областей применения разработанных методов и методик.

Совокупность направлений, в которых могут вестись дальнейшие исследования, связана как с совершенствованием алгоритмов и методик, так и с проведением натурных экспериментов по изучению геосреды различной степени детальности и геофизической интерпретацией результатов:

1. Расширение возможностей экспериментальной базы. Повышение чувствительности, расширение частотного диапазона в сторону низких и высоких частот, увеличение диапазона пространственных масштабов наблюдений, числа регистрирующих каналов. Использование многомерных систем: трехмерные направленные системы со скважииными регистраторами, кольцевых сейсмических антенн, наблюдений с ЗС и 4С регистрация. Использование векторно-фазовых методов в комплексе с соответствующей системой регистрации.

2. Для понимания механизмов генерации эндогенного эмиссионного излучения и происходящих в геосреде процессов необходимо проведение эксперимен-

тов с долговременной синхронной регистрацией наиболее полного набора параметров и полей различной природы в различных регионах, сопоставление результатов обработки сейсмических данных с геологическими данными, результатами бурения и других исследований. Это позволит развить методы идентификации геофизических объектов по их «портретам» в сейсмических и других физических полях.

3. Сравнение чувствительности методов на базе S-энтропии Климонтовича с другими существующими методами извлечения информации о "резонансных" и "хаотических" составляющих исследуемых сигналов, в частности, с методом карт синхронизации [А.А.Любушин] (кластерные меры многомерной корреляции и когерентности вариаций параметров мультифрактального спектра сингулярности), с методами фликкер - шумовой спектроскопии [С.Ф. Тимашев] (перенормированные спектры мощности и разностные моменты р-го порядка), и пр. Развитие методов контроля состояния среды при разработке месторождений полезных ископаемых и для количественной оценки эффективности внешнего воздействия, например различных типов воздействий на нефтяную залежь с целью интенсификации отбора нефти. Разработка метода превентивного картирования области подготовки трещины гидроразрыва. Развитие методов прогноза и воздействия на среду с целью предотвращения или контролируемого инициирования готовящихся природных катастроф, таких как оползни, снежные лавины, землетрясения.

4. Комплексирование методов эмиссионной и трансмиссионной томографи-ии, разработка методов многомерной оптимизации параметров скоростной модели среды с использованием сигналов от эмиссионных или техногенных источников и построением целевой функции на базе оценки качества эмиссионного изображения источника.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Николаев A.B., Троицкий П. А, Чеботарева И .Я. Способ сейсмической разведки. Авт.свидетельство на изобретение N1000962 Госкомизобретений СССР. 1982. Приоритет 1980.

2. Николаев A.B., Троицкий П.А, Чеботарева И.Я. Изучение литосферы сейсмическими шумами//ДАН СССР. 1986. Т.286. N3. С. 586-591.

3. Kisselevich W.L., Lavrov V.S., Nikolfev A.V., Shubik B.M., Tchebotareva I. Ya., et al. Method and results of hydrothermal field investigation by means of seismic noise// The 25 General Assembly of IASPEI. August 21-September 1 1989. Istanbul. Turkey. SI5-2.

4. Николаев A.B., Троицкий П.А, Чеботарева И.Я. Анализ методов шумовой сейсмической голографии. М: ИФЗ АН СССР. 1991. Деп. ВИНИТИ. N18-B91. 52 С.

5. Чеботарева И.Я. Анализ методов шумовой сейсмической томографии, построенной на базе когерентного приема// Труды III н учн,- техн. совещания по геотомографии. 14-19 января 1991. Свердловск. С 46-48.

6. Riznichenko O.Y , Tchebotareva I. Ya., Hobbs R.W. Deep reflection data analysed with Semblance detector// IASPEI, XX General Assembly IUGG. 11-24 August. Vienna. P.36.

7. Tchebotareva I. Ya., Sato H., Shiomi K. The first results of the Earth's interior studies in Nikko region of Honshu Island , Japan , based on array analysis of noise-like wave fields// Fellowship Research Reports of the Matsumae International Foundation. 1994. Tokyo:MIF. P. 253-292.

8. Tchebotareva I. Ya., Nikolatv A.V., Sato H., Shiomi K. Emission tomography- Earth's interior study based on array analysis of seismic noise wave fields, Nikko region// In Abstr. XXI General EGS Assembly, Annales Geophysicae.

1996. Parti. V.14.

9. Чеботарева И.Я., Николаев A.B., Сато X., Шиоми К. Источник сейсмической эмиссии, связанный с магматическим телом в районе вулканического фронта, о.Хонсю, Япония// Вулканология и сейсмология. 1997. N2. Р.58-73.

10. Tchebotareva I. Ya., Nikolatv A.V., Sato H. Emission Tomography-study of seismic emission based on array analysis of seismic noise in the region of volcano front, Japan// EVROPROBE conference and "Earth's upper mantle structure based on integrated geological geophysical studies'". 17-19 April 1997. Moscow. P.124-125.

П.Чеботарева И.Я., Николаев A.B., Сато X. Векторная эмиссионная томография: исследование эмиссионной активности в районе вулканического фронта, Япония//Проблемы геотомографии. М.: Наука. 1997. С.161-176. 12.Tchebotareva I. Ya., Nikolatv A.V., Sato H. Seismic Emission Analysis in northern Kanto, Japan - Contribution of the Energy-Saturated Earth in the Seismic Wave Fields Formation// The 29 General Assembly of International Seismology and Physics of Earth's interior (IASPEI), Thessaloniki, Greece, 1997, p.64 13.Чеботарева И.Я. , Николаев A.B., Сато X. Исследование источников сейсмической эмиссии в земной коре (Япония, сев. Канто)// Доклады РАН.

1997. Т.357. N.4. С.542-546.

14. Tchebotareva I. Ya. Emission tomography study of structure and emission activity of the crust beneath volcanic area in northern Kanto, Japan//8 th International Symposium on deep seismic profiling of the continents and their Margins.

1998. Platjad'Aro. Spain,. P.95.

15.Чеботарева И.Я., Николаев A.B. Исследование неодиородностей земной коры кода волнами землетрясений// Доклады РАН. 1998. Т..364. N6. С.816-820.

16.Tchebotareva I. Ya. Emission tomography - fruitful approach for seismic study in the 1th century// IUGG-99. 19-30 July 1999. Birmingham. England. Abstracts volume B. p.223.

17. Tchebotareva I. Ya., Nikolatv A.V., Sato H. Use of coda of local earthquakes and seismic noise for study of the Earth's structure and monitoring of geodynamic processes// IUGG-99. 19-30 July 1999. Birmingham. England. Abstracts volume B. p.205.

18.Tchebotareva I. Ya., Nikolatv A.V., Sato H. Diffraction and emission tomography crustal study in the northern Kanto, Japen// IUGG-99. 19-30 July 1999. Birmingham. England. Abstracts volume B. p.153.

19.Tchebotareva I. Emission tomography for crustal structure study and monitoring of geodynamic processes// Plume- lithosphere interactions ILP-project II/6 workshop. University Louis Pasteur. EOST Strasbourg. 9-11 April 2000. 104-107P.

20.Tchebotareva I., Sokolova I. Emission tomography — promising tool for study of structure and monitoring of the lithosphere // Plume-lithosphere interactions ILP-project II/6 workshop. University Louis Pasteur. EOST Strasbourg. 9-11 April 2000. 108P.

21.Tchebotareva 1. Ya., Nikolatv A.V., Sato H. Seismic Emission Activity of Earth's Crust in Northern Kanto, Japan// Physics of the Earth and planetary interiors. 2000. V.120. N3. P. 167-182.

22. Володин И.А, Чигарев Б.И., Чеботарева И.Я. О проблеме создания геофизических методов нового поколения для диагностики природных резервуаров// Материалы международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья». 24-26 ноября 2004. Москва. С.238-241.

23. Сейсмическая активность в районе обработки рудника Кумхо, Корея. Рожков М.В., Чеботарёва И.Я., Звонкина А.А., Глазунов А.В., Лобанов В.В. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2006. № 4. C. 124-133.

24.Чеботарева И.Я., Рожков M.B., Тагизаде T.T. Способ микросейсмического мониторинга пространственного распределения источников эмиссии и рассеянного излучения и устройство для его осуществления. Патент Росс. Федерации на изобретение. N2278401. 2006.

25.Pilipenko. V.A, Tchebotareva I. Ya., Engebretson M.J., Posch J.L, Rodger. A. An attempt to locate substorm onsets using Pil signatures// The Proceedings of the Eighth International Conference on Substorms (ICS8): edited by Mikko Syr-jasuo and Eric Donovan. March 27-31 2006. Banff, Alberta, Canada. P. 237-240. 26.Чеботарева И.Я., Рожков M.B., Тагизаде T.T. Устройство сейсмоакусти-ческого обнаружения и классификации движущихся объектов. Патент Росс. Федерации на полезную модель. №59842. 2006. Приоритет 2004. 27.Епифанский А. Г., Чеботарева И.Я., Рожков М.В., Тангизаде Т.Т., Зайцев А.А и др. Разработка и создание интеллектуального сейсмического сенсора Заключительный отчет о НИОКР. Грант Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно технической сфере. Госконтракт N4966. Проект N6292. 2006. М: ВНТИЦ. Код ВНТИЦ 0340007790320. I34C. 28.3айцев А.А., Рожков М.В., Чеботарева И.Я. Построение беспроводного сенсорного модуля// DSPA-2007. Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и её применение". 28-30 марта 2007. Москва, ИПУ РАН. Доклады конференции. С. 489-491.

29.Чеботарева И.Я., Кушнир А.Ф. , Рожков М.В. Устранение интенсивной помехи при пассивном мониторинге месторождений углеводородов методом эмиссионной томографии// Физика Земли. 2008. N12. С.65-82. ЗО.Кушнир А.Ф., Рожков М.В., Саввин Е.А., Чеботарева И.Я. Масштабируемая система мониторинга и оценки в реальном времени техногенных и природных угроз на основе проблемно-ориентированной программно-алгоритмической среды snda: практические результаты и перспективы развития// Вестник КРАУНЦ. Серия «Науки о Земле». 2010. № 2. выпуск № 16. С. 133-145 31.Чеботарева И.Я. Новые алгоритмы эмиссионной томографии для пассивного сейсмического мониторинга разрабатываемых месторождений углеводородов. Часть I. Алгоритмы обработки и численное моделирование// Физика Земли. 2010. N3. С. 7-19.

32.Чеботарева И.Я. Новые алгоритмы эмиссионной томографии для пассивного сейсмического мониторинга разрабатываемых месторождений углеводородов. Часть II. Результат обработки реальных данных // Физика Земли. 2010. N3. С. 20-36.

ЗЗ.Чеботарева И.Я, Володин И.А. Критерий степени упорядоченности режимов автоколебаний для анализа динамики геофизической среды//Доклады РАН. 2010. Т.432. N1. С.115-119.

34.Chebotareva I. Seismic Emission Tomography for Passive Monitoring of Hydrocarbon Deposits// Proc.The 5,h Norway-Russian Artie Offshore Workshop "Joint Research and Innovation for the petroleum industry working In the Arctic" 16-17 June. 2010. Murmansk. Russia, http:// www.forskriingsradet.no 35.Чеботарева И.Я. Алгоритм сейсмической эмиссионной томографии при ослаблении пространственной корреляции сигнала// Вестник МГОУ. Серия «Естественные науки» .2011.N1.C.101-107.

Зб.Чеботарева И.Я, Володин И.А. Метод локализации сейсмических источников, сигналы которых отличаются по степени упорядоченности от фонового шума// Доклады РАН. 2011. Т.437. N.3. С.393-397.

Подписано в печать:

27.05.2011

Заказ N° 5638 Тираж - 150 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 • www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Чеботарева, Ирина Яковлевна

Введение.

Глава 1. Сейсмический шум Земли

Выводы

Глава 2. Обратные задачи в сейсмологии и анализ современных методов локализации сейсмических источников с помощью многоканальных систем наблюдений

Выводы

Глава 3. Алгоритмы эмиссионной сейсмической томографии во временной и частотной области

3.1. Алгоритм эмиссионной томографии с реализацией во временной области

3.2. Алгоритм эмиссионной томографии с реализацией в частотной области

3.3. Пространственное разрешение, влияние флуктуации фазы сигналов и другие вопросы планирования эксперимента

3.4. Трассировка сейсмических лучей

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Структура и динамика геосреды в шумовых сейсмических полях, методы и экспериментальные результаты"

Актуальность проблемы. В последнее время во всем мире активно развиваются пассивные сейсмические методы исследования геосреды, что стимулируется их применением на месторождениях полезных ископаемых. Преимущество пассивных методов - экологическая чистота, меньшие затраты ресурсов по сравнению с активными методами, возможность наблюдения невозмущенного состояния среды, возможность непрерывного контроля.в реальном времени. За, рубежом под пассивными методами, в частности, под эмиссионной сейсмической томографией, понимают использование сигналов очень слабых местных и региональных землетрясений для определения скоростной модели, анизотропии скоростей, механизма очага и локализации фронта разрушения с локализаций источников и определением времен событий традиционными способами [Duncan et al, 2008]. При использовании более низкоэнергетических сейсмических источников, связанных с процессом разработки месторождений углеводородов и термальных вод, зарубежные и отечественные геофизики обычно используют обязательно скважинную регистрацию с ориентировкой на информативность высокочастотных микроземлетрясений, тресков и сейсмических ударов; возникающих при резком изменении напряженно-деформированного состояния [Feng et al, 1998; Phillips, 1998; Александров и др, 2008].

