Сибирские ученые создают технологию электромагнитного мониторинга многолетней мерзлоты
26.06.2024
Сегодня во всем мире большое внимание уделяется проблемам изменения климата, особенно важны темы таяния многолетней мерзлоты. Россия, с ее обширными арктическими территориями, столкнулась с ускоренным процессом потепления. К 2050 году, если не предпринять необходимые меры, убытки страны от таяния мерзлоты в совокупности могут достигнуть 5 триллионов рублей. Для того чтобы наблюдать за процессами, происходящими в таких породах и грунтах, ученые из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН предлагают воспользоваться импульсным электромагнитным мониторингом многолетней мерзлоты. Статья об исследовании опубликована в высокорейтинговом журнале Mathematics. Подробнее в материале Ирины Барановой для издания "Наука в Сибири".
Порядка двух третей территории России находится в области многолетней мерзлоты. Из-за заметных изменений климата в этих местностях происходит постепенное таяние замерзших грунтов и пород, что может вызывать нарушения в почвенном покрове и трансформации ландшафта. В таких зонах расположено много гражданских и промышленных зданий и сооружений, и практически все из них построены на сваях. Во время таяния сваи проваливаются, что приводит к разрушению строений и экологическим последствиям.
Для того чтобы не допустить подобного развития событий, требуется своевременно отслеживать изменения состояния грунта под зданиями и сооружениями на сваях. То же самое касается железных и автодорог, подземных газопроводов. Ученые из ИНГГ СО РАН разрабатывают систему импульсного электромагнитного мониторинга состояния многолетнемерзлых пород. С ее помощью можно быстро и точно отследить их электрофизические параметры.
"Мы предположили, что некоторые технологии, которые мы применяем для поиска нефти и газа, можно использовать для изучения деградации многолетнемерзлых пород и криолитозоны, и представили научно-исследовательский проект, который был одобрен Российским научным фондом. Как только мы стали заниматься научным обоснованием, к нам подключился индустриальный партнер — Научно-исследовательский институт измерительных приборов — Новосибирский завод имени Коминтерна. Мы проводим исследования, компьютерное моделирование тех процессов, которые нас интересуют, а наши коллеги создают подходящую аппаратуру", — рассказывает руководитель проекта, директор ИНГГ СО РАН член-корреспондент РАН Вячеслав Николаевич Глинских.
На сегодня самый распространенный способ мониторинга состояния грунта — это измерение с помощью термометра. Однако замеры температуры могут занимать время, и, пока информация достигнет датчиков, ситуация может измениться, и, возможно, будет уже поздно принять необходимые меры. Электромагнитный мониторинг позволяет измерить электрическое сопротивление — в зонах протаивания оно существенно ниже, чем у мерзлых пород; за счет информации об этой разнице результат можно получить мгновенно.
"При реализации проекта мы создали полигон на материальной базе нашего индустриального партнера в Дорогино. Мы приложили большие усилия к его развитию, использовали разные мишени, проводили анализ не только в летний и осенне-весенний, но и зимний периоды, то есть удалось учесть все особенности. Эта работа будет способствовать созданию оригинальной технологии, которую можно назвать электромагнитным термометром для изучения многолетнемерзлых пород", — объяснил Вячеслав Глинских.
Ученые рассмотрели реалистичные трехмерные модели гражданских и промышленных объектов на мерзлоте, построенные по полевым геофизическим данным. На них можно увидеть удельное сопротивление многолетнемерзлых пород и рассмотреть талики — зоны подтаивания различных размеров, расположенные в разных местах. В своей работе исследователи проанализировали процессы таяния мерзлоты в Якутии, на полуостровах Ямал и Гыдан, в Забайкалье и Красноярском крае.
Для того чтобы воспользоваться системой мониторинга, нужно пробурить две скважины глубиной порядка 10—30 метров по разные стороны от целевого объекта, на расстоянии десятков метров друг от друга. В одной из них размещаются источники электромагнитного поля, в другой — приемники, они располагаются там стационарно. Передача данных будет вестись через спутник. Это позволит доставлять нужную информацию в любой город России, и по измеренным сигналам можно будет определить, что изменилось в среде под целевым объектом.
"Мы уже провели теоретико-экспериментальные исследования, и они указывают на хороший потенциал системы мониторинга. Она относительно дешевая в развертывании: не нужно каждый раз приезжать и уезжать с аппаратурой. Скважины закладываются стационарно, от аппаратуры идут данные, по которым интерпретаторы определяют, поменялась ли среда. Если поменялась, это значит, что образовалась зона подтаивания и нужно уже либо выезжать на место для принятия своевременных мер, либо начать исследовать целевой объект более подробно", — дополнил старший научный сотрудник ИНГГ СО РАН кандидат технических наук Игорь Владиславович Михайлов.
