Численные методы решения многопараметрических обратных задач теории распространения волн

В 2022 году основные усилия в работе по проекту уделялись следующим трём основным направлениям: 1. Решение многопараметрической обратной задачи сейсмики для вязкоупругих сред применительно к мониторингу состояния придонных залежей газогидратов. Одним из возможных механизмов, вызывающих значительные выбросы метана в атмосферу в пределах арктического шельфа, может быть разложение газогидратов. Их скопления в пределах арктического шельфа формировались практически одновременно с формированием вечной мерзлоты, что способствовало возникновению зоны стабильного существования газогидратов. Последующее затопление шельфа привело к деградации мерзлоты и нарушению условий существования гидратов. Для оценки текущего состояния зоны стабильности используются методы численного моделирования. Для локализации скопления газовых гидратов широко применяются стандартные сейсмические методы, однако мониторинг их физического состояния требует развития принципиально новых подходов на основе решения многопараметрических обратных задач сейсмики. В частности, степень затухания сейсмической энергии является одним из объективных параметров для оценки консолидации газовых гидратов: чем ближе они к началу разложения, тем выше затухание, а значит, тем ниже добротность. Таким образом, методы сейсмического мониторинга состояния газогидратов в целях прогнозирования возможности развития опасных сценариев, должны основываться на решении многопараметрической обратной задачи сейсмики. 2. Реконструкция строения верхней части разреза путём полного обращения волновых полей для больших удалений. Сейсморазведочные работы на обширной территории Восточной Сибири выполняются в сейсмогеологических условиях различной сложности. Получение качественного динамического сейсмического изображения для района работ является первоочередной задачей в условиях контрастных неоднородностей верхней части разреза (ВЧР). Один из способов решения этой задачи, получивший широкое распространение в промышленности, заключается в построении так называемой эффективной глубинно-скоростной модели, обеспечивающей компенсацию скоростных аномалий и расчета статических поправок. Однако для наиболее сложного приповерхностного строения среды, например, широко распространенных в Восточной Сибири, трапповых интрузий и туфогенных образований в верхней части разреза, точность и информативность скоростных моделей ВЧР, полученных на основании такого подхода, включая томографическое уточнение, оказывается недостаточным. Таким образом, требуется другой подход, гарантирующий более точное и полное определение глубинно-скоростной модели ВЧР. Мы предлагаем использовать для этого метод обращения полного волнового поля, адаптированный к условиям верхней части среды, которая имеет чрезвычайно важное значение и представляет наибольшую трудность при решении обратной задачи. Действительно, взаимодействие сейсмического волнового поля с неоднородностями верхней части обусловливает его изменчивость, которую необходимо учитывать при реконструкции строения целевых геологических объектов, находящихся существенно глубже. Мы излагаем основные аспекты этого метода и приводим результаты численных экспериментов для реалистичных моделей, характерных для районов Восточной Сибири. 3. Предсказательное моделирование растепления вечной мерзлоты. Сценарии изменения климата предсказывают заметное потепление на большей части Арктики. Большая часть существующей инфраструктуры, возводимой в северных широтах, в настоящее время расположена в зонах вечной мерзлоты. Как глобальное, так и сезонное оттаивание слоев вечной мерзлоты оказывает существенное воздействие на инженерные сооружения, так как таяние вечной мерзлоты, может привести к проседанию поверхности и деформированию верхней части разреза в неравномерный «термокарстовый» рельеф. Содержащаяся в почве влага при низких температурах прочно «цементирует» грунты и значительно повышает их прочность и способность выдерживать нагрузки тяжелых конструкций. Однако даже при нулевой, а тем более положительной температуре, мерзлые грунты оттаивают и теряют свои прочностные свойства. На склонах процесс создает механические разрывы в субстрате и приводит к потенциально разрушительным оползням. Кроме того, наличие вечной мерзлоты существенно затрудняет сбор сейсмических данных и их последующую обработку. В частности, повсеместное распространение геотермальных неоднородностей в пределах вечной мерзлоты порождает существенные вариации скоростей распространения волн, которые необходимо учитывать при дальнейшей обработке сейсмических данных. Наличие льда в отложениях напрямую влияет на их сейсмические свойства и вызывает сильное увеличение сейсмических скоростей, поскольку чистый лед имеет высокую скорость продольных волн 3800 м/с. Для сравнения, скорости в не мёрзлых грунтах обычно меньше 2400 м/с.