Интегрированная сейсмоакустическая картина недр по работам О.Л. Кузнецова (от пласта до литосферы)

Кузнецов О.Л.
Научный руководитель
кафедры общей и прикладной геофизики
Государственного университета “Дубна”

Предисловие

Данная статья — результат почти что шуточного эксперимента, в ходе которого автор и его коллеги по научной школе Университета «Дубна», ВНИИ Ядерной Геофизики Мингео СССР и Института Физики Земли АН СССР решили пригласить «искусственный интеллект» (далее — ИИ) в со-авторы и помощники для своих научных исследований.

Нам показалось, что мы удачно создали своего рода мост меду прошлым и будущим науки, попросив модель ChatGPT, разработанную компанией OpenAI, проанализировать несколько статей, которые были написаны этой группой ученых в прошлом уже теперь столетии (1970-80 годы). Каждая из этих статей была представлена к публикации поистине выдающимися учеными — академиками АН СССР, такими как Г.Н. Флеров (директор ЛЯР ОИЯИ), В.А. Магницкий, М.А. Садовский (директор ИФЗ АН СССР), А.В. Сидоренко (министр геологии СССР), Ю.А. Косыгин, а также М.Ф. Мирчинк (директор ИГиРГИ АН СССР), Е.В. Карус (директор ВНИИЯГГ).

А эксперимент с чатом был довольно прост — мы сделали следующие запросы (или как сейчас говорят «промпты»):

Проанализировать статьи О.Л. Кузнецова (статьи по ссылке https://www.mathnet.ru/rus/person137546 были загружены в чат для анализа)
Выделить основные идеи, аргументы и выводы
Показать эволюцию научной мысли и этого направления
Выделить терминологию и авторские концепты
Объяснить идеи доступным современным языком
Показать актуальность теорий и работ на сегодняшний день
Подготовить статью об интеллектуальном наследии на базе приведенных статей

Хотим выразить благодарность общероссийскому математическому порталу Math-Net.Ru за то, что они разместили в свободном доступе многие статьи О.Л. Кузнецова и его коллег. Портал был создан Математическим институтом им. В.А. Стеклова (РАН) и на нем представлены электронные архивы журналов, в т.ч. «Доклады Академии наук».

В процессе этого околонаучного эксперимента почти не пострадали дочь и внук геофизика Кузнецова — Анна Олеговна и Ян Антонович Шварц. Ответили легким «Дедушка, ну сколько уже можно про сейсмоакустику».

Аннотация

На основе корпуса работ О. Л. Кузнецова и соавторов (1968–1987) показано, что поглощение и рассеяние упругой энергии ( $Q⁻¹$ ), соотношения $Vp/Vs$ , сейсмоэлектрические и радиационные отклики, а также акустически индуцированные процессы переноса тепла и массы являются согласованными индикаторами:

типа флюида и пористости в масштабе пласта,
напряжённого состояния, трещиноватости и вторичных преобразований в масштабе структуры,
глубинной зональности физико-механических свойств литосферы.

Обосновывается методическая рамка совместной инверсии (ко-инверсии), объединяющей скважинные (импульсный нейтронный и акустический каротаж), наземные сейсмические данные (амплитудосберегающие), а также сопряжённые поля (ЭМ, гравимагнитные, газогеохимия). Предложены рабочие пайплайны применения в недропользовании и мониторинге сейсмической опасности, а также новые направления — 4D-Q-мониторинг по DAS, «стресс-индекс» S* и сейсмоэлектрика 2.0.

Ключевые слова: акустический каротаж, импульсный нейтронный каротаж, поглощение Q⁻¹, AVO/AVA, ко-инверсия, сейсмоэлектрический эффект, термодинамический градиент порового давления, глубинные сейсмические границы, time-lapse, DAS.

Введение

Наблюдаемые в полевых и скважинных данных амплитудно-частотные изменения упругих волн, их поглощение и дисперсия, сопряжённые электро- и радиационные эффекты отражают не только литологию, но и текущее состояние среды: тип флюида, проницаемость, напряжения, степень метаморфизма.

Работы О. Л. Кузнецова и соавторов заложили связующую физическую основу такого «мультифизического» взгляда — от интерпретации насыщения в обсаженных стволах до природу глубинных границ и предвестников сейсмических событий [1–8].