Автором представленной работы на базе отечественных фундаментальных исследований развита система методов пассивного шумового сейсмического мониторинга геологический среды, позволяющая работать с источниками излучения существенно меньшей мощности, чем микроземлетрясения, и при этом использовать не скважинные, а поверхностные многоканальные системы наблюдений. Одной из составляющих системы методов пассивного шумового сейсмического мониторинга геосреды является сейсмическая эмиссионная томография. Физической основой отечественного варианта метода эмиссионной томографии, предложенного и запатентованного группой сотрудников ИФЗ РАН [Николаев и др, 1983], в число которых входит и соискатель, является тот факт, что в геосреде существуют области слабого шумоподобного высокочастотного (>1Гц) сейсмоакустического излучения, активизирующиеся при низкочастотных деформационных природных и техногенных воздействиях. Этот эффект существования сейсмической эмиссии был открыт в 1975 г. Рыкуновым Л.Н., Хаврошкиным О.Б. и Цыплаковым В.В и зарегистрирован как открытие [Рыкуновым и др, 1983]. Открытию, помимо работ авторов открытия, предшествовал ряд экспериментальных работ, для объяснения результатов которых оказывалось недостаточно представления об экзогенной генерации сейсмических шумов [Голицын, 1960; Гамбурцев, 1960; Жадин, 1971; Гордеев и др, 1976; Ьее1 е! а1, 1962; Ыаппеу, 1958; Науменко, 1979]. Энергетический масштаб сейсмической эмиссии гораздо менее микроземлетрясений и сейсмических ударов, что позволяет изучать тонкую структуру сейсмического процесса. Механизмы генерации сейсмической эмиссии и эволюции высокочастотных эндогенных сейсмических сигналов при распространении в геосреде не достаточно ясны. Тем не менее, существующие экспериментальные результаты свидетельствуют о возможности выделения высокочастотных пространственно когерентных сигналов эмиссионного происхождения и локализации источников излучения, находящихся на больших расстояниях от регистрирующей системы. Это позволило развить систему методов пассивного мониторинга, позволяющую изучать тонкую структуру сейсмического процесса, отслеживать пространственно-временную динамику геосреды и подготовку опасных динамических событий, выявлять неоднородности строения среды: области повышенной трещиновато-сти и гетерогенности, разломы и большие трещины, зоны концентрации напряжений" и миграции флюида. Таким образом, эмиссионная томография в совокупности с другими развитыми методами является мощным инструментом для экспериментальных исследований геосреды: получение временных серий трехмерных изображений распределений излучателей сейсмической энергии с оценкой параметров излучения позволяют идентифицировать неоднородности структуры и прослеживать пространственно-временной ход развития динамических процессов. Первая экспериментальная работа с использованием метода эмиссионной томографии была сделана по данным группы NORSAR в Норвегии [Nikolaev & Troitskiy, 1987]. Позже метод использовался для исследования в сейсмоактивных, вулканических и геотермальных областях многими отечественными и зарубежными сейсмологами [Николаев и др.,1986; Шубик и др,1991; Александров&Узунов,1992; Александров&Рыкунов,1992; Александров& Мир-зоев, 1997; Arnason&Flovenz, 1992; Furumoto,1992; Шубик& Ермаков, 1997; Чеботарева и др., 1997а; 19976,1998; Ghouet et.al.,1999; Tchebotareva et.al.,2000; Куга-енко и др.,2004а; Кугаенко и др.2004б; Александров,2008; Чеботарева* и др., 2008;,2010б и пр.].

В настоящее время во многих отраслях производства создаются "интеллектуальные системы", позволяющие оптимизировать производственный процесс. В частности, в нефтедобывающей отрасли осознана, для оптимизации добычи и управлением разработки месторождения, необходимость создания "интеллектуальных скважин", позволяющих в режиме реального времени собирать необходимый объем данных и извлекать из них максимум имеющейся.информации для автоматического принятия решений. К данному моменту существуют нагнетательные "интеллектуальные скважины", предназначенные для поддержания пластового давления и обеспечивающие возможность внутрискважинного мониторинга с функцией передачи.информации на поверхность, аналитического управления потоком с использованием полученной информации и операторным регулирования потока с поверхности. Следующий шаг в этом направлении - "интеллектуальное месторождение": все скважины на месторождении, продуктивные и нагнетательные, трубопроводы и другие наземные объектыпере-дают данные о режиме работы ( дебите или количеству закачиваемой жидкости), которые обрабатываются внутри модели месторождения в режиме реального времени, и автоматически или с помощью оператора производится регулирование или полная остановка закачанной в скважину жидкости или отбора углеводородов. Такой подход позволит увеличить сроки эксплуатации скважин, оптимизировать работу всех промысловых объектов, снизить капитальные затраты и нагрузку на окружающую среду. Пока что при создании "интеллектуальных скважин" рассматривается только возможность внутрискважинного мониторинга, так как отсутствуют возможности инструментального оперативного контроля прискважинного пространства, профиля притока пластового флюида и продвижения фронта заводнения. Методы пассивного сейсмического шумового мониторинга с реализацией в режиме реального времени - это как раз тот инструмент, который способен создать основу технологии оперативного контроля призабойной зоны и околоскважинного пространства.

Актуальность работы определяется потребностями' современной фундаментальной и прикладной, сейсмологии в методах исследования геологической среды, характеризующихся высокой чувствительностью и детальностью; не предполагающих необходимости интенсивного искусственного воздействия на,среду, допускающих автоматическую обработку данных в режиме реального времени. Создание методов, удовлетворяющих таким требованиям, может быть реализовано на базе использования информации, содержащейся в шумовых сейсмических полях - сейсмическом шуме И'коде землетрясений и взрывов.

Цель работы — развитие системы методов обработки шумовых волновых полей с целью изучения структуры и динамики геосреды, в основе которой лежит физико-математическая модель волнового поля' с аддитивной- пространственно когерентной составляющей, позволяющей локализовать источники слабого* шу-моподобного излучения без пикировки сейсмических фаз, оценивать параметры излучения и их временную изменчивость. Создание методик наблюдений и обработки данных при разных масштабах геофизических исследований и в разной помеховой обстановке. Исследование возможности использования шумовых волновых сейсмических полей для фундаментальных исследований геосреды, способствующих разработке методов прогноза возможных катастроф и развитию новых методов- поиска, разведки и контроля разработки полезных ископаемых. Повышение эффективности и улучшения качества автоматического детектирования и классификации сейсмоакустических сигналов различной природы в зоне пассивного контроля в режиме реального времени либо постобработки

Направление исследований.

2. Обзор методов локализации сейсмических сигналов и определения-их параметров с использованием многоканальной регистрации волнового поля.

3. Разработка и реализация алгоритмов локализации шумоподобных источников'и определения* параметров излучения по записям вертикальных и трех--мерных сейсмических групп для, различных масштабов* полевых исследований* и в различной помеховой,обстановке.

4. Адаптация для работы в ближней зоне регистрирующей' группы известных методов сейсмологической локации в присутствии интенсивной когерентной помехи.

5. Исследование возможности использования разработанных алгоритмов для выявления в верхней части земной коры областей рассеяннрго и эмиссионного излучения по записям сейсмического шума и коды местных землетрясений.

8. Исследование возможности локализации ионосферных источников маг-нито-акустического излучения с использованием разработанных алгоритмов.

9. Разработка и экспериментальное опробование метода количественного анализа временной и пространственной изменчивости динамического состояния геофизической среды на основе Б-энтропии Климонтовича с целью локализации глубинных аномалий, прогноза катастрофических событий и оценки эффективности искусственного воздействия на среду.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов.

Разработка теоретических положений и создание на их основе алгоритмов с пассивным принципом действия стало возможным" благодаря; комплексному использованию теоретических и экспериментальных подходов. Для; решения: вопросов, связанных с планированием* эксперимента; тестированием: особенног стей алгоритмов? и для» контроля: полученных экспериментальных результатов широко использовалось численное имитационное моделирование;

Экспериментальные* данные, использованные в представленной: работе, являются волновыми: формами:— записи сейсмического шума и: коды землетрясений, зарегистрированные на поверхности или с небольшим заглублением приборов с помощью площадных групп« сейсмоприемников (велосиметров). В отельных случаях использованы записи; одиночных приборов^, а также многоканальные: записи; Р и; Б волн: сейсмических событий. Для! большинства алгоритмов была необходима информация о скоростной' модели среды. Она была; известна, либо подбиралась с использованием экспериментальных данных: из условия наилучшей фокусировки тестовых источников в рассчитанных изображениях. Вфаботе были использованы как слоистые модели; так и градиентные. Для трассировки лучей и расчета временных задержек соискателем былиразра-ботаны' вычислительные программы на базе известных из, научной литературы алгоритмов.

Для построения трехмерных распределений сейсмических источников: при разных пространственных масштабах исследований и разной помеховой обстановке использованы* разработанные соискателем: алгоритмы и мето дики эмиссионной сейсмической томографии; часть которых запатентована, а также адаптированные для ближней зоны: приема алгоритмы локации, ранее известные в сейсмологии.

Разработанные теоретические положения, методы и методики тщательно« тестировались с помощью* численного-моделирования и опробованы, экспериментально. Результаты-экспериментов анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других независимых исследователей. Все полученные результаты не противоречат известным теоретическим положениями результатам исследований других авторов. Основные защищаемые положения.

1. Сейсмическая эмиссионная томография - оригинальный подход к локализации сейсмических источников, путем сканирования исследуемого объема по пространственной«сетке опроса и специальной.корреляционной обработки многоканальных волновых форм. Совокупность алгоритмов и методик при одно-компонентной и многокомпонентной регистрации, для разных пространственных масштабов исследований в разной помеховой обстановке, с возможностью оценки параметров излучаемого сигнала. Результаты исследований.

2. Оригинальный подход к анализу временной и пространственной изменчивости динамики геосреды с использованием S-энтропии. Климонтовича. Метод количественной- оценки изменения динамического состояния геофизической среды. Метод локализация сейсмических источников, сигналы которых отличаются по степени упорядоченности от фонового шума. Результаты исследований.

3.2. Показана возможность полезного использования сейсмической подсветки, создаваемой техногенным излучением, для локализации разломной зоны: Выявлен захват разломной зоной-и нелинейная трансформация техногенного излучения.

3.3. На территории разрабатываемого нефтяного месторождения в> диапазоне глубин от 1-6 км выявлена система вертикальных шнуроподобных областей сейсмического излучения, пересекающая отложения платформенного чехла,и всю видимую* часть> фундамента, которая по совокупности известных фактов интерпретируется как высокопроницаемая вертикальная зона деструкции.

3.4. Показано, что в геофизической среде реализуется шумовой хаотический аттрактор, имеющий сходные свойства с аттрактором биологических систем - он имеет норму упорядоченности колебаний, отклонение от которой вследствие тектонических, техногенных или других воздействий является признаком под- ' готовки катастрофических явлений. Изменение динамики шумовых колебаний связывается с возникающим при-воздействии изменением характера эмиссионного излучения и появлением короткоживущих наведенных сейсмических источников, которые могут быть следствием возникновения кластернойхинхро-низации.

Разработанная соискателем и изложенная в> диссертации совокупность теоретических положений, методов и полученных с их применением экспериментальных результатов, перечень которых приведен выше, представляет собой новое крупное научное достижение в развитии пассивных сейсмических методов — перспективного направления современной геофизики.

Научная новизна. Личный вклад.

Важнейшие результаты, полученные впервые, следующие:

1. Разработан метод локализации шумоподобных источников слабого пространственно когерентного излучения, являющегося аддитивной компонентой шумовых сейсмических полей, с возможностью оценки параметров излучения (интенсивности излучения, частотного спектра) и использованием когерентной обработки на базе линейного формирователя луча. Получен патент на изобретение. Развитая методика адаптирована и применена для изучения по записям сейсмического шума и коды местных землетрясений строения верхней части земной коры и ее эмиссионной активности в районе вулканического фронта (о.Хонсю, Япония). Показана возможность оконтуривания магматического тела (по записям коды и сейсмического шума) и наблюдения временной изменчивости излучаемого им сейсмического сигнала, связанного с глубинной магматической активностью. По записям сейсмического шума выявлена на глубинах 215 км область стабильного эмиссионного излучения, совпадающая с известной низкоскоростной аномалией, областью повышенного затухания сейсмических волн и областью концентрации эпицентров современных и исторических землетрясений. Показано, что та же область активизируется на времени поздней коды, после прохождения 8-волн местных землетрясений.

5. Разработан метод анализа динамики состояния геосреды по степени упорядоченности режима фоновых колебаний, позволяющий-количественно оценивать степень отклонения состояния среды от нормы упорядоченности при. искусственном воздействии на среду и при подготовке динамических событий. Показано, что при подготовке близких сильных землетрясений происходит отклонение от нормы хаотизации и резкое увеличение степени упорядоченности режима высокочастотных шумовых сейсмических колебаний. Показано, что аналогичные эффекты наблюдаются при формировании трещины гидроразрыва. При воздействии на геосреду изменение динамики шумовых колебаний сопровождается изменением пространственного распределения областей эндогенного эмиссионного излучения, образованием короткоживущих высокочастотных сейсмических структур с неустойчивой локализацией, являющихся проявлением пространственных флуктуаций сейсмической энергии. После снятия техногенной нагрузки, восстанавливается пространственное распределение эмиссионных источников, близкое к первоначальному.

7. Разработана система автоматического обнаружения и классификации сейсмических сигналов с пассивным принципом действия, которая может быть реализована в режиме реального времени в виде программно-аппаратного комплекса на базе персонального компьютера или в виде автономного устройства -интеллектуального сенсора. Получен патент на полезную модель. В патенте, кроме оригинальной схемы устройства, предложен новый способ формирования вектора классификационных признаков путем оригинального кодирования информации о параметрах сигналов на базе их пакетных вейвлетных разложений. С использованием теоретических и экспериментальных разработок соискателя созданы два опытных образца работающего устройства, которое не имеет аналогов российского производства и характеризуется пониженным энергопотреблением, меньшей стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.

Основная* часть работ выполнена соискателем лично. Кроме алгоритма п.1, все идеи новых алгоритмов принадлежат соискателю. Идея алгоритма на базе линейного формирователя луча принадлежит А. В. Николаеву и П.А. Троицкому. Ими же получены первые экспериментальные результаты. Соискателем бала проведена детальная аттестация метода, что послужило основой для написания диссертационной работы кандидата физ.-мат. наук. Соискателем были получены аналитические формулы, для оценок статистической значимости результатов, чувствительности метода, пространственного разрешения, оценки времени накапливания сигнала при заданной погрешности определения яркости источника, оценки глубины потери продольного разрешения в зависимости от размера группы, частоты регистрации, ошибки определения времени прихода сигнала. С помощью численного моделирования исследовано влияние ошибок скоростной модели, диаграммы направленности излучения, геометрии приемной группы. Все методики и реализующие их компьютерные программы развиты лично соискателем. При адаптации известных алгоритмов подавления когерентных помех п.4 в качестве исходной была использована существующая программа, но программа и алгоритм обработки были сильно изменены и дополнены, что детализировано в соответствующем разделе представленной работы (Глава 3). Аналитические исследования, численное имитационное моделирование, обработка реальных данных и основная интерпретация результатов выполнены соискателем лично. При создании системы автоматического обнаружения и классификации сейсмических сигналов, соискателем был разработан оригинальный алгоритм формирования классификационных признаков, позволяющих с высокой степенью детальности представлять информацию о сигнале в сжатой форме, удобной для классификации с помощью нейронной сети. Алгоритмические идеи соискателя были реализованы« им же в виде программ и скриптов, позволивших встроить программы^ в систему реального времени сейсмического пакета 8Ж)А НИЦ «СИНАПС». Возможности системы автоматического обнаружения протестированы автором на большом количестве, сейсмических сигналов различного типа. При создании опытного образца интеллектуального сенсора соискатель участвовал в его создании на этапе подготовки программного обеспечения и последующего тестирования* и доработки готового образца.

Практическаязначимость работы.

Разработанные в диссертации и частично запатентованные методы диагностики шумовых эндогенных источников сейсмического излучения^ удовлетворяют современным требованиям науки и практики и дают возможность повысить эффективность проведения научно-исследовательских работ и инженерных изысканий. Используемые алгоритмы» исключают этап пикировюь сейсмических фаз и автоматизируют процедуру обработку данных, позволяют повысить робастность и чувствительность при анализе экспериментального материала. На основе полученных аналитических оценок, результатов численного моделирования и обработки реальных данных, даны рекомендации по планированию систем наблюдений, методикам обработки данных, разработаны алгоритмы и написаны^ компьютерные программы, позволяющие по записям сейсмического шума и коды землетрясений и взрывов проводить диагностику слабых эндогенных источников и получать количественную оценку изменения динамического состояния геосреды. Область применения — фундаментальная сейсмология, инженерная сейсмика, сейсморазведка, охранные системы.