Главная задача электромагнитных зондирований — по измеренным сигналам узнать, что находится под землей. Для этого были разработаны специальные алгоритмы трехмерного моделирования сигналов: так можно заранее оценить возможности электромагнитного мониторинга.
"Была создана компьютерная программа трехмерного моделирования. В основе алгоритма лежит интегральное преобразование Сумуду и векторный метод конечных элементов. Мы определяем, как распространяется электромагнитное поле, с помощью уравнений. И для того, чтобы эффективно их решать, используются интегральные преобразования. Преобразование Сумуду применили к электромагнитным зондированиям впервые в мировой практике. Чтобы добиться еще большей скорости вычислений, были созданы нейронные сети, и за счет этой комбинации расчеты ускорились в 300 раз", — прокомментировала ведущий научный сотрудник ИНГГ СО РАН доктор технических наук Марина Николаевна Никитенко.
Сейчас ученые ведут научно-исследовательские работы, а следующим этапом планируются опытно-конструкторские с опробованием на конкретных объектах. В приоритете у специалистов — изучение Крайнего Севера России, который ко всему прочему представляет значительный потенциал для дальнейшей добычи нефти и газа.
Исследование выполняется при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-17-00181 "Импульсное электромагнитное зондирование многолетнемерзлых пород: теоретическое и экспериментальное развитие высокоразрешающего геофизического метода, научное обоснование и создание инновационной технологии мониторинга криолитозоны".
Автор: Ирина Баранова
Источник: Наука в Сибири
Для того чтобы не допустить подобного развития событий, требуется своевременно отслеживать изменения состояния грунта под зданиями и сооружениями на сваях. То же самое касается железных и автодорог, подземных газопроводов. Ученые из ИНГГ СО РАН разрабатывают систему импульсного электромагнитного мониторинга состояния многолетнемерзлых пород. С ее помощью можно быстро и точно отследить их электрофизические параметры.
"Мы предположили, что некоторые технологии, которые мы применяем для поиска нефти и газа, можно использовать для изучения деградации многолетнемерзлых пород и криолитозоны, и представили научно-исследовательский проект, который был одобрен Российским научным фондом. Как только мы стали заниматься научным обоснованием, к нам подключился индустриальный партнер — Научно-исследовательский институт измерительных приборов — Новосибирский завод имени Коминтерна. Мы проводим исследования, компьютерное моделирование тех процессов, которые нас интересуют, а наши коллеги создают подходящую аппаратуру", — рассказывает руководитель проекта, директор ИНГГ СО РАН член-корреспондент РАН Вячеслав Николаевич Глинских.
На сегодня самый распространенный способ мониторинга состояния грунта — это измерение с помощью термометра. Однако замеры температуры могут занимать время, и, пока информация достигнет датчиков, ситуация может измениться, и, возможно, будет уже поздно принять необходимые меры. Электромагнитный мониторинг позволяет измерить электрическое сопротивление — в зонах протаивания оно существенно ниже, чем у мерзлых пород; за счет информации об этой разнице результат можно получить мгновенно.
"При реализации проекта мы создали полигон на материальной базе нашего индустриального партнера в Дорогино. Мы приложили большие усилия к его развитию, использовали разные мишени, проводили анализ не только в летний и осенне-весенний, но и зимний периоды, то есть удалось учесть все особенности. Эта работа будет способствовать созданию оригинальной технологии, которую можно назвать электромагнитным термометром для изучения многолетнемерзлых пород", — объяснил Вячеслав Глинских.
Ученые рассмотрели реалистичные трехмерные модели гражданских и промышленных объектов на мерзлоте, построенные по полевым геофизическим данным. На них можно увидеть удельное сопротивление многолетнемерзлых пород и рассмотреть талики — зоны подтаивания различных размеров, расположенные в разных местах. В своей работе исследователи проанализировали процессы таяния мерзлоты в Якутии, на полуостровах Ямал и Гыдан, в Забайкалье и Красноярском крае.
Для того чтобы воспользоваться системой мониторинга, нужно пробурить две скважины глубиной порядка 10—30 метров по разные стороны от целевого объекта, на расстоянии десятков метров друг от друга. В одной из них размещаются источники электромагнитного поля, в другой — приемники, они располагаются там стационарно. Передача данных будет вестись через спутник. Это позволит доставлять нужную информацию в любой город России, и по измеренным сигналам можно будет определить, что изменилось в среде под целевым объектом.
"Мы уже провели теоретико-экспериментальные исследования, и они указывают на хороший потенциал системы мониторинга. Она относительно дешевая в развертывании: не нужно каждый раз приезжать и уезжать с аппаратурой. Скважины закладываются стационарно, от аппаратуры идут данные, по которым интерпретаторы определяют, поменялась ли среда. Если поменялась, это значит, что образовалась зона