Пассивная сейсморазведка

Пассивная сейсморазведка — это совокупность методов геофизических исследований, основанных на регистрации и анализе естественных или техногенных сейсмических колебаний земной коры, источник которых не является контролируемым (в отличие от активной сейсморазведки, использующей искусственные взрывы или вибраторы). Метод позволяет изучать глубинное строение Земли, выявлять геологические структуры, оценивать сейсмическую опасность и искать месторождения полезных ископаемых без активного воздействия на среду.

История развития

Первые наблюдения за естественными землетрясениями для изучения внутреннего строения Земли относятся к концу XIX — началу XX века. В 1909 году хорватский геофизик Андрия Мохоровичич, анализируя записи сейсмограмм, открыл границу раздела между земной корой и мантией (граница Мохоровичича). В 1914 году немецкий геофизик Бено Гутенберг определил границу между мантией и ядром.

В середине XX века, с развитием сейсмометрии и вычислительной техники, пассивная сейсморазведка стала применяться не только для изучения глобальных структур, но и для локальных задач, таких как поиск нефти и газа. В 1970-х годах метод сейсмической томографии, основанный на анализе времен пробега сейсмических волн от землетрясений, позволил получать трёхмерные изображения мантии.

В 1990-х годах были разработаны методы пассивной сейсморазведки на основе микросейсм — слабых колебаний, вызванных деятельностью человека (транспорт, промышленность) или природными процессами (ветер, волны). Метод шумовой сейсмической интерферометрии, предложенный в 2000-х годах, позволил извлекать информацию о строении среды из корреляции случайных шумов.

Физические основы

Методы пассивной сейсморазведки базируются на регистрации упругих волн, распространяющихся в земной коре. Источники волн делятся на три категории:

• Естественные тектонические: землетрясения, форшоки, афтершоки.
• Природные не тектонические: микросейсмы, вызванные океаническими волнами, ветром, атмосферными фронтами.
• Техногенные: вибрации от промышленного оборудования, транспорта, строительных работ.

Записанные сейсмические сигналы обрабатываются с помощью методов корреляционного анализа, спектрального анализа и томографической инверсии. Время прихода волн, их амплитуда и частотный состав несут информацию о скоростях распространения волн, плотности и упругих свойствах горных пород на пути от источника к приёмнику.

Классификация методов

По типу источников

1. Сейсмотектонические методы. Используют записи естественных землетрясений. Позволяют изучать структуру земной коры и верхней мантии на глубинах от десятков до сотен километров. Применяются для глобальной и региональной сейсмотомографии.

1. Микросейсмические методы. Основаны на регистрации слабых колебаний (микросейсм) с амплитудами от микрометров до миллиметров и частотами от 0,01 до 10 Гц. Позволяют изучать приповерхностные структуры на глубинах до нескольких километров.

1. Методы с использованием техногенных источников. Регистрируют вибрации от работающих заводов, карьеров, транспортных магистралей. Применяются для мониторинга состояния инженерных сооружений и изучения верхней части разреза.

По способу обработки данных

1. Метод сейсмической томографии. Строит трёхмерные модели скоростей распространения волн на основе инверсии времён пробега от множества источников к приёмникам.

1. Метод сейсмической интерферометрии. Использует корреляцию записей шума между парами станций для восстановления функции Грина среды. Позволяет получать изображения, аналогичные активной сейсморазведке, без использования искусственных источников.

1. Метод спектрального отношения (H/V). Анализирует отношение амплитуд горизонтальных и вертикальных компонент микросейсм. Используется для оценки резонансных частот грунтов и определения мощности рыхлых отложений.

1. Метод пассивной сейсмической эмиссии. Регистрирует слабые сейсмические сигналы, возникающие в процессе деформации горных пород (например, при гидроразрыве пласта или движении флюидов). Применяется для мониторинга техногенных процессов.

Применение

Геологическое картирование и поиск полезных ископаемых

Пассивная сейсморазведка используется для изучения глубинного строения осадочных бассейнов, выявления разломов и структурных ловушек для нефти и газа. Метод сейсмической томографии позволяет обнаруживать зоны аномально низких скоростей, связанные с трещиноватостью или насыщением флюидами. В России метод применяется для поиска месторождений углеводородов в Западной Сибири и на шельфе Арктики.

Сейсмическое микрорайонирование

Метод H/V широко используется для оценки сейсмической опасности территорий. Он позволяет определить резонансные частоты грунтов, что необходимо для проектирования зданий и сооружений в сейсмоопасных районах. В России данный метод применяется при строительстве объектов атомной энергетики и транспортной инфраструктуры.