При фундаментальных исследованиях информация о пространственном распределении источников рассеянного или индуцированного сейсмического излучения, о их пространственной миграции, мощности и частотном спектре может быть использована для развития и уточнения моделей генерации эмиссионного излучения, методов идентификации геологических объектов и прослеживания пространственно-временного хода развития динамических процессов внутри среды по их сейсмо-акустическим проявлениям. Показанная возможность использования одних и тех же методов локализации для источников сейсмического и магнитоакустического излучения позволяет использовать разработанные методы' для комплексных исследований коррелированных сейсмошумо-вых, электромагнитных и инфразвуковых полей.

В инженерной сейсмике методы могут быть использованы для выявления разломных зон, карста, для оценки характера воздействия не среду техногенной нагрузки различной' природы, для. краткосрочного прогноза катастрофических сейсмических событий (землетрясения, оползни, снежные лавины И' пр),. которым предшествует возрастание энергонасыщенности геологической среды.

На месторождениях полезных ископаемых развитые методы являются основой для создания1* методик выявления высоко перспективных участков по поверхностным. наблюдениям, до проведения буровых работ. При использовании, мобильных передвижных систем наблюдений с получением результатов в режиме реального времени это способно значительно уменьшить экологический ущерб и увеличить скорость разведочных работ. При использовании алгоритмов, ориентированных на крупномасштабные исследования, можно получать распределение крупномасштабных неоднородностей во всем исследованном объеме непосредственно на выходе алгоритма. Это положительно отличается от ситуации с сейсморазведочными методами, когда приходится «сшивать» результаты, полученные по отдельным профилям, что приводит к большим ошибкам. Развитые методы позволяют выделять тектонические нарушения, зоны повышенной трещиноватости, нефте-газовые ловушки, фронты продвижения флюида, области концентрации напряжений и уплотнения резервуара. При разработке месторождений углеводородов развитые метода могут быть использованы для контроля межскважинного пространства и призабойной зоны, для пространственно - временного мониторинга и оперативной коррекции процесса гидроразрыва, для количественной оценки с целью коррекции эффективности внешнего воздействия, различных типов воздействий на залежь с целью интенсификации отбора нефти и газа. При использовании разработанных методов* в "интеллектуальных системах" на геотермальных, нефтяных и газовых месторождениях, они позволят улучшить менеджмент использования и разработки полезных ископаемых, а также оперативно- оценивать реальную сейсмическую и геодинамическую обстановку вблизи разрабатываемых геотермальных объектов в случае экстренных ситуаций.

Разработанная система автоматического обнаружения и классификации сейсмических сигналов с возможностью реализации в виде интеллектуального сенсора, помимо использования для охраны нефте- и газопроводов и других объектов с неогражденными рубежами, допускает существенное расширение области использования: в процессе добычи1 нефти и газа для автоматического отслеживания возникновения сложных колебательных режимов забойного давления и коррекции темпа отбора флюида, для автоматического анализа литоло-гических свойств разреза при сейсмоакустическом прозвучивании околосква-жинного пространства по изменениям зондирующего сигнала, в природных заповедниках для мониторинга популяции и путей передвижения животных и пр. Реализация результатов. Основные результаты диссертации получены в ходе выполнения инновационных научно-исследовательских работ .в рамках программы поддержки научных исследований MIF (Matsumae Internatinal Foundation), грант 1994-19, на факультете геофизики университета Сендаи (Япония) и в Институте физики Земли; в рамках программы Президиума РАН 23, проект 1.3.1, и других программ РАН в Институте проблем нефти и газа РАН; при поддержке гранта INTAS 03-51-5359; при участи в совместных проектах НИЦ «Синапс» (Москва) и Югорского НИИИТ (Ханты - Мансийск), а также в рамках сотрудничества с научно-инженерным центром «СИНАПС» (Москва), грант Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно- технической сфере, проект 6292, Госконтракт N4066-7.04.2006, грант Science Applications International Corporation SAIC GT Subcontract: 29990027 Subproject #:76-760207-9284-009.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских конференциях (Свердловск, 1991), Международных конференциях(Стамбул, 1989; Вена, 1991; Москва;. 1997; Салоники, 1997; Платья д'Аро, 1998; Бирмингем, 1999; Страсбург, 2000; Banff, 2006; Москва, 2007; Мурманск, 2010) и на специальных семинарах отдела математических задач геофизики ВЦ, СО'АН СССР (1990), отдела региональных проблем геофизики и сейсмометрии Института геофизики АНУСССР (1990), отдела физики Земли НИИФизики ЛГУ (1991), отдела экспериментальной геофизики ИФЗ АН СССР (1992), факультета геофизики университета Сен-даи, Япония (1994), Югорского НИИИТ (2003, 2004), Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН; (2009), ИПНГ РАН (2010).

Основное содержание диссертации отражено в 36' печатных работах, в том числе в 13 статьях в журналах, включенных в перечень ВАК, в авторском свидетельстве на изобретение Госкомизобретений СССР, патенте Росс. Федерации на изобретение и патенте Росс. Федерации на полезную модель. Структура и объем диссертации. Диссертация» состоит из введения, 8 глав и заключения, библиографии, включающей 348 наименование. Работа изложена на 350 листах, содержит 78 рисунков и 5 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Чеботарева, Ирина Яковлевна

Выводы.

1. Критерий степени относительной упорядоченности режимов сложных колебаний на базе перенормированной энтропии впервые использован-для анализа временной?изменчивости состояния геосреды по-записям сейсмическогошума: На временах сильных близких коровых землетрясений' с; магнитудами 4:5 < М < 6.3 и эпицентрами на;расстояниях меньших: 300 км от, площадки^наблюдений' выявляются интервалы увеличения степени упорядоченности фоновых колебаний длительностью 10-12 дней; Моделирование и результат обработки','реальных данных показывают, что именно перенормированная согласно алгоритму Б-теоремы Климонтовича энтропия; является, корректной оценкой состояния геосреды, а использование ненормированной энтропии? Больцмана приводит к неверньш: результатам. Метод может быть использован^для?кратког срочного прогноза катастрофических сейсмических событий в коре Земли, таких как землетрясения; оползни, снежные лавины.,

2. Результаты обработки записей сейсмического шума, зарегистрированного поверхностной группой в месте проведения гидроразрыва, показывают, что современные поверхностные сейсмические системы-регистрации^позволяют отслеживать процесс подготовки образования трещины гидроразрыва на глубине более 2 км. При этом кривые критерия степени упорядоченности показывают увеличение степени хаотизации состояния среды на начальном этапе закачки с последующим уменьшением степени хаотизации до момента формирования трещины и выхода на новый-фоновый уровень нормы хаотизации режима колебаний после образования гидроразрыва. Метод может быть использован для контроля состояния среды при разработке месторождений полезных ископаемых и для количественной оценки эффективности внешнего воздействия; например различных типоввоздействийна нефтяную «зал ежь, с целью интенсификации отбора нефти. Мера упорядоченности показывает не только тенденцию отклонения от исходного состояния, но дает количественную оценку величины отклонения, что обеспечивает возможность оперативной коррекции работ. 3. Разработан и опробован новый метод локализации эндогенных объектов с использованием критерия степени относительной упорядоченности режимов сложных колебаний'на базе перенормированной энтропии, который позволяет локализовать глубинные источники, сигнал от которых отличается по степени хаотизации от фонового« шума. При этом не используется информация о скоростной^ модели и измерения волнового поля проводятся последовательно в точках регистрации по профилю или площади, а не одновременно, что является, принципиальным положительным отличием нового метода от традиционных методов локализации источников. Показано аналитически, что по геометрии кривой меры упорядоченности^ можно не только картировать объект, но и оценивать глубину его залегания. Метод использован для локализации по записям сейсмического шума приповерхностного грязевулканического резервуара, расположенного на глубине 1.0-1.5 км. и являющегося флюидонасыщенной гетерогенной системой с повышенными нелинейными свойствами. отмечается совпадение суточного хода среднего уровня геоакустической эмиссии и нормального суточного хода электромагнитного поля в волноводе Земля-ионосфера [ Гаврилов и др, 2006] и пр. Предложены гипотетические объяснения наблюдаемых корреляций, но надо отметить, что достаточной ясности в механизмах сейсмо-ионосферного взаимодействия нет. Совместное исследование и локализация областей генерации не только сейсмического, но инфразву-кового и магнитного излучения важны для прояснения механизмов взаимодействия природных сейсмических и электромагнитных полей, для, понимания механизма магнитных бурь и связанных с ними явлений, для развития теории, сейсмического процесса. Оказалось, что разработанный в сейсмологии метод эмиссионной томографии'может быть использован и для локализации источников магнитного излучения' - магнитоакустических волн. К сожалению, синхронных наблюдений сейсмического и инфразвукового волнового поля не проводилось.

Во время магнитосферных суббурь, чья активность обеспечивается-энергией солнечного ветра, происходит ускорение вдоль силовых линий и высыпание в атмосферу авроральных электронов; приводящее к свечению верхних слоев атмосферы - вспышкам полярного сияния. Информация о времени возникновения? возмущений^ может быть почерпнута из космических снимков полярных зон. Свечения, обусловленные высыпанием частиц в полярной и арктической зоне, связаны, так как колебания захваченных магнитосферой частиц происходят вдоль силовых линий между сопряженными точками с некоторым поперечным дрейфом, вызванным особенностями движения частиц в магнитном поле Земли. В дополнение к информации, получаемой по космическим снимкам, существует международная сеть магнитных станций, показанная на рис.8.1.

Известно, что в геомагнитном поле Земли наблюдаются быстрые вариации, пульсации геомагнитного поля с периодами от долей секунды до десятков минут, при этом наблюдаются флуктуации с теми же периодами и в полярных сияниях, и в потоках захваченных и высыпающихся авроральных частиц, и в тормозном рентгеновском излучении. Геомагнитные пульсации делятся на регулярные (Рс) и иррегулярные (Р1) и нумеруются по характерным периодам по возрастающей, от 1 до 6. Иррегулярные пульсации Р1 появляются чаще в условиях авроральных возмущений в зоне сияний. Из существующего набора иррегулярных пульсаций наиболее высокочастотными, обеспечивающими хорошее временное разрешение при определении времен вступлений, являются1 РИ пульсаций с периодом 1-40 секунд.

Механизм возбуждения и распространения магнитогидродинамических волн (МЕД— волн)-в*диапазоне частот РИ-пульсации» весьма сложен и недостаточно ясен: Значительную роль в динамике частиц в авроральной магнитосфере играет взаимодействие с волнами. Альвеновские волны, с определенной- длинной1 волны могут дополнительно накачивать энергию в ускорение авроральных электронов и тем самым, приводить к усилению яркости полярных сияний, при оптимальных соотношениях между параметрами волны и верхней1 ионосферы авроральным электронам может передаваться до 50% волновой энергии [РШ-репко оХ. а1, 2004]. В3нашем исследовании-предполагалось, что МГД. - волны в диапазоне частот Рс1/РП пульсаций распространяется- от источника горизонтально изотропно-с некоторой средней скоростью [РШрепко & а!,2006]. Этот двумерный, сигнал регистрируется системой антарктических станций, записи которых и были использованы дляг локализации* источников сигнала. На магнитных записях вступления сигналов не четки, что затрудняет, а в большинстве случаев делает невозможным снятие времен вступлений фаз. В такой ситуации, тем не менее, применение метода эмиссионной томографии» оказалось весьма-успешным и позволило локализовать области излучений сигналов по одноком-понентным*записям 7-8 станций.»

Примеры наборов! магнитных записей и соответствующие спектры мощности показаны на рис.8.2. Спектр показывает, что РИ-пульсации являются^широкополосным сигналом с локальным максимумом около 0.1 Гц. Поэтому для улучшения отношения* сигнал/помеха данные магнитометра (Н-компонента) были подвергнуты частотной фильтрации с полосой пропускания 0.05-0.3 Гц. Временное окно анализа данных выбиралось таким образом, чтобы в него были сигналы на фоне интенсивных помех. Данная охранно-информационной сейсмическая система была реализована [Разработка и создание., 2006] в виде портативного устройства - интеллектуального сейсмического сенсора, состоящего из беспроводного модема, процессорного модуля, модуля аналого-цифрового преобразования, элементов управления/индикации, аккумулятора и сейсм о датчика. В устройстве предусмотрены возможности передачи информации о принятом решении, управление режимом работы устройства; тестирование работоспособности устройства с использованием протокола* передачи и приема GSM* сообщений в сети стандарта GSM.

Выбор классификатора. При известных статистических распределениях элементов, вектора классификационных признаков сигнала оптимальным- классификатором является статистический Байесов классификатор.' Если вид статистических распределений не известен, то в задачах классификации обычно используются пороговые классификаторы либо нейронные сети. Пороговый классификатор можно использовать при единичной размерности вектора классификационных признаков. Если размерность вектора классификационных признаков более единицы, используются нейронные сети.

Задача классификации сигналов в описываемом устройстве решается с использованием нейронной сети с радиальной, базисной функцией [Wasserman, 1993], последняя может быть линейной, мульти-квадратичной, кубической, сплайновой (thin-plate-spline), обобщенно-линейной, гауссовой и пр. При этом библиотека обучающих образов является совокупностью наборов входных векторов, определяющих на признаковом пространстве входов области, соответствующие каждому из классов, и при классификации нового образа задача сети сводится к выбору "ближайшего" класса путем нахождения ближайшего кластера в пространстве входных образов. В теории нейронных сетей не существует четких критериев применимости того или иного типа сетей для определенного класса задач. Исключение составляют сети со специфической топологией, носящие название "персептрон". Такие сети способны отделить друг от друга только два множества векторов входов (векторов классификационных признанизм центрирования сигнала, либо использовать кодировку, инвариантную к временному сдвигу. При разработке кодировки мы пошли по последнему пути, то есть реализовали вариант, инвариантный к временному сдвигу.

В процессе кодировки необходимо по возможности наиболее полно и аккуратно представить информацию, содержащуюся во временной реализации сигнала, в удобной для анализа форме. Для этого сигналы обычно раскладывают по базису известных функций, представляя в виде взвешенной суммы собственных векторов, и затем,анализируют коэффициенты разложения. Широко известно преобразование Фурье, позволяющее разложить сигнал* подбазису синусоидальных функций. Такого рода представление удобно для стационарных сигналов, но не позволяет последить временную динамику параметров нестационарного сигнала, усредняя их на интервале-декомпозиции. Согласно принципу неопределенности, энергия сигнала при Фурье-преобразовании не может быть одновременно сильно локализована во временной» и частотной области: синусоида, имеющая максимальную локализацию в частотной области, не локализована во временной, а короткий импульс, максимально локализованный во временной области, имеет "очень широкий спектр". В общем случае

• . 1 сг.сг > — , ' а 2 где а, и аа временной и частотный интервалы, на которых локализована основная энергия сигнала. В пространстве координат время-частота эти параметры определяют размер "временного" и "частотного окна" локализации сигнала с центром в среднем значении соответствующего параметра - временной позиции и центральной частоты.