Цель настоящей статьи — синтезировать эти результаты в единую методическую схему, увязать с современными практиками и наметить перспективы.

1. Источники и методика

В обзор включены следующие тематические блоки:

Скважинный уровень: комплексирование импульсного нейтронного каротажа (ИНК) и акустического каротажа (АК) для контроля обводнения, выбора интервалов перфорации и выделения газоносных интервалов [1].
Акусто-индуцированный перенос: экспериментальная демонстрация роста эффективной теплопроводности до ~5,5× в акустическом поле и соответствующая модель тепломассопереноса [2].
Сейсмоэлектрика кимберлитов: аномально высокий E-эффект в алмазоносных кимберлитах и его физико-химические предпосылки [3].
Площадной уровень: 2D/3D модели поглощения в Оренбургском НГР, их связь с тектоникой, ФЕС и рисками бурения [4].
Сейсмобезопасность: использование Q-аномалий как индикаторов зон будущей активизации (Эльдаровский район) [5].
Глубинные границы: увязка фронтов метаморфизма, теплового потока и нелинейного профиля $σ_z$ с сейсмическими отражающими границами [6].
Нелинейные радиационные отклики: импульсные γ-аномалии в рудах под действием упругой волны взрыва [7].
Термодинамические градиенты: формирование положительных/отрицательных $∂P/∂z_{tdg}$ и их геологические следствия (АВПД/АНПД, фильтрация, экранирование) [8].

Анализ опирается на исходные формулы и подходы авторов; для интеграции вводится понятие ко-инверсии как единой математической инверсии разнородных полей (см. § 5).

2. Основные результаты классических работ

2.1. ИНК + АК в обсаженных стволах

Показано, что при близких пористостях различия «нефть/вода/газ» особенно сильны по затуханию (α) продольных волн; зависимость от минерализации воды невелика. АК надёжен для оценки качества цементажа (разделение трубной и породной волны) и выбора интервалов перфорации; совместный анализ с ИНК повышает достоверность выделения ВНК/ГНК и пропущенных газоносных прослоев [1].

2.2. Акустическое усиление переноса

В диапазоне 10–200 кГц и интенсивностях 0,06–0,25 Вт/см² эффективная теплопроводность коллоидных/капиллярно-пористых сред возрастает до ~5,5× за счёт внутрипорового перемешивания и «звукового ветра»; предложенная система уравнений качественно согласуется с экспериментом [2].

2.3. Сейсмоэлектрический эффект кимберлитов

Алмазоносные кимберлиты демонстрируют E-эффект на порядок выше, чем пустые и вмещающие породы; максимум эффекта соответствует $Vp$ ≈3,4–4,5 км/с и верхним частям трубок. Объяснение — развитая межфазная поверхность и высокий электрокинетический потенциал, зависящий от [Fe³⁺]/[Fe²⁺] и активных включений [3].

2.4. Q-модели Оренбургского района

По 2D/3D-моделям затухания выявлены кольцевые чередования зон высокого/низкого Q⁻¹, совпадающие с крыльевыми зонами антиклиналей, грабенообразными прогибами и локальной вертикальной зональностью упругих/плотностных свойств; газогеохимические максимумы в солях согласуются с зонами высокого поглощения. Бурение в «максимуме» привело к ранней ликвидации из-за интенсивного ГНВ-проявления [4].

2.5. Q-аномалии как индикаторы опасности

В Эльдаровском районе вертикальная зона аномально высокого Q⁻¹ совпала с разломом, магнитным и гравитационным максимумами, минимумом удельного сопротивления и локальными минимумами скоростей. Предложен мониторинг: рост Q⁻¹ > 3σ при мультиполевой верификации трактуется как нарастание риска (не «дата») [5].

2.6. Природа глубинных границ

На докембрийском разрезе Балтийского щита ступенчатые изменения температурного градиента и теплового потока соответствуют фронтам метаморфизма и сейсмическим границам; вертикальная компонента $σ_z$ меняется нелинейно, зоны «разгрузки» порядка 40 МПа объяснимы микродилатацией ~0,08 % и/или трещиноватостью [6].