Мониторинг техногенных процессов

Пассивная сейсморазведка применяется для контроля за гидроразрывом пласта (ГРП) при добыче сланцевого газа и нефти. Регистрация микросейсмических событий позволяет оценивать размеры и ориентацию трещин. Метод также используется для мониторинга состояния плотин, шахт и подземных хранилищ газа.

Изучение глубинного строения Земли

Глобальная сейсмотомография на основе данных о землетрясениях позволяет строить модели мантии и ядра. Пассивные методы выявили существование крупных низкоскоростных провинций в нижней мантии под Африкой и Тихим океаном, а также зоны субдукции.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Экологичность. Отсутствие необходимости в искусственных источниках (взрывчатка, вибраторы) снижает воздействие на окружающую среду.
• Экономичность. Снижение затрат на полевые работы, так как не требуется бурение скважин или установка мощных источников.
• Возможность непрерывного мониторинга. Стационарные сейсмические станции могут работать годами, фиксируя изменения во времени.
• Глубинность. Естественные землетрясения позволяют изучать структуры на глубинах, недоступных для активной сейсморазведки (более 50 км).

Недостатки

• Низкая разрешающая способность. Из-за случайного характера источников и их ограниченного количества изображения получаются менее детальными, чем при активной сейсморазведке.
• Зависимость от природных условий. Методы на основе микросейсм чувствительны к погодным условиям и уровню техногенного шума.
• Сложность обработки. Требуются длительные записи (от нескольких дней до месяцев) и сложные алгоритмы корреляции и инверсии.
• Неопределённость локализации. Точное определение координат и времени возникновения слабых сейсмических событий часто затруднено.

Техническое обеспечение

Для проведения пассивной сейсморазведки используются:

• Сейсмометры — приборы, регистрирующие колебания почвы. Для пассивных методов применяются широкополосные сейсмометры (диапазон частот от 0,001 до 100 Гц) и акселерометры.
• Сейсмические станции — автономные или телеметрические комплексы, включающие датчик, регистратор и систему синхронизации времени (обычно GPS/ГЛОНАСС).
• Системы сбора и обработки данных — программные пакеты для корреляции, спектрального анализа и томографической инверсии (например, ObsPy, Seismic Unix, MATLAB).

Примеры исследований

• В 2015 году группой учёных из Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН (Новосибирск) проведены пассивные сейсмические исследования на территории Ямало-Ненецкого автономного округа. Методом шумовой интерферометрии удалось построить скоростные разрезы до глубины 5 км, выявив зоны разломов, связанные с залежами газа.
• В 2018 году в рамках проекта «Глубинное строение Арктики» российские геофизики использовали данные о землетрясениях для построения трёхмерной модели мантии под шельфом Восточной Арктики. Были обнаружены аномалии, интерпретируемые как следы плюмового магматизма.
• В 2021 году метод H/V был применён для сейсмического микрорайонирования территории города Сочи. Результаты использованы при корректировке карт сейсмической опасности и проектировании высотных зданий.

Перспективы развития

Современные тенденции в пассивной сейсморазведке включают:

• Использование распределённых волоконно-оптических систем (DAS). Оптоволоконные кабели позволяют регистрировать сейсмические сигналы с высокой плотностью точек наблюдения.
• Развитие методов машинного обучения для автоматического выделения сейсмических событий и инверсии данных.
• Интеграция с другими геофизическими методами (гравиразведка, магниторазведка, электроразведка) для повышения достоверности геологических моделей.
• Создание плотных сейсмических сетей на основе малогабаритных автономных станций (ноды) для улучшения пространственного разрешения.

Источники

• Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. — М.: Мир, 1983.
• Садовский М. А., Нерсесов И. Л. Вопросы сейсмологии и сейсмостойкости. — М.: Наука, 1985.
• Гольдин С. В. Сейсмическая томография. — Новосибирск: Наука, 1990.
• Bensen G. D. et al. Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broad-band surface wave dispersion measurements // Geophysical Journal International. — 2007. — Vol. 169, No. 3.
• Shapiro N. M., Campillo M. Emergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the ambient seismic noise // Geophysical Research Letters. — 2004. — Vol. 31, L07614.
• Материалы научно-практической конференции «Пассивная сейсморазведка: методы и результаты» (Новосибирск, 2019).