Для анализа сильно нестационарных сигналов, что имеет место в нашем случае, более удачным выбором является использование вейвлет-преобразования, которое позволяет разлагать сигнал по функциям, хорошо локализованным одновременно и во временной и в частотной области [Ма11а^ 1999]. При этом, если обозначить радиус вейвлета и его фурье-образа соответственно как ст, и <га, то на разных масштабах разложения размеры "временного" и "частотного окна" локализации сигнала зависят от масштаба и определяются формулами сг,л =з0а, , <тШЛ) =сгС7/5'0 .В качестве вейвлета может быть выбрана любая функция у/ из пространства X2 {К) - квадратично интегрируемых функций с финитным носителем. Она должна также иметь хотя бы один нулевой момент:

Соответствующее вейвлетное семейство строится с помощью масштабирования и трансляционного сдвига материнской функции цг: где в - масштабный коэффициент и и — параметр сдвига.

Вейвлет-преобразование функции £ обладающей конечной энергией (нормой), на масштабе бив позиции и вычисляется по формуле

Часто для удобства используют дискретные значения масштабных преобразований (V) и сдвигов {Vк) , где] и к - целые числа. При этом формулы, описывающие вейвлетное семейство приобретают вид:

Вейвлет ц/ называется ортогональным, если семейство { ц/] к } представляет собой ортонормированный базис функционального пространства Ь2 (і?), то есть и каждая функция / є 1} (і?) может быть представлена в виде ряда 0.

Д0= где коэффициенты разложения функции и по базису

V =</>,.* >=!¥/(? к,V).

Изучение свойств ортогональных вейвлетов и многомсштабных преобразований привело к осознанию их связи с банками обратимых фильтров, созданных на базе конгруэнтных (сопряженных) зеркальных фильтров. Было показано, что для каждого вейвлета, порождающего ортогональный;базис в 1}(Л), существует конгруэнтный зеркальный фильтр, и, более того, быстрое вейвлет преобразование дискретных сигналов реализуется каскадным применением; этих конгруэнтных зеркальных фильтров, при этом на каждом шаге с помощью процедуры? фильтрации и прореживания сигнал расщепляется на две части, с половинным числом отсчетов. Одна часть, более низкочастотная; называется? аппроксимацией, другаяболее высокочастотная; детализацией, при этом низкочастотный фильтр, используемый, при расчете: детализации,, определяет вид вейвлета; а1 высокочастотный; фильтр,, используемый при расчете аппроксимации, определяет вид связанной с вейвлетом масштабирующей функции.

Многомасштабная: вейвлетная. декомпозиция функции / может быть представлена графически в виде: дерева вейвлет-декомпозиции. Ма каждом ]+1 масштабном уровне длины векторов коэффициентов аппроксимации А]+1 и детализации Ц) +1 равны между собой и в два раза меньше, чем длина вектора аппроксимации А^ на'} уровня; Реконструкцияшсходношфункции по ее декомпозиции (обратное вейвлет-преобразование)* происходит по аналогичной обратимой» схеме, где вместо прореживания; проводится вставка дополнительных нулевых: значений. Для сигналов конечной длительности необходима модификация вейвлетного базиса, чтобы избежать появления; краевых эффектов в виде очень больших значений коэффициентов разложенияша краях интервала существования сигнала; Если сигнал определен на некотором интервале, то "внутренние" вейвлеты, чьи носители лежат внутри; интервала^ остаются;без изменений,. а, граничные с носителями частично выходящими за пределы интервала должны быть модифицированы. Если вейвлет имеет компактный носитель, то число таких граничных вейвлетов одинаково для каждого уровня декомпозиции. Существуют различные схемы модификации базиса, отличающиеся степенью сложности. К сожалению, более простые схемы дают хороший результат только для сигналов специфического вида, например, периодических сигналов (периодическая схема). В общем случае, когда сигнал не периодический и его значения и производные на концах существенно отличны от нулевых, необходимо использование более сложных схем модификации вейвлетного базиса. В этом случае при реализации быстрого" вейвлет-преобразования до тех пор, пока фильтр не выходит за пределы интервала определения, применяется обычный каскадный алгоритм, а на границах обычный, фильтр заменяется на граничные фильтры, которые рассчитатываются по известным алгоритмам.

Пакетное • вейвлет-преобразование [Ма11а^ 1999р является обобщением' обычного вейвлет-преобразования, которое предоставляет более богатые возможности для. анализа сигналов. При расчете пакетного вейвлет-преобразования-при* переходе на второй масштабный уровень, дальнейшей декомпозиции' подвергается не только аппроксимация* первого уровня А1 , но и его детализация^, на следующих масштабах в каждом узле сигнал подвергается аналогичной декомпозиции. При простом вейвлет-преобразовании с ростом глубины разложения, ширина частотного окна меняется - увеличивается в два раза и в два раза уменьшается длина вектора коэффициентов в каждом узле. На каждом ] уровне имеется один узел с вектором коэффициентов, декомпозиции размерности 14/2У, где Ы— длинна исходного сигнала,„частотный диапазон, соответствующий декомпозиции] уровня — + АГ/2',Г0 + А^/27-1], где нижняя и + А/7) -верхняя граница (частота Найквиста) спектра сигнала/ При пакетном вейвлет преобразовании на каждом уровне ] разложения» формируется 7? узлов. Размерность вектора коэффициентов декомпозиции в каждом таком узле N/2'. Ширина частотного диапазона каждого, соответствующего каждому узлу на] уровне А^/2;, в сумме они покрывают весть полезный диапазон частот + Д^]. Необходимо также отметить, что порядок расположения узлов каждого уровня, вообще говоря, не соответствует монотонному увеличению частотного диапазона. Для расположения узлов в порядке возрастания частоты необходима дополнительная пересортировка, вид такой пересортировки зависит от реализованной схемы декомпозиции и является известным. В общем случае порядок пересортировки можно определить следующим образом: прорисовать вейвлетные функции, соответствующие различным узлам выбранного уровнями пересортировать узлы.в направлении возрастания числа нулей (числа осцилляций) соответствующих функций.

Первый; этап расчета вектора классификационных признаков сейсмоакусти-ческих сигналов - это расчет частотно-временного представления сигналов в виде: пакетной вейвлет-декомпозиции на уровне Е с использованием; непериодической: схемы разложения^ и с использованием;' выбранной базисной вейвлет-ной' функции:. Вранной1" работе: в: качестве базисной вейвлетной функции- выбран один из ;вейвлетовДобиши [Добеши, 2001]. Его формаштип асимметрии близки; к форме сейсмического сигнала "человеческие шаги", что позволяет получать. оптимальное частотно-временное представление сигналов такого типа. Результат пакетнош вейвлет декомпозиции на уровне Е можно графически представить' в; виде двумерной матрицы, вейвлет - коэффициентов- Ш(у),где [ (1=1,2,.,1;. I = 21) порядковый номер узлов дерева1 пакетного вейвлет-разложения на уровне Ь, ] (]=1,2,. .,1; 1=Ы/1) параметр временного1 сдвига. Как упомянуто выше,, порядок расположения узлов матрицы, вейвлет-коэффициентов»W(i,j)- не совпадает, с порядком возрастания частоты; поэтому для удобства расчетов проводится пересортировка узлов Г дерева пакетной вейвлет декомпозиции на уровне Е в соответствии с увеличением частоты. Порядок пересортировки узлов определяется алгоритмом, декомпозиции и является известным: для. известных, алгоритмических схем: В результате пересортировки получается двумерный вейвлет-образ временного ряда,, который обозначим ^(У). Матрица:\у(У) отличается от матрицы только порядком расположения строк. Затем значения элементов пересортированной матрицы, декомпозиции \у(у) заменяются" модулями: (абсолютными значениями) соответствующих элементов

На рис.8:5 приведены примеры типов классифицируемых сигналов: фоновая помеха, шаги человека, копание лопатой, движущийся автомобиль. На рис.8.6 показаны их скэйлограммы — масштабно-временные представления. Эти предшагов, движущегося автомобиля, фоновой помехи. В средине приведены те же матрицы, но в логарифмическом^ масштабе. Справа' приведены изображения, рассчитанные по следующей схеме. Для каждого частотного масштабного уровня 1 матрицы пакетной вейвлетной декомпозиции рассчитывается максимальное значение модулей вейвлет - коэффициентов и на каждом- масштабном уровне производится нормировка на свое максимальное значение. Физический смысл такой нормировки,- выбеливание по максимальному мгновенному вейвлетному спектру сигнала. Эффективность такой процедуры при выделении» особенностей сигналов хорошо заметна при сравнении результатов для различных типов Iсигналов^ -расположенные справа изображения-обеспечивают гораздо лучшее различие типов сигналов и несут больше значимой информации.

На следующем, рис.8.7 изображены примеры трех составляющих вектора классификационных признаков, рассчитанные на базе пакетных вейвлетных преобразований! согласно запатентованной схеме [Чеботарева и др, 20066] для различных типов сигналов: фоновая помеха, шаги человека, копание лопатой, движущийся автомобиль. Каждый вектора классификационных признаков' состоит из трех- подвекторов. Первый - сортировка по убыванию значений усредненных по набору масштабов значений выбеленных вейвлетных матриц. Второй* - усредненные по временному масштабу вейвлетные спектры. Третий - гистограммы сигналов, подвергнутых вейвлетной фильтрации. Легко заметить, что каждому типу сигналов соответствует различное поведение кривых, что облегчает классификацию сигналов. Для повышения'эффективности работы нейронной сети проводится уменьшение размерности, классификационного вектора-и нормировка его значений в соответствии с выбранным алгоритмом обработки [Разработка и создание., 2006]. Классификационные векторы (конечный результат кодировки) из библиотеки обучающих шаблонов для всех типов сигналов приведены на рис.8.8. 0

30 о ( г. щ: ■ д -; о • '.-••"":■ • о

10 20 30

0 10 20 30

Рис.8.8. Примеры значений элементов вектора классификационных признаков для библиотеки обучающих шаблонов, нормированных к одинаковому интервалу изменений элементов на отрезке [0,1], для различных типов сигналов: 1-фоновая помеха, 2-шаги человека, 3-копание лопатой, 4-движущийся автомобиль. Кружками на графиках нанесено положение нормированного классификационного вектора, рассчитанного для образца сигнала, временная реализация которого изображена на рис.8.9 и который правильно классифицирован как шаги.

Разработанная система обнаружения и классификации сейсмических сигналов, которая может быть реализована в виде программно-аппаратного комплекса или портативного беспроводного автономного устройства (интеллектуального сенсора), может применяться при охране наземных объектов любого типа, для охраны периметров не огражденных и огражденных территории. Важными отличительными особенностями разработанного устройства являются: возможность высокоэффективного анализа в зоне пассивного контроля (в режиме реального времени'либо постобработки) сигналов сложной формы от квазиимпульсных до1 квазигармонических; скрытность установки используемых датчиков обнаружения^ (они могут быть вмонтированы, в стены, пол, ограду, прикопаны под землю, размещены, на дне водоема); возможность охраны неограж-денных рубежей, независимость от рельефа местности, отсутствие не просматриваемых зон наблюдения ("мертвых зон"), возможность обеспечения работы на-автономных источниках питания, возможность, использование в автономных и быстро разворачиваемых систем, возможность беспроводного обмена информацией с уполномоченными абонентами, которые могут в режиме удалённого доступа, например в виде SMS на сотовый телефон, получать сведения о текущей обстановке, а в случае необходимости изменять настройки устройства охранного мониторинга.

Разработанная система обнаружения и классификации сейсмических сигналов может использоваться не только для охранных целей, но для обнаружения>и классификации сейсмических или акустических сигналов различной природы. Например, в природных заповедниках для мониторинга популяции и путей передвижения животных. В сейсморазведке, при сейсмоакустическом каротаже для автоматического определения литологических свойств разреза по изменениям в* зондирующем сигнале, при разработке месторождений для отслеживания возникновения сложных колебательных режимов забойного давления и пр стями помехи, а параметры системы регистрации волнового поля - требуемой чувствительностью и пространственным разрешением.

2. Результаты аналитических исследований и численного имитационного моделирования позволили оценить возможности построения изображений шумящих областей внутри реальной среды, сформулировать требования к основным параметрам эксперимента, выявить количественную связь погрешности оценок, чувствительности и пространственного разрешения с основными параметрами^ волнового поля и параметрами эксперимента, что необходимо для оценки статистической достоверности результатов и планирования эксперимента.

3. Разработанные алгоритмы проявляют большую помехоустойчивость. Наличие интенсивных аддитивных и параметрических помех ухудшает качество изображения, но не устраняется принципиальная возможность его формирования. Влияние аддитивной диффузной помехи компенсируется увеличением времени накапливания сигнала. Компенсация влияния параметрической помехи и существенное улучшение пространственного разрешения достигается с помощью алгоритмов с использованием нелинейного формирователя луча. При наличии пространственно когерентной помехи используется система алгоритмов с режекторной и адаптивной фильтрацией, допускающих настройку фильтров по смеси сигнала и^помехи (в режиме самоадаптации).

4. Важный методический результат экспериментальной части представленной работы состоит в том, что литосфера Земли как среда, в которой распространяются сейсмические сигналы, устроена таким образом, что методы когерентного приема успешно работают. С одной стороны, среда достаточно прозрачна и стабильна, чтобы обеспечить сохранение пространственной когерентности и достаточную амплитуду сигнала на значительном удалении от источника, с другой стороны, распределение источников достаточно неравномерно по пространству и контрастно, чтобы они поддавались выделению. При этом метод эмиссионной томографии может применяться даже в случае несовершенной системы наблюдений - неравномерное площадное распределение сейсмических станций и поверхностная регистрация, сложный рельеф местности, сильная латеральная неоднородность среды, интенсивные помехи. Экспериментально доказано, что изображения сейсмических источников на удалении не менее 3 км можно получать для частот до 100 Гц. На частотах менее 2 Гц можно получать изображения среды до глубин* в несколько сотен километров.

5. В процессе проведении опробования метода в экспериментальных исследованиях показана возможность оконтуривания магматического тела с размерами, большими по сравнению с размерами приемной группы, и наблюдения1 временной изменчивости излучаемого им сейсмического сигнала, связанного с глубинной магматической активностью. Показана возможность выявления областей повышенной'трещиноватости и раздробленности. Показано,.что области эмиссионного излучения, являются не только источниками эмиссионной составляющей сейсмического шума, но более мощными источниками когерентной составляющей коды, активизируясь после прохождения Б волн местных землетрясений. На территории- разрабатываемых месторождений, при интенсивном техногенном воздействии на среду, обнаружен ряд новых геофизических эффектов. Обнаружен новый тип сейсмических объектов — пространственно локализованный всплывающий' внутри, разломной зоны со скоростью ОКОЛО 10-м/сеК солитоноподобный ИСТОЧНИК, сейсмического излучения. В'ДИа-пазоне глубин от 1-6 км выявлена вертикальная, система шнуроподобных источников сейсмического излучения, пересекающая,отложения платформенного чехла и всю видимую часть фундамента и уходящая на- большие глубины. По совокупности известных фактов этот объект интерпретируются как тонкая высокопроницаемая вертикальная зона деструкции: Также выявлен захват разломной зоной и нелинейная>трансформация техногенного излучения, что может быть полезно использовано для картирования разломных зон.