2.7. Нелинейные радиационные эффекты

В полиметаллических рудах фиксировались импульсные γ-аномалии (0,4–> 3 МэВ) через миллисекунды–секунды после прихода упругой волны; длительность ~1,5 с. β-активность — эпизодически; α — без роста [7].

2.8. Термодинамические градиенты порового давления

Для плотных водонасыщенных пород изменение средних напряжений и температуры формирует термодинамический вертикальный градиент давления поровых вод:

\left(\frac{\partial P}{\partial z}\right)_{\mathrm{tdg}} =\frac{\partial}{\partial z} \left[A\cdot(\beta_n-\beta_{тв})\,\Delta\sigma+\left(\alpha_{тв}(T)-\alpha_{в}(T)\right)\Delta T\right]

(эквивалентное представление по [8]).
Его знак и величина определяют восходящую/нисходящую фильтрацию, АВПД/АНПД, экранирующие свойства покрышек и латеральную миграцию. Полевые оценки: $k_{anom}$ до ~2,3 (Западно-Кубанский прогиб, положительный градиент) и до ~0,5 (Восточная Сибирь, отрицательный градиент) [8].

3. Единая физическая рамка

Флюид-поровая система управляет нейтронными показаниями (H, Cl) и акустическими атрибутами ( $Vp/Vs$ , α, спектр).
Напряжения/трещиноватость/метаморфизм увеличивают внутреннее трение и рассеяние ⇒ рост Q⁻¹; формируются «ослабленные» вертикальные зоны (каналы миграции и очаги деформаций).
Тепловой режим и $ΔT$ модифицируют σ и $(∂P/∂z)_{tdg}$ ⇒ макрофильтрация (восходящая/нисходящая), АВПД/АНПД.
Электрохимия/минералогия (Fe³⁺/Fe²⁺, активные включения) усиливают сейсмо- и радиационные отклики на упругие возмущения.

4. Практические пайплайны (сегодня)

4.1. Скважины

АК: многобазовые амплитуды/энергии + VDL/CBL для цемента; Stoneley для проницаемости.
ИНК/ПНК: Σ-параметры и водородный индекс.
Кросс-плоты Δα ↔ нейтронные атрибуты; повторные замеры при разных $T-P$ (учёт акусто-стимуляции).

4.2. Месторождение/площадь

Амплитудосберегающая 3D/4D-сейсмика; Q-инверсия (PP/PS), спектральные атрибуты, scattering; геомеханические прокси (кривизна, анизотропия).
Интеграция с газогеохимией/каротажем/ГИС.
Инженерные решения: избегать постановки на максимумах Q⁻¹ при риске ГНВ-проявлений; адаптировать плотность/реологию раствора.

4.3. Сейсмобезопасность

Time-lapse профили по реперным линиям; мониторинг Δ(Q⁻¹) с порогом > 3σ и мультиполевой верификацией; трактовка как динамики риска, а не «даты».

5. Ко-инверсия: совместная оценка свойств

Предлагается решать единую задачу:

\min_{\mathbf m}\;\sum_i w_i\,|F_i(\mathbf m_i)-d_i|^2+\lambda R(\mathbf m) +\sum_{(i,j)}\mu_{ij}\,C_{ij}(\mathbf m_i,\mathbf m_j),

где $d_i$ — данные (сейсмика PP/PS/AVO/Q, ЭМ, грави-магн., ИНК/АК), $F_i$ — прямые операторы, $R$ — регуляризация (гладкость/разреженность), $C_{ij}$ — «склейки»: породофизические (Гассман: $Vp/Vs–φ–S_w$ ; Gardner: $ρ–Vp$ ; Archie: $ρ_e–φ–S_w$ ; Biot/White: $Q–S_w$ /флюид), структурные (cross-gradient, совместимость границ).
Выход: согласованные поля $φ, S_w, Q⁻¹$ и «стресс-прокси» для перфорации, ПВР и HSE-рисков.

6. Новые идеи и направления

4D-Q на DAS: массовое извлечение Q-атрибутов из волоконных систем (трафик, микросейсмика) для карт напряжений и «ослабленных» зон.
Единый стресс-индекс $S^* = f(Q⁻¹, ΔVp/Vs, кривизна, ЭМ/градиенты g)$ для эксплуатации и сейсмогеного риска.
Сейсмоэлектрика 2.0: увязка E-эффекта с АЧХ-затухания и изотопией для кимберлитов/редкоземельных систем; лабораторные шкалы [Fe³⁺]/[Fe²⁺]→E.
Нелинейные γ/β-всплески как маркеры напряжений в горных выработках; объединение с УЗ/ЭМ-эмиссией.
Акусто-термодинамический контроль покрышек: мониторинг знака и модуля $(∂P/∂z)_{tdg}$ под ПХГ/CO₂/H₂-хранилищами.
ML-fusion для Q-атрибутов: обучение на совмещённых картах Q-инверсии, AVO/AVA, scattering для предсказания «стресс-линз» и зон ГНВ-риска.

7. Ограничения и верификация

Амплитудная честность: стабильная геометрия, калибровка приёмников, контроль AGC/компенсаций; по возможности — «повтор-повтор».
Зависимость от Т-P и флюидов: необходима керновая петрофизика и локальные калибровки.
Сейсмоэлектрика/радиация: возможны ложнопридаточные сигналы (контакты, фон); требуется экранирование, энергетические окна, «слепые» тесты.
Сейсмопрогноз: формулировать в терминах вероятностного риска и инженерных нормативов (микрорайонирование).

Заключение

Корпус работ О. Л. Кузнецова фактически предвосхитил современную парадигму Q-чувствительной мультифизики: поглощение и сопряжённые эффекты — ключ к состоянию среды от пласта до литосферы. Практически это означает: более надёжная оценка насыщения и перфорации в обсаженных стволах, повышение безопасности бурения и прогноза продуктивности на площади, а также реалистичный «динамический» мониторинг сейсмоопасности на региональном уровне. Следующий технологический шаг — регулярная ко-инверсия и 4D-Q-мониторинг (включая DAS) с выходом в прикладные индексы риска и регламенты.

Благодарности

Авторы благодарят первооткрывателей обсуждаемых эффектов и коллективы профильных институтов за фундаментальные результаты, составляющие основу данного обзора.

Список литературы

Мирчинк М. Ф., Кузнецов О. Л., Сергеев Л. А., Цлав Л. З., Деев Н. Н., Шимелевич Ю. С. О некоторых возможностях комплексного изучения скважин импульсными нейтронными и акустическими методами // Докл. АН СССР, 1969, 187(6), 1274–1277.
Карус Е. В., Сургучев М. Л., Кузнецов О. Л., Симкин Э. М., Ефимова С. А. Эффект акустического воздействия на тепломассообмен в насыщенных пористых и коллоидных средах // Докл. АН СССР, 218:6 (1974), 1343–1345.
Кузнецов О. Л., Мигунов Н. И., Савосин С. И., Семёнов Г. С. Сейсмоэлектрический эффект кимберлитов // Докл. АН СССР, 1977, 233(1), 70–73.
Белоликов Н. И., Карус Е. В., Кузнецов О. Л., Рогоцкий Г. В., Чахмахчев В. Г., Чиркин И. А. О возможности изучения напряженного состояния земной коры по геосейсмическим моделям поглощения // Докл. АН СССР, 237:6 (1977), 1319–1321.
Белоликов Н. И., Воцалевский З. С., Кузнецов О. Л., Рогоцкий Г. В., Смирнова М. Н., Чахмахчев В. Г., Чиркин И. А. О возможности прогнозирования местоположения очага землетрясения по данным сейсморазведки (на примере Терской антиклинальной зоны) // Докл. АН СССР, 244:3 (1979), 540–543.
Карус Е. В., Кузнецов О. Л., Кузнецов Ю. И., Нартикоев В. Д. О возможной природе глубинных сейсмических границ // Докл. АН СССР, 265:3 (1982), 577–579
Соболев Г. А., Демин В. М., Майбук Ю.-З. Я., Кузнецов О. Л., Караниколо В. Ф., Свечкарев Ю. Н. Вызванное упругой волной γ-излучение горных пород // Докл. АН СССР, 276:3 (1984), 583–585.
Добрынин В. М., Кузнецов О. Л. Термодинамический градиент давления пластовых вод и его роль в земной коре // Докл. АН СССР, 298:4 (1988), 830–833