6. На основе результатов Б-теоремы Климонтовича предложен и опробован метод количественной оценки изменения динамического состояния геофизической среды. Показано, что* при подготовке близких сильных землетрясений происходит отклонение от фоновой нормы хаотизации и резкое увеличение степени упорядоченности режима высокочастотных шумовых сейсмических колебаний. Показано, что аналогичные эффекты наблюдаются при формировании трещины гидроразрыва. При воздействии на геосреду изменение динамики шумовых колебаний сопровождается изменением пространственного распределения областей эндогенного эмиссионного излучения и появлением коротко-живущих высокочастотных сейсмических структур с неустойчивой локализацией. После снятия техногенной нагрузки, восстанавливается пространственное распределение эмиссионных источников, близкое к первоначальному.

7. Разработан метод локализация сейсмических источников, сигналы которых отличаются по степени упорядоченности от фонового шума. Существенным преимуществом метода является то, что вместо площадной сейсмической группы можно использовать одноточечную последовательную регистрацию вдоль профиля, или, по площади, что несравнимо по финансовым затратам* с площадной регистрацией, и. при этом легко могут быть обследованы большие площади. Развитая методика применена для локализации резервуара грязевого вулкана.

8. Показана возможность использования! разработанных алгоритмов эмиссионной томографии для исследования ионосферных геомагнитных возмущений по данным наземного магнитного мониторинга.

9. Развит алгоритм автоматического детектирования и классификации, сейсмических сигналов, высокоэффективный при-анализе сигналов сложной-формы; как импульсных, так и квазипериодических. На этой, основе разработана, и опробована система обнаружения и классификации сейсмических сигналов с пассивным, принципом действия, которая может быть реализована, в. виде программно-аппаратного комплекса или портативного беспроводного автономного устройства (интеллектуального сенсора). Устройство может быть одинаково успешно использовано для охранных целей (идентификации и контроля передвижений объектов-нарушителей), а также в природных заповедниках для мониторинга популяции и путей передвижения животных; в сейсморазведке, при сейсмоакустическом каротаже для автоматического определения- литологиче-ских свойств разреза по изменениям в зондирующем сигнале; при разработке месторождений для отслеживания возникновения« сложных колебательных, режимов забойного давления и пр. Важными отличительными особенностями разработанного устройства являются: скрытность установки используемых датчиков обнаружения (они могут быть вмонтированы в стены, пол, ограду, прикопаны под землю, размещены на дне водоема); возможность охраны неогражденных рубежей, независимость от рельефа местности, отсутствие не просматриваемых зон наблюдения ("мертвых зон"), возможность обеспечения работы на автономных источниках питания, возможность использование в автономных и быстро разворачиваемых систем, возможность беспроводного обмена информацией с уполномоченными абонентами, которые могут в режиме удалённого доступа, например в виде SMS на сотовый телефон, получать сведения о текущей обстановке, а в случае необходимости изменять настройки,устройства охранного мониторинга.

Изложенная работа представляет собой существенное продвижение в развитии теории обратных задач сейсмологии, в создании экспериментальных основ» количественной оценки техногенного воздействия на среду и прогноза опасных динамических явлений, в понимании природы сейсмического шумового поля.

Результаты*исследований могут быть использованы, в сейсмологических институтах РАН,1 научно-исследовательских и производственных организациях, в центрах мониторинга сейсмической и вулканической активности, в интеллектуальных системах поиска и разведки, бурения, разработки, эксплуатации, транспорта нефти, газа и нефтепродуктов, работающих в режиме реального времени. На рис.1 приведена схема возможных областей применения разработанных методов и методик.

1. Расширение возможностей экспериментальной базы. Повышение чувствительности, расширение частотного диапазона в сторону низких и высоких частот, увеличение диапазона пространственных масштабов наблюдений, числа регистрирующих каналов. Использование многомерных систем: трехмерные направленные системы со скважинными регистраторами, кольцевых сейсмических антенн, наблюдений с ЗС и 4С регистрация. Использование векторно-фазовых методов в комплексе с соответствующей системой регистрации.

2. Для понимания механизмов генерации эндогенного эмиссионного излучения и происходящих в геосреде процессов необходимо проведение экспериментов с долговременной синхронной регистрацией наиболее полного набора параметров и полей различной природы в различных регионах, сопоставление результатов обработки сейсмических данных с геологическими данными, результатами бурения и других исследований. Это позволит развить методы идентификации геофизических объектов по их «портретам» в сейсмических и. других физических полях.

3. Сравнение чувствительности методов на базе S-энтропии Климонтовича с другими существующими методами извлечения^информации о "резонансных" и "хаотических" составляющих исследуемых сигналов, в- частности; с методом-карт синхронизации» [А.А.Любушин] (кластерные меры многомерной корреляции и когерентности вариаций параметров.мультифрактального спектра сингулярности), с методами фликкер - шумовой спектроскопии [С.Ф. Тимашев] (перенормированные спектры мощности и разностные моменты р-го порядка), и пр. Развитие методов контроля состояния среды при разработке месторождений полезных ископаемых и для* количественной оценки эффективности внешнего воздействия, например различных типов воздействий на нефтяную залежь,с целью интенсификации отбора нефти. Разработка метода превентивного картирования области подготовки трещины гидроразрыва. Развитие методов прогноза-и воздействия на среду с цельк> предотвращения- или контролируемого! инициирования готовящихся* природных катастроф, таких как оползни, снежные лавины, землетрясения.

4. Комплексирование методов эмиссионной и трансмиссионной томографи-ии, разработка методов многомерной-оптимизации параметров скоростной модели среды с использованием сигналов от эмиссионных или техногенных источников и построением ^ целевой функции на базе оценки качества эмиссионного изображения источника. ространственна локализация ісмических объв!

Точечная регистрация

Многоканальная регистрация

Метод локализация источников по отличию степени упорядоченности сигналов от фонового шума

Метод количественной оценки ізмєнения динамического состояния геосреды

Эмиссионная сейсмическая томография

Локальный краткосрочны прогноз природных катастроф

1.Пространственно - временной контроль динамики геосреды

Система автоматического обнаружения и классификации сложных сейсмических сигналов с пассивным принципом действия

2.Количественная оценка эффективности внешнего воздействия на среду

З.Локальный временной контроль состояния среды при разработке месторождений и других техногенных воздействиях

2.Постранственно - временной прогноз природных катастроф

З.Превентивный прогноз положения трещины гидроразрыва

Д.Разработка классификационных признаков геологических объектов по их сейсмическим проявлениям ск и разведка полезных ископа

Использование в системах шшектуальных месторождений»

Рис.1. Схема областей применения разработанных методов и методик.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Чеботарева, Ирина Яковлевна, Москва

1. Адамова A.A., Сабитова Т.М. Трехмерная скоростная модель земной коры Тянь-Шаня.//Физика Земли. 2004. N5. С 58-67.

2. Адушкин В. В., Гамбурцева Н. Г., Нестеркина М. А., Санина И. А., Султанов Д. Д., Усольцева O.A. О связи вариаций времен пробега сейсмических волн с изменением скорости вращения земли//Физика земли. 2010. N3. С.66-78.

3. Аки К, Ричардсон» П. Количественная сейсмология. Теория и методы*. Т.1&Т.2. М: Мир. 1983. 880 С.

4. Аксенович Г.И:, Гальперин Е.И., Гальперина P.M., Катренко В.Г., Троицкий П.А. Изучение закономерностей убывания фона сейсмических помех с глубиной в городах Алма-Ата и Ташкент/УИзв. АН СССР: Физика Земли. 1972. N11. С.67-76.

5. Александров С.И., Рыкунов JI.H. Шумовой .мониторинг в Южной Исландии/Доклады РАН. 1992. Т.326. N.5. С.808-810.

6. Александров С.И. Оптимальные методы пространственного анализа шумовых сейсмических источников. II. Синтез адаптивных конструкции/Вулканология и сейсмология. 1992. N.l. С.70-82.

7. Александров С.И.', Узунов Д.П. Оптимальные методы пространственного анализа шумовых сейсмических источников. I. Исследование разрешающей способности//Вулканология и сейсмология. 1992. N.1. С.83-93.

8. Александров С.И., Мирзоев K.M. Мониторинг эндогенного микросейсмического излучения в районе Ромашкинского нефтяного месторожде-ния//Проблемы геотомографии. Под ред. Николаева A.B. М: Наука. 1997. С. 176-188.

9. Алексеев A.C., Жерняк Г.Ф., Меерсон А.Е., Хайдуков B.F., Цибульчик Г.М. Сейсмическая голография и фотографирование методы и результаты ра-бот//Проблемы вибрационного просвечивания земли. 1977. М: Наука. 240 С.

10. Анищенко B.C., Сапарин П. И., Курте Ю., Витт А., Фосс А. Анализ динамики сердечного ритма человека на основе критерия; перенормированной; энтропии //Известия« вузов. "Прикладные задачи нелинейной теории- колебаний* и волн?'; 1994. Т.2. N3-4LG. 55-63.

11. Анищенко, B.C., Янсон Н:Б., Павлов А.Н: Может ли режим- работы; здорового-, сердца человека, быть регулярными/Радиотехника, и; электроника; 1997. T.42.N8. G.1005-110.

12. Анциферов;; М.С., Анциферова Н.Г. Применение метода акустической эмиссии: для оценки состояния угольного массива и прогноз динамических явлений.//Прогноз;землетрясений» Душанбё-Москваг 1983-1984. N4. C.308i317.

13. Анцыферов М.С., Анцыферов Н.Е., КогашJEJIC Сейсмические исследования и проблемапрогнозадинамических^явленийМШаука^. 1971?.

14. Багдасарова М. В. Современные гидротермальные системы и их связь с формированием месторождений- нефти и газа// Новые технологии нефтяной и газовойтпромышленности. М: Наука. 2000.- С. 100-115.

15. Барабанов В. Л., Николаев A.B. Низкочастотное сейсмическое воздействие на нефтяные залежи: лабораторные и натурные эксперименты,, теоретические модели. М: ИПНГ РАН. 2002. 38 С.

16. Беляева И.Ю., Зайцев. В.Ю. Влияние иерархичности внутренней структуры микронеоднородной среды на ее линейные упругие свойства. Нижний Новгород. 1996. (Препринт Ин-та прикладной геофизики РАН). 19 С.

17. Беляева И.Ю., Зайцев. В.Ю. Упругие нелинейные свойства микронеоднородных сред с иерархической структурой/ЛАкуст. журнал. 1997. Т.43. N5. С.594-599.

18. Беляевский H.A. Земная кора в» пределах территории* СССР. М.: Недра. 1974. 280С.

19. Беляков А.С, Николаев A.B. Методик сейсмоакустических наблюдений //Изв. РАН, Ф. 3., N8, 1995, с.89-93.

20. Беляков А.С, Губерман В.М., Жигалин А.Д., Лавров B.C., Любушин A.A., Мухамедов В.В., Николаев-A.B., Яковлев Ю.Н. Новые результаты мониторинга акустических шумов в Кольской сверхглубокой скважине//ДАН РАН. 2007. Т.412. N2. С 253-256.

21. Бембель P.M. Высокоразрешающая объемная сейсморазведка. Новоси-бирск:Наука. 1991. 151 С.

22. Бембель P.M., Мегеря В.М., Бембель С.Р. Поиск и разведка месторождений углеводородов на базе геосолитонной концепции дегазации зем-ли//Геология нефти и газа. 2006. N2. С.2-8.

23. Бембель A.M. Минченков H.H. О модели формирования аномальных разрезов баженовской свиты на площадях среднего Приобъя// Вестник недропользователя. Электронный журнал. 2003. N10.

24. Бембель P.M., Бембель С.Р. Геосолитонная концепция месторождений углеводородов в районе Среднего Приобья. Вестник недропользователя. 2008 N19. http://www.oilnews.ru/magazine/2008-19-03.html

25. Бердыев A.A., Мухамедов В.А., Мурадов В.А., Сеидов Б.А. Анизотропия высокочастотного сейсмического» шума при местных землетрясениях. //ДАН СССР. 1992. Т.322. N.3. С.484-489.

26. Блинов Г.И., Грин В.П. и др. Некоторые результаты комплексного районирования на участке со сложной микрогеологией// Сейсмичность районов строительства в Киргизии. 1987. Фрунзе. С.78-95.

27. Бовенко В. Н. Автоколебательная модель акустоэмиссионных и сейсмических явлений//Докл. СССР. 1987. T.297.N5. С.1103-1106.

28. Боголюбов H.H., Митропольский Ю.Я. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М: Наука. 1963. 504С.

29. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М:Наука. 1973. 720 С.

30. Бортников П. Б. . Разработка5 метода сейсмической локации забоя скважины^ вшроцессе бурения-и прогнозирование свойств близлежащих- к забою пород. Отчет- ЮНИ1ЖТ. 2006^ht^V/w

31. Булин Н. К. Современное поле напряжений в верхних горизрнтах земной коры. Геотектоника; 1971. N3: C3-15;

32. Валяев Б.М: Углеводородная дегазация Земли; и генезис нефтегазовых месторождений.// Геология нефти и газа. 1997. N9. С.30-37.

33. Виноградов С.Д. Акустический метод в исследованиях по физике землетрясений. М.: Наука. 1989. 176 С.

34. Вишшк Л.П. Структура микросейсм и некоторые вопросы методов группирования в сейсмологии. М:Наука. 1968. 104С.

35. Винник Л.Н., Косарев Г.Л., Орешин С.И. Модели для слоистой среды с использованием метода приемных функций, разработанного в ИФЗ РАН// Земная кора и верхняя мантия Тянь-Шаня в связи с геодинамикой и сейсмичностью. Бишкек-Илим.:МНТЦ. 2006. С.31-40

36. Володин И:А. Нелинейная динамика геологической: среды. М: ГУП "ВИМИ?': 19991-229! ■42: Володин И.А. Нелинейность и многомасштабность в сейсмоакусти-ке//Проблемы геофизики ХХЬвека. Т.2. 2003. С.5-36.

37. Гаврилов В. А., Морозова Ю. В., Сторчеус А. В. вариации уровня геоакустической эмиссии в глубокой скважине и их связь с сейсмической активно-стью//Вулканология и сейсмология: 2006. N1. С.52-67.

38. Гальперин Е.И. Вертикальное сейсмическое профилирование. М:Недра. 1971.263 С.

39. Гальперин Е.И., Нерсесов И.Л. Изучение сейсмического режима крупных промышленных центров: М:Наука. 1978. С.23. С.42-48.

40. Гальперин Е.И., Винник Л.П., Петерсен Н.В. О модуляциивысокочастот-ного сейсмического шума приливными деформациями литосферы//Изв.АН GCCP. Сер. Физика Земли. 1987. N12. С.102-109.

41. Гамбурцев Г.А. Избранные труды. М:АН СССР. 1960. С. 424-425.

42. Гамбурцева Н. Г., Николаев A.B., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В: Соль-тонные свойствателесейсмических волн//ДАНСССР. 1986.' Т.29Г. N4.49: Г. А. Гамбурцев. Избранные труды. Т. 2". Основы» сейсморазведки. М:Наука. 2003. 422 С.

43. Гвоздева A.A., Кузнецова В.В: Откольные явления в грунтах, наблюдаемые при сейсморазведке//Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1967. N5. С.21-27.

44. Голицын Б.Б. Избранные труды. М: АН СССР. 1960. Т.2. С.411-413.

45. Горбатиков A.B., Степанова М.Ю. Результаты»исследований статистических характеристик и свойств стационарности ризкочастотных микросейсмических сигналов//Физика Земли. 2008. N1. С.57-67.

46. Гордеев Е.И., Рыкунов Л.Н. Спектры,Р-волн от удаленных землетрясений в области частот 1-10 Гц//Изв. АН СССР: Сер.Физика Земли. 1976. N7. С.90-92.

47. Гордеев Е.И:, В'.А.Салтыков, В.И.Синицын, В.Н.Чебров Воздействие прогрева земной 'поверхности на высокочастотный сейсмический шум//ДАН СССР. 1991. Т.316. №1. С.85-88.

48. Гордеевt Е.И.,Сенюков С.Л. Сейсмическая активизация вулкана Корякский в 1994 г.: Гибридные сейсмические события и их применение для оценки вулканической опасности. 1998//Вулканология»и сейсмология. N4-5. С.112-126.

49. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М:Мир.1970. 365 С.

50. Гулько Е.А., Кушнир А.Ф., Троицкий П.А. Статистическая оптимизация алгоритмов сейсмической голографии//Компьютерный анализ геофизических полей (Вычислительная сейсмология, вып. 22) М., Наука, 1990. С.253-274.

51. Гуфельд И.Л., Корольков A.B., Новоселов О.Н., Хрулев E.H. Отражение геодинамических процессов в локальной геоакустической эмис-сии//Вулканология и сейсмология. 2009. N6. С.62-73.

52. Гуфельд И.Л., Гаврилов В.А., Корольков A.B., Новоселов О.Н.Эндогенная активность Земли и декомпрессионная модель сейсмического шума//ДАН РАН. 2008. Т. 423. N6. С.8Г1-814.

53. Дарвин Д.Г. Приливы и родственные им явления в солнечной системе. М:Наука. 1965. 106С.

54. Дергачев A.A., Данциг Л.Г., Бортников П:Б. Сейсмические шумы в районе Новосибирска/ЛГеология и геофизика. 1984. с. 77 80.

55. Дмитриевский А. Н., Володин И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и геодинамика. М: Наука. 1993. 153 С.

56. Дмитриевский.А. Н., ВаляевБ.М., Володин И.А. Геодинамические аспекты генезиса нефти и газа//Проблемы происхождения нефти и газа. М: Наука. 1994х. С.22-30

57. Дмитриевский А. Н., Володин» И.А. Формирование и динамика энергоактивных зон в геологической среде.// Доклады РАН. 2006. т.411. N3. С. 395-399.

58. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. М.: РХД. 2001. 464С.

59. Дьяконов Б.П., Иваев А.Т., Улитин Р.В. Об усилении циклических изменений физических характеристик- горных пород в земной коре//ДАН СССР, 1985. Т. 282. С. 34-37.

60. Дьяконов Б.П., Троянов А.К., Назаров А.Н., Фадеев В.А. . Сейсмоакусти-ческие шумы на глубоких горизонтах// ДАН СССР. 1989а. Т.309. N.2. С.314-318.

61. Дьяконов Б.П., Троянов -А'.К. О возбуждении естественных сейсмоаку-стических шумов в земной коре. Деп. ВИНИТИ. 15.11.89. N6674-B89. 19896.

62. Дьяконов Б.П., Троянов А.К., Кусонский O.A., Назаров А.Н., Фадеев В.А. Геологическая информативность скважных исследований высокочастотныхсейсмоакустических шумов. //Вулканология и сейсмология. 1991. N1. С.112-116.

63. Жадин В.В., Спирин А.И. Спектр короткопериодных микросейсм на Кок-четавской возвышенности.// Сейсмичность и' глубинное строение Сибири и дальнего Востока. М: Наука. 1997. С 229-233.

64. N 74. Жадин В.В. О частотном составе записей продольных волн от удаленных землетрясений//Изв. АН СССР. Сер. Физика земли. 1971. N5.

65. Зайцев. В.Ю., Назаров В:Е., Таланов В.И. "Неклассические " проявления микроструктурно обусловленной нелинейности: новые возможности для акустической диагностики//УФН. 2006. T.176.N1. С.77-95.

66. Запольский К.К. Измерение уровня и спектрального состава короткопериодных микросейсм//Вопросы инженерной сейсмологии. 1960. N10. С.87-98.

67. Казанкова Э.Р. Принципы системной организации полей напряжений в литосфере//Газовая промышленность. 1997. N7. С.39-42.

68. Каррыев Б.С., Курбанов М.К., Николаев A.B., Хаврошкин О.Б.Дыплаков

69. B.В.' Динамический режим сейсмической эмиссии; хаос и самоорганизация// ДАН СССР. 1986. Т.290. N.l. С.67-71

70. Каррыев Б.С. Исследование.высокочастотных сейсмических шумов Ашхабадского сейсмоактивного района. М:ИФЗ АН СССР. 1985

71. Кейпон Дж. Пространственно-временной спектральный анализ с высоким разрешением//ТИИЭР. 1969. Т.57. N.8: С.69-79.

72. Климонтович Ю. JI. Статистическая теория открытых систем. Т. 1. 1995. М: ТОО "Янус". 622 С.

73. Козловский Е.А. Кольская сверхглубокая скважина//В мире науки. 1984. N3. С.38-49.

74. Козырев A.A., Савченко С.Н. Закономерности распределения тектонических напряжений в верхней части земной коры//Физика земли* 2009. N11. С.34-43

75. Копвиллем У.Х., Долгих Г.И. Регистрация сверхнизкочастотных колебаний Земли. Тез. Докл. II Всесоюзной конференции по анализу сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения. Воронеж. 1987.1. C.19.

76. Копничев Ю.Ф. Сейсмические кода-волны М.: Наука. 1978. С.83.

77. Копничев Ю.Ф. Короткопериодные сейсмические волновые поля. М.: Наука. 1985. С. 176.

78. Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Поглощающие свойства среды// Земная кора и верхняя мантия Тянь-Шаня в связи с геодинамикой и сейсмичностью. Бишкек-Илим.:МНТЦ. 2006. С.40-47.

79. Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения корот-копериодных сейсмических волн в литосфере центрального Тянь-Шаня//Вулканология и сейсмология. 2007. N5. С.54-70.

80. Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения корот-копериодных S-волн- в литосфере Тянь-Шаня и- Джунгарии и их связь- с сейс-мичностью//Доклады РАН. 2010:- Т.433. N6. С.808-812.

81. Королева Ю., Яновская »Т. Б., Патрушева-С. С. Использование сейсмического > шума для определения структуры верхней толщи//Физика земли. 2009. N5. С.З-14.

82. Крамер Дж. 1974. 1974. Математические-методы статистики. М:Наука. 684С.

83. Крылов'A.JII, Николаевский В.Н., Эль Г.А. Математическая модель нелинейной генерации^ ультразвука сейсмическими волнами// ДАН1 СССР, 1991, т.318, N.6, с.1340-1344.

84. Крюков И.Н., Иванов В.А.К вопросу создания'сейсмического средства обнаружения переспективных сигнализационных систем и комплексов. НИКИ-РЭТ. N5. 2002.

85. Кугаенко Ю.А., Салтыков В.А., Синицын В.И., Чебров В.Н: Локация источников сейсмического шума, связанного с проявлением гидротермальной активности, методом эмиссионной томографии// Физика Земли. 2004а. N2. С.66-81.

86. Куксенко B.C., Мирошниченко М:И1, Савельев В.Н. и др. Физичесике принципы прогнозирования разрушения образцов горных по-род//Экспериментальная сейсмология. 1983. С.26-29.

87. Купцов А. В., Марапулец Ю. В., Мищенко М. А., Руленко О. П., Шевцов Б. М., Щербина А. О. О связи высокочастотной акустической эмиссии приповерхностных пород с электрическим полем в приземной слое атмосфе-ры//Вулканология и сейсмология. 2007 N5 С.71-76

88. Кушнир А.Ф., Лапшин В.М. Параметрические методы анализа многомерных волновых рядов. 1986. М: ИФЗ АН СССР. С. 91-226.

89. Кушнир А.Ф., МостовойС.В. Статистический анализ геофизических полей. Киев: Наукова думка. 1990. 276 С.

90. Кушнир А.Ф. Идентификация линейных динамических систем как статистическая задача с мешающими параметрами//сб. Современные методы интерпретации» сейсмологических данных. (Вычислительная сейсмология. Вып.24).1991. М:Наука. С.252-272.

91. Кушнир А.Ф. Оценивание вектора кажущейся медленности плоской волны по данным трехкомпонентной сейсмической группы: статистическая задача с мешающими; параметрами// Вычислительная сейсмология. 1997. вып.29. С. 197-214.

92. Кушнир А.Ф., Лапшин В.М: Обнаружение и выделение волновой формы сигнала в коде сильного интерферирующего события// Вычислительная сейсмология. 1997. вып.29. С. 215-233.

93. Лаппо С.С., Левин Б.В., Сасорова Е.В. и др. Гидроакустическая локация области океанического землетрясения//Доклады РАН. 2003. Т.388. N6. С.SOSSOS.

94. Ли Сы-Гуан. Вихревые структуры и другие проблемы относящиеся к сочетанию геотектонических структур северо-западного Китая. М.: Госуд. науч-но-техн. изд. литературы по геологии и охране недр. 1958. 132 С.

95. Лукашин Ю.П. Оценка влияния случайных временных сдвигов между сейсмическими каналами на эффективность группирования//сб. Прикладная геофизика. 1963. вып.37. С.56-63.

96. Лукк A.A., Дещеревский A.B., Сидорин А.Я., Сидорин И.Я. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. М: ОИФЗ РАН. Москва. 1996. 210 С.

97. Любушин A.A. Анализ данных систем геофизического и экологического мониторинга. М:Наука. 2007. 228С.

98. Любушин A.A. Микросейсмический шум в минутном диапазоне периодов: свойства и возможные прогностические признаки// Физика Земли. 2008. № 4. С. 17-34.

99. Любушин A.A. Тренды и ритмы синхронизации мультифрактальных параметров поля низкочастотных микросейсм// Физика Земли. 2009.№5.С. 15-28

100. Маловичко Д.А., Верхоланцев Ф.Г. Проектирование локальной площадной »сейсмической группы в центральной части Пермской области. 2005. РФФИ №)4-05-97506-рофи. http://seismo.mi-perfn.ru/doc/mda/npoeKTHpoBaHHe-ceHCMH4ecKofi-группы

101. Маслов Л.А. Модель трещины« как излучателя упругих колеба-ний//Прикладная математика и техническая физика. 1976. N2

102. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. 1990. М.:Мир. 589 С.

103. Машуков В .И., Стажевский С .Б., Шемякин Е.И. О всплывании полостей в горном массиве//ДАН СССР. 1997. Т.356. N6. С.817-820.

104. Мигулин В.В„ Ларкина В.И., Молчанов O.A. и др. Обнаружение эффектов воздействия землетрясений на ОНЧ-КНЧ-шумы во внешней ионосфере: Препр. ИЗМИРАН, № 25(390). М., 1982.

105. Мирлин Е. Г. Проблема вихривых движений в «твердых» оболочках земли и их роли в геотектоники//Геотектоника. 2006. N4. С.43-60.

106. Монахов Ф.И. Низкочастотный сейсмический шум Земли. М., Наука, 1997. 95С.

107. Молевич Н. Е. Возбуждение встречных акустических течений в термодинамических неравновесных газовых средах//Письма В ЖТФ. 2001. Т.27". Вып.21. С.26-28.

108. Мухамедов В. А. Фрактальные свойства высокочастотного шума. Ашха-бад:Туркменский гос. университет. Центр физико-математических исследований. 2001.48 С.

109. Мухамедов В.А., Мурадов В.А., Сеидов Б.А.Анизотропия высокочастотного сейсмического шума при местных землетрясениях//ДАН СССР. 1992а. Т.322. N3. С. 484-489.

110. Мухамедов В.А, Каррыев Б.С., Канель Е.Г. Временные вариации фрактальных размерностей сейсмичности//ДАН СССР. 19926. Т.322. N3. С. 490-497.

111. Мухамедов В.А. О фрактальных свойствах высокочастотного сейсмического шума и механизмах его генерации// Известия РАН. Сер. Физика земли. 1992в. N3; С. 39-49.

112. Мухамедов В. А. Вариации сейсмоакустической эмиссии в дискретной геофизической среде//Известия АН Туркменской ССР. Сер.физ-тех., химических и геологических наук. 1989. N5. С.74-79.

113. Мюнье Ж, Делиль Ж.Ю. Пространственный анализ в пассивных, докаци-онных системах с помощью адаптивных методов//ТИИЭР. 1987. Т.75. N.11. С.21-37.

114. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М:Мир. 1969. Т.2. С. 836.

115. Науменко Б.Н. О явлении частичной ликвидации тектонических напряжений штормовыми«микросейсмами//Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1979. N8. С.72-75.

116. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред, часть 1 и'часть 2. М.: Наука. 1987.

117. Николаев A.B. Сейсмические свойства рыхлой среды//Физика Земли. 1967. N2. С. 23-31.

118. Николаев A.B. Сейсмика неоднородных и мутных сред. М:Наука. 1972. 170 с.

119. Николаев A.B.,Троицкий П.А., Хьюсеби Е.С. Сейсмическая голография и вертикальная неоднородность верхней мантии//ДАН СССР. 1982. Т.263. N5. С. 1102-1105.

120. Николаев A.B. ,Троицкий П.А., Чеботарева И .Я. Авт. свидетельство Гос-комизобретений СССР N1000962, 1982.

121. Николаев A.B., Троицкий П.А, Чеботарева И.Я. Изучение литосферы сейсмическими шумами//ДАН СССР. 1986. Т.282. N9. С.586-591.

122. Николаев A.B., Троицкий П.А, Чеботарева И.Я. Анализ методов шумовой сейсмической голографии. М: ИФЗ АН СССР. 1991. Деп. ВИНИТИ. N18-B91. 52 С.

123. Николаев A.B. Проблемы нелинейной сейсмики.//сб.Проблемы нелинейной сейсмики М., Наук, 1987, с.3-20.

124. Николаев A.B. Проблемы наведенной сейсмичности//сб. Наведенная сейсмичность, М., Наук., 1994, с.5-15.

125. Николаевский В. Н. Механика геоматериалов и.землетрясений//Механика деформируемого твердого тела, 1983, т. 15, с. 149-230.

126. Николаевский В. Н. Геомеханика и флюи до динамика. Москва:Недра. 1996. 448С.

127. Николаевский В. Н. Собрание трудов. Т.2. М:РГУ нефти и газа. 2010. с.251-259.

128. Островский A.A. Донные сейсмоэксперименты. М.: Наука, 1998. 255 с.

129. Павленко О.В. Сейсмические волны в грунтовых слоях: нелинейное поведение грунта при сильных землетрясениях последних лет. М: Научный мир.2009. 260С.

130. Павлов О.В., Табулевич В.Н. О закономерностях изменения интенсивности глобальных микросейсмических колебаний//ДАН СССР. 19841: T.278.N3. С.585-587.

131. Пархоменко А.Н. «Детерминированный хаос» и риск внезапной сердечной смерти//Кардиогогия. 1996. Т4. С.44.

132. Петрашень Г.И., Нахамкин С.А. Продолжение волновых полей в задачах сейсморазведки. Л.: Наука, 1973.

133. Пиковский А., Розенблюм. М., Курте Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера. 2003. 496с.

134. Плескач Н.К. Квазигармонические колеюания сейсмического фона в диапазоне частот 1-5 Гц//ДАН СССР. 1977. Т.232. N3. С.558-561.

135. Пригожин И. От существующего к возникающему. М: Наука. 1985. 328 С.

136. Пономарев B.C. Горные породы как среды с собственными источниками упругой энергии// Проблемы нелинейной сейсмики. Под ред. Николаева A.B. и Галкина И.Н. М:Наука. 1987. С.50-64.

137. Пономарев B.C. Закономерности разрушения энергонасыщенных средibj проявлениях наведенной сейсмичности//Наведенная- сейсмичность. Под ред. Николаева А;В1 и Галкина HiH. М:Наука. 1994. С.73-9 Г. .

138. Проблемы; нелинейной сейсмикш Под: ред: Николаева^ A.B. и; Галкина1 И.Н. М:Наука. 1987. 287 С.155: Пузырев^НШ! Интерпретация?данных: сейсморазведки? методом отраженных волн. М: Гостоптехиздат. 1959: 96 С.

139. Руденко О.В: Гигантские нелинейности структурно-неоднородных сред и основы методов нелинейной акустической диагностики //УФН. 2006; Т. 176. №. 1.С. 97-102.

140. Робсман В.А. Накопление и хаотическое развитие нелинейных акустических процессов при динамическом нагружении геологических структур // Акуст. жури., 1993, т. 39, вып. 2, стр. 333-349.

141. Розин А. А. Подземные воды Западно-Сибирского артезианского бассейна и их формирование. Новосибирск: Наука. 1997. 100 С.

142. Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М:Недра. 1986. 301 С.

143. Руденко О. В. Взаимодействие иетенсивных шумовых полей//УФН. 1986. Т. 149. N3. С.413-447.165.

144. Руденко О. В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М:Наука. 1975.

145. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В: Модуляция высокочастотных микросейсм//ДАН СССР. 1978. Т.238. N2. С.303-306.

146. Рыкунов Л.Н., Цыплаков В.В., Хаврошкин О.Б. Временные вариации вы-сокоч стотных сейсмических шумов// Изв.АН СССР. Физика Земли. 1979. N11. С.72-77

147. Рыкунов JI.H., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Явление модуляции высокочастотных1 сейсмических шумов Земли // Диплом на открытие №282 Гос-комизобретений СССР. М.: 1983. С.1.

148. Рыкунов JI.H., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Эффект модуляции.сейсмических шумов земли: 25 лет спустя: Сообщение 2. Наука и технология в России. 2000. №1-2 (38-39).

149. Рыкунов JI.H., Смирнов В.Б., Старовойт Ю.О. Об иерархическом характере сейсмической эмиссии// ДАН СССР. 1986. Т.288. N.1-. С.81-85.

150. Рыкунов JI.H., Смирнов В.Б., Старовойт Ю.О., Чубаров О.С. Самоподобие сейсмического< излучения во времени// ДАН CCCPI 1987. Т.297. N.6. С.1337-1341.

151. Рыкунов A.JI., Смирнов В.Б. Общие особенности сейсмической эмиссии на различных временных масштабах // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1985. № 6. С. 83-87

152. Сабитова Т. М., Адамова A.A. Сейсмотомографические исследования земной коры Тянь-Шаня. //Геология и геофизика. 2001. Т.42. N10. С. 1543-1553.

153. Сабитова Т.М. Отражение геодинамических процессов в скоростной структуре земной коры и верхней мантии// Земная кора и верхняя мантия Тянь-Шаня в связи с геодинамикой и сейсмичностью. Бишкек-Илим.гМНТЦ: 2006. С.58-61

154. Садовский М.А. О естественной кусковатоститорных пород//ДАН СССР. 1979. T.247.N4. С.829-831.

155. Салтыков В.А. Возможные механизмы воздействия-земных приливов на высокочастотный'сейсмический шум//Вулканология и» сейсмология. 1995. №3. С. 81-90.

156. Салтыков В.А., Кугаенко В.И., Синицын.В.И., Чебров В.Н. Предвесьники сильных землетрясений на Камчатке по данным мониторинга сейсмических шумов//Вулканология,м сейсмология. 2008. N2. С.110-124.

157. Сбоев В:М. Исследование динамических процессов, в массиве горных пород на глубоких подземных предприятиях//Изв. АН СССР. Физика земли. 1982. N10. С.57-61.

158. Сбоев В.М. Исследование микросейсмической эмиссии, возникающей в образцах горных пород. Новосибирск. Препринт ИГД СО АН-СССР N22. 1988а. 67 С.

159. Сбоев В.М. Исследование микросейсмических процессов в массиве горных пород подземных рудников. Препринт ИГД СО АЕГСССР N25: 19886. 67 С.

160. Сейсмическое просвечивание очаговых зон. Отв. Ред. Николаев A.B. М:Наука. 1983. 276С.

161. Сейсмическая томография. С приложениями в глобальной сейсмологии и разведочной геофизике. Пер. с англ. Под ред. Г. Нолета. 1990. 416 С.

162. Сероглазов P.P. Особенности микросейсмического отклика геофизической среды на динамическое воздействие в условиях платформенных областей. 2003. Автореферат диссертации к. ф-м н. М: ИФЗ. 32С.

163. Смирнов В.Б., Пономарев A.B., Завьялов-А.Д. Структура акустического! режима» в>образцах горных пород и сейсмический процесс//Физика Земли. 1995'. N1.G. 38-58.

164. Смирнов В. Н., Линьков Е.М. , Об источниках высокочастотных сейсмических возмущений и изгибно-деформационных волнВ Антарктике//Изв. АН СССР: Физика Земли. 1967. N8. С.77-82.

165. Смирнов H.H., Иудин, Д.И. Перколяционный механизм гравитационной дифференциации как модель сейсмической-активности. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1, Математика. Механика. 2003. N2. С.31-39.

166. Собисевич А. Л., Горбатиков A.B., Овсюченко А.Н. Глубинное строение грязевого вулкана горы Карабетова//Доклады РАН. 2008. Т.422. N4. С.542-546.

167. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука. 1993. 313 С.

168. Соболев Г. А., Пономарев A.B. Акустическая эмиссия и стадии подготовки разрушения в лабораторном эксперименте//Вулканология и сейсмология. 1999. N4-5. С.50-62.

169. Соболев Г.А. Эволюция периодических колебаний сейсмической интенсивности перед сильными землетрясениями//Физика Земли. 2003. N11. С.3-17. ■

170. Соболев. Г.А., Пономарев A.B. Физика землетрясений и предвестники. М:Наука. 2003. 270 С.

171. Соболев Г. А. Вариации микросейсм перед сильным землетрясением//Физика Земли. 2004. № 6. С. 3-13.

172. Соболев Г.А., Любушин A.A., Закржевская H.A. Синхронизация микросейсмических колебаний в минутном диапазоне периодов//Физика Земли. 2005. № 8. С. 3-27.

173. Соловьев С.П., Спивак A.A. Электромагнитные сигналы в результате электрической поляризации при стесненном деформировании горных пород.

174. Старовойт О. Е., Чернобай И. П. Спектр помех в ЦСО Обнинск в диапазоне приборов 5-300 с//Сейсмические приборы. М:Наука. 1978. Вып.2. С.149-156.

175. Сурнев В.Б. Унифицированная теория и алгоритмы численного решения» задач дифракционной томографии сильно неоднородных сред//Проблемьг геотомографии. М:Наука. 1997. С.99-122.

176. Табулевич В.Н. Штормовые микросейсмы, геомагнитные бури и комплекс геофизических возмущений частотой' 0.1-1 Гц.// Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М:Наука. 1981. Вып.53. С.211-218.

177. Табулевич В.Н. Комплексные исследования микросейсмических колебаний. М:Наука. 1986. 123С.

178. Токарев П. И. Вулканическое дрожание//Вулканология и сейсмология. 1981. N3. С.55-70.

179. Токарев П. И. Определение энергии вулканических землетрясений//Вулканология и сейсмология. 1987. N2. С.64-79.

180. Троян В.Н., Рыжиков Г.А. Сейсмическая дифракционная томография// Проблемы геотомографии. М:Наука. 1997. С.55-85.

181. Усольцева O.A., Санина И.А. Модели для непрерывной среды с В-сплайн аппроксимацией (алгоритмы разработаны в ИДГ РАН)// Земная кора и верхняя мантия Тянь-Шаня в связи с геодинамикой и сейсмичностью.Бишкек-Илим.:МНТЦ. 2006. С. 18-31

182. Устройство обнаружения и классификации сейсмических сигналов. Патент Российской Федерации № 2002113466/28. 2003 г.

183. Хаврошкин О.Б. Некоторые проблемы нелинейной сейсмологии. Моск-ва:ОИФЗ РАН. 1999. 286 С,

184. Хаврошкин О.Б.,Цыплаков В.В. Сейсмический шум и сейсмичность// Всесоюзный семинар "Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре". 1989. С.118-119.

185. Чеботарева И .Я. Использование шумовых сейсмических полей для изучения строения земли. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наую(специальность 01.04.12). ИФЗ РАН, 1992 .

186. Чеботарева И.Я., Николаев А.В., Сато X., Шиоми К. Источник сейсмической эмиссии, связанный с магматическим телом в районе вулкани ческого фронта, о.Хонсю, Япония. //Вулканологияи сейсмология. 1997а. N2. С.58-73.

187. Чеботарева И.Я:, Николаев А.В., Сато X. Исследование источников сейсмической эмиссии в земной коре (Япония, сев. Канто). //Доклады, РАН/ 19976. Т.357. N.4. С.542-546.

188. Чеботарева И '.Я., Николаев А.В., Сато X. Векторная эмиссионная томо-графия:исследование эмиссионной активности в районе вулканического фронта (Япония) //сб. Проблемы геотомографии. 1997в. М:Наука. С. 161-175. .

189. Чеботарева.И:Я., Николаев А.В: Исследование неоднородностей земной, коры кода- волнами землетрясений// Доклады РАН. 1998. Т.364. N.6. С. 816820.

190. Чеботарева И.Я., Рожков МШ., Тагизаде Т.Т., Ерохин Г.Н. Способ микросейсмического мониторинга пространственного распределения источни ков эмиссии и.рассеянного излучения и устройство для его осуществления. Патент Росс. Федерации, N2278401. 2006а. 32С.

191. Чеботарева И.Я:, Рожков М.В., Тагизаде Т.Т. Устройство сейсмоакусти-ческого обнаружения и классификации движущихся объектов. Патент Росс. Федерации на полезную модель. №59842. 20066.

192. Чеботарева ИЯ., Кушнир А.Ф:, Рожков- М.В. Устранение интенсивной помехи при пассивном, мониторинге месторождений углеводородов методом эмиссионной томографии. //Физика Земли. 2008. N12. С.65-82/

193. Чеботарева И.Я*. Новые алгоритмы эмиссионной томографии для пассивного сейсмического мониторинга разрабатываемых месторождений углеводородов. Часть I .-Алгоритмы обработки и численное моделирование// Физика Земли. 2010а. N3.

194. Чеботарева И .Я. Новые алгоритмы эмиссионной томографии для пассивного сейсмического мониторинга разрабатываемых месторождений углеводородов. Часть II: Результат обработки реальных данных // Физика Земли. 20106. N3.

195. Чеботарева И.Я, Володин И.А. Критерий степени упорядоченности, режимов автоколебаний для анализа динамики геофизической среды//Доклады РАН. 2010. T.432.N1. С.115-119.

196. Чеботарева И.Я: Алгоритм1 сейсмической эмиссионной томографии^ при ослаблении пространственной, корреляции* сигнала// Вестник МГОУ. Серия' «Естественные науки». 2011. N1.

197. Чеботарева И:Я* Володин И:А'. Метод локализации сейсмических, источников, сигналы которых отличаются по степени упорядоченности от фонового шума// Доклады PAHi 20И. Т.437. N.3.

198. Черепанцев A.C. «Связь параметров высокочастотного сейсмического излучения с динамикой геофизической среды» Автореферат диссертации к. ф-м н. М^МГУ. 1991 с.44.

199. Чернов JI.A. Волны в случайно-неоднородных средах. М:Наука. 1977. 171 с.

200. Шамина О.Г. Модельные исследования физики очага землетрясения. М. Наука. 1981. 191 С.

201. Шарифуллина Е. А. Анализ освоения лицензионных участков в пределах Среднеобской нефтегазоносной области в условиях современного механизма недропользования. Автореферат дисс. канд.геолого-минералогических наук. Тюмень: ТюмГНГУ. 2004. 20С.

202. Шубик Б.М., Киселевич Bi Л., Николаев A.B., Рыкунов Л.Н. Микросейсмическая активность в гидротермальной области//Физические основы сейсмического метода. М:Наука. 199Г. С.143-158.

203. Шубик Б.М., Ермаков А.Б. Автоматическое определение координат и моментов возникновения сейсмических событий, основанное на принципах эмиссионной томографии//Проблемы геотомографии/ Под ред. Николаева A.B. М: Наука. 1997. С. 189-202.

204. Яковицкая Г.Е. Электромагнитное излучение и автоколебательный процесс предразрушающего состояния горных пород//Вулканология и сейсмология. 2006. N6. С.44-51.

205. Яновская Т.Б. Томографические исследования земной коры при использовании поверхностных волн//Изв. вузов. 1988. N.12. С.69-87.

206. Яновская Т.Б. Исследование азимутальной анизотропии и латеральные неоднородности сейсмоопасных зон//Математическое моделирование сейсмотектонических процессов;в литосфере, ориентированное на проблему прогноза землетрясений. М. 1993. вып.1. С.97-105.

207. Aki K. Space and time spectra of stationary stochastic waves with spectral reference to microtremors//BuIl. Earthq. Res. Inst. 1957. 35. P.415-456.

208. Aki K. Scattering of P-waves under Montana LASA//J: Geophys. Res. 1973. Vol.78. P.1334-1346.

209. Aki K., Chouet L.B. Origin of coda waves: Source, attenuation, and'scattering effects//.!. Gtoph. Res. 1975. V.80. PP3322-3342.

210. Aki K., Christofferson A., Husebye E.S. Determination of Three-Dimentional seismic Structure of the Lithosphere//Journal of Geoph. Res. 1977. V.82. PP.277-296.

211. Arnason K., Flovenz O.G. Evaluation of physical methods in geothermal exploration of rifted volcanic crust// Geotherm. Resour. Counc., 1992'. Trans. 16. C.207-214.

212. Bai X., He B. Estimation of number of independent brain electric sources from the scalp EEGs/ЯЕЕЕ Trans. Biomed. Eng. 2006. Vol.53. N10. PP.1883-18921

213. Bak P., Tang G. Earthquakes as a self-organized' critical phenomenon//!. Geoph. Res. V.94.N 11. PP. 15635-15637.

214. Bienvenu G. Underwater passive detection and spatial coherence testing//J. Acoust. Soc. Amer. 1979. V.65. PP.425-437.

215. Bishop T.N., Bube K.P., Cutler R.T. ,Langan R.T. , Love P.L. ,Resnick J.R., Shuye R.T., Spindler D.A., Wyld Y.W. Tomographic Determination of Velocity and Depth in Laterally Varying Media//Geophysics. 1985. V.50. PP.903-923.

216. Bleistein N., Cohen J.K., Hagin F.G. Computational and asymptotic aspects of velocity invtrsion// Geophysics. 1985. V.50: PP 1253-1265.

217. Bungum H., Huseby E.S., Ringdal F. The NORSAR array and preliminary results, of data analysis//Geoph. J. R. astr. Soc. 1971. V.25. p.115-126.

218. Burg J.P. A new analysis technique for time series data. NATO' ASI Signal« Processing. Enschede, the Netherland. 1968

219. Carter Ji A., Barstow N., Pomeroy P.W., Chael'E.P:, Leany J. High-frequency seismic noise as a function^. depth//BSSA. 1991. V.81. N.4. PP.1101-H14.

220. Chouet B:, Saccorotti G., Dawson Pf, MartiniiM!, De Luca,G:,.Milana G., Cat-taneo M. Broadband measurements of the sources of explosions at Stromboli volcano, Italy// Geoph. Res. Lett: 1999: V.26. N13. PP.1937-1940.

221. Classen J.P: The estimation of seismic spatial coherence and its application to a regional event. Sandia National Laboratory. Report SAND85-2093.1985. 103 P.

222. Cosentino M. , Lombardo J:, Patane G. , Schick R., Sharp, A. D. L. Seismol-ogical research on. Mt.Etna: State of art'andr recent trends//Mem. Soc. GeoL Inst. 1982.'V.23. PP. 159-202.

223. Cox H. Line array, performance when* signal coherence is spatially dependent, Lasa//BSSA. 1973. V.56.P.1743-1746.

224. Crosson R.S. Crustal structure modeling of earthquake data. 1. Simultaneous least square estimation of hypocenter and velocity parameters// J. Geophys. Res. 1976. V.81. P.3036-3046.

225. Darbyshire J., Okeke O. A study of Primary and Secondary microseisms recorded in Anglesey//Geoph. J. Royal Astr. Soc. 1969. V.17. N1. P.63-91.

226. Duncan P.M., Lakings J.D:, Flores R.A. Method for passive seismic emission tomography. 2008. US Patent 20080068928. 03/20/2008

227. Dziewonsci A.M. Mapping the lower mantel: Determination of lateral heterogeneity in P velocity up to degree and order 6// J: Geophys. Res. 1984. V.89. P.5929-5952.

228. Eaton , J.P. , Evidence of the source of magma in Hawaii from earthquakes, volcanic tremor and« ground deformation//Trans. Amer. Geophys. Union, 1967.48:254.

229. Eva C., Graziano F., Merlanti F. Spectra propagation and polarization of industrial noise//Acta. Univ. Oulue. A. 1976. N43. C.53-68.

230. Feng Q., Lees J. M. Microseismicity, stress, and fracture in the Coso geother-malfield, California. Tectonophysics. 1998. V.289. P.221-238.

231. Finch R. H. Volcanic tremor//Bull. Seismol. Soc. Amer. 1949. V.39: PP.73-79.

232. Furumoto M., Kunitomo T.,Inoue H., Yamaoka K. Seismic Image of the volcanic tremor source at the Izu-Jshima volcano, Japan//Volcanic Seiemology Edited by Gasparini P., Scarpa R., Aki. K. Springer-Verlag, New-York. 1992. PP.' 201-211.

233. Geographical Survey Institute. 1987. In: Horizontal Strain in Japan 1985-1983. Geographical Survey Institute. Tsukuba. Japan. PP. 1-133.

234. Gibbons J., Ringdal F., Kverna T. Detection and characterization of seismic phases using continuous spectral estimation on incoherent and partially coherent ar-rays//Geoph. J. Int. 2008. V.172. Iss.l. PP.405-421.

235. Galperin E.I., Nersesov I.L., Galperina R.M. Borehole Seismology ans the study of the seismic regime of large industrial centers. Reidel. Dordrecht. 1986. 315P.

236. Gupta I. Standing wave phenomena, in short period seismic noise//Geophysics. 1965: V.30. N6. PP.1153-1162.

237. Hasegawa A., Zhao D;, HoriS., Yamamoto A., Horiuchi S. Deep structure1 of" the northeastern Japan arc and-its relationship-tos seismic and.volcanic activity// Nu-ture: 1991. V.352. N6337. P!683-689:

238. Hasegawa A., Yamamoto A., Zhao D:, Hori S., Horiuchi S. Deep structure of arc volcanoes- as inferred from seismic jbservation//Phil. Trans. R. Soc. London. 1993. V.342. PP1167-178.

239. Hasegawa A.,Yamamoto A. Deep low-frequency microeaethquakes in and around seismic low-velocity zones beneath active volcanoes in northeastern Japan// Tectonophysics. 1994 V.233. P.233-252.

240. Hjotenberg E., Risbo T. Monochromatic components of the seismic noise, in the NORSAR area//Geoph. J: R. Astr. Soc. 1975. V.42. P:547-554.

241. Ininial reports of the Deep Sea Drilling Project, JOIDES. V.LXXXVIII! NXCI. 1982-1983. PP.89-92, PP.357-371.

242. Iudin D. I. Model of the seismic noise generation- mechanism. Seission p2,2/SE42. Scaling, fractal, and Nonlinearity in- solid Earth//Geophysics. Gaague. 1996

243. Iudin D.L.,.Kasyanov D.A. Percolation model of seismic activity//In: Atmospheric and Ionospheric electromagnetic phenomena-associated with1 Earthquakes. Edited by Mi Hayakawa. 1999. P.911-916.

244. Kosarev G. L., Petersen N. V., Vinnik L. P. and S. W. Roecker, Receiver functions for the Tien Shan analog broadband network: contrasts in the evolution of structures across the Talasso-Fergana fault//J. Geophys. Res., 98,4437-4448, 1993.

245. Krim H., Viberg V. Two Decades of Array Signal Processing Research//IEEE Signal Proc. Mag. 1996. V.13. N4. PP:67-94.

246. Kubotera A. Volcanic tremors at Aso volcano// Phys. Volcanology. 1974. Elsevier Sci. Publ. company. PP.29-48.

247. Kushnir A.F., Lapshin V.M., Pinskiy V.I., Fetn J. Statistically optimal event detection using small array data. 1990//BSSA. V.80. N.6. Part B. P.1934-1950.

248. Lagunas M.A., Gasull A. An improved maximum-likelihood'methodfor power, spectral density estimation//IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal'Processing. 1984. V.ASSP-30. PP. 170-173.

249. Malioutov D.M. A sparse signal reconstruction*perspective for source localization with sensor array. Master thesis. Massachusetts Institute of Technology. 2003. 172P.

250. Mallat'S. A wavelet tour of signal processing. 1999. New York. Academy press. 635p.

251. Matsumoto S., Hasegawa A. Distinct S wave reflector in midcrust beneath Nikko-Shirane1 Volcano in the northeastern Jahan arc//J. Geoph.Res. V.101. NB2. 1996. P.3067-3083.

252. Matsumoto S. Study of the inhomogeneous crustal', structure around the Nikko area. 1996. PhD Thesis. Science. Tohoku.Univ. Sendai. Japan. 103 P:

253. Menke W. Geophisical Data Analysis: Discrete Inverse Theory. Academic Press. Orlando. Florida: 1984

254. Muirhead K.J.', Ram Datt. The N-th root process applied, to- seismic array data//Geophys.J.R. astr. Soc. 1976 . V.47. PP. 197-210:

255. Mykkeltveit S., Astebol K., Doornbos D.J., Husebye E.S. Seismic array configuration optimization//BSSA. 1983. V.73. P.183-186.

256. Nanney C.A., Possible correlations between earthquakes and micro-seisms//Nature, 1958, v.181, p.802-803.

257. Nikolaev A.V., Troitskiy P.A. Lithospheric studies based on array analysis of P-coda and microseisms//Tectonoph.l987.V.140.P.103-113.

258. Obara K. Nonvolcanic Deep Tremor Associated with Subduction in Southwest Japan.//Science. 2002. V.296. N5573 PP.1679 1681

259. Omer G. C. Volcanic tremor//Bull. Seismol. Soc. Amer. 1950. V.40: PP. 175194.

260. Omori, F. The Usu-San eruption and earthquake elevation phenomena//Bull. Imp. Earth. Investigation Committee. Tokyo. 1911. N 5: PP.1-38.

261. Omori F. On the aftershocks of earthquakes//J. Coll. Sci. Tokyo Imp. Univ. 1995. N7. P.l l 1-200:

262. Phillips W.S., Fairbanks T.D., Rutledge J.T., Anderson* D.W. Induced mi-croearthquake patterns and oil-producing fracture systems in the Austin chalk. Tec-tonophysics. 1998. V.289: P.153-169!

263. Pilipenko, V.,, Engebretson M. J., YumotoK., Energy budget.of AlfVen wave interactions with the auroral acceleration region//J. Geophys. Res. V.l09. A10204. 2004. P.13.

264. Pisarenko V.A. The retrieval of harmonics from a covariance func-tion//Geophys. J. R. Astronom. Soc. 1973. V.33. PP.347-366.

265. Ringdal F., Husebye E.S., Dahle A. Event detection problems using a partially coherent seismic array. 1972. NORSAR Technical Report 45. Royal Norvegian Council for Scientific and Industrial Research, Kjeller, Norway.

266. Ringdal F., Bungum H. Noise level variation at NORSAR and its effect on de-tectability//BSSA. 1977. V.67.N2. P.668-674.

267. Rissanen J. A universal prior for integers and estimation by minimum description length//The Annals of Statistics. 1983. Vol.11. N2. PP. 416-431.

268. Sakai S. Crustal structure beneath the high dense array//Programme and abstracts the seismological society of Japan. 1994. N2. D05. P.291'.

269. Sakuma, S. Volcanic tremor, of Me"anan-dake//J: Faculty Sei. , Hokkaido Univ. 1957. Ser. VII. N1. P.37-53.

270. Sassa, K. Volcanic micro-tremors and eruption-earthquakes//Mem. Coll. Sei. 316., Kyoto Univ. 1935. N18. PP.255-294".

271. Sato H., Fehler M.C. Seismic wave propagation and scattering in heterogeneous earth. New York: Springer-Verlag. 1998. 310P.

272. Savino J.N., McCamy K., Hade G. Structure in the Earth noise beyond 20 second-window for earthquakes//BSSA. 1972. V.62. N1.

273. Sax R.L., Hartenberger R.A. Seismic noise attenuation in unconsolidated mate-rial//Geoph. 1965. V.30. N.4.

274. Sax R.L. Stationarity of seismic noise//Geophysics. 1968. V.3. N4. P.668-678.

275. Sax R.L., Hartenberger R.A. Seismic noise attenuation in unconsolidated mate-rial//Geophysics. 1965. V.10.'N.4.

276. Scheffe H. The analysis-of variance. 1959. New York. John Willey and Sons. 256P.

277. Schmidt R. Multiple emitted location and signal parameter estimation//In Proc. RADS Spectral Estimation Workshop (Rome, NY). 1979: PP.243-258. Also IEEE Trans. Antennas,Propagat. 1986. V.AP-34. PP.276-280:,

278. Schneilder W.A., Backus M.M. Ocean-bottom seismic measurements of California coast//J. Geoph. Res. 1964. V.69. N6. PP.1135-1143.

279. Scholl J.F., Agre J.R., Clare L.P., Gill M.C. A low power impulse signal classifier using the Haar wavelet trasform. Proceedings of the SPIE International Symposium on Enabling Technologies for Law Enforcement and Security. Information&

280. Training Technologies for Law Enforcement Conference. Boston MA, 3-5 November 1998. Sensors. C3I.

281. Seidl, D-, Schick, R., Riuscetti, M. Volcanic tremors at Etna: a Model for Hydraulic Origin//Bull. Volcanol. 1981. N44. PP.43-56.

282. Spenser C., Gubbins D. Trevel-time inversion for; simultaneous earthquake location and velocity structure determination»in laterally* varying media//Geophys. !. R. astr. Soc. 1980. V.63. PP.95-116.

283. Taner T., Koehler F. Velocity spectra digital computer derivation and application of velocity function//Geoph. 1969.V.34. P.859-881.

284. TatsumiiY. Migration of fluids phases and genesis of basaltmagmas in subduction zones//!. Geophys.Res., 1989: V.941 P:4697-4707.

285. Tchebotareva I.I., Nikolaev A.V., Sato H. Seismic Emission Activity of Earth's Crust in Northern Kanto, Japan//PEPI. 2000. V.120. N3. P.167-182.

286. Thompson A.H., Katz A.J., Khorn C.E. The microgeometry and transport properties of sedimentary rock // Adv.Phys. 1987. V.36 N 5. P.625-694.

287. Tsumura N. 3-D attenuation structure beneath the NE Japan arc based on the simultaneous determination of source parameters and Q values. 1994. PhD Thesis. Science. Tohoku Univ. Sendai. Japan. 340 P.

288. Turcotte D. Fractalse and.chaose in geology and geophysics. Cambridge: 1992.

289. Um J., Thurber C. A^fast algorithm for two-point»seismic ray tracing // BSSA. 1987. V.77. N3. PP: 972-986.

290. Van Den Bos A. Alternative interpretation* of maximum entropy spectral analysis/ЯЕЕЕ Trans. Inform. Theory. 1971. V.IT-17. PP1493-494.

291. Wasserman, P.D. Advanced Methods in NeuralNetworks. 1993. Van Nostrand Reinhold. New York. PP.3 5-55.

292. Wavelet-based hybrid neurosystem for classifying a signal or an image represented by the signal in data systemr US patent JVT° 6105015. 2000.

293. Wax M.,Kailath T. Detection of signals by information theoretic criteria/ЛЕЕЕ Trans. Acoust., Speech, Signal Processing.1985. Vol.33. N2. PP. 387-392.

294. Viberg M., Ottersten B., Kailath T. Detection and estimation in Sensor Array Using Weighted Subspace Fitting/ЯЕЕЕ Trans. SP. 1991'. V. SP-39. N11.2436-2449.

295. Wong K. M., Zhang Q., Reilly J. P:, YipP.C. On information theoretic criteria for determining the number of signals in high resolution array processing// IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing. 1990. Vol.38. N11. PP. 1959-197Г.

296. Yoshimoto K., Sato H., Kinoshita S., Ohtake M. High-frequency site-effect of hard rocks at Ashio, central Japan// J:Phys. Earth. 1993,v.41,327-335.

297. Zhao D. A tomographic study of seismic velocity structure in the Japan Island. Ph.D. thesis. 1991. Tohoku Univ. Sendai. Japan. 301 P.

Информация о работе

Чеботарева, Ирина Яковлевна
доктора физико-математических наук
Москва, 2011
ВАК 25.00.10

Диссертация

Структура и динамика геосреды в шумовых сейсмических полях, методы и экспериментальные результаты - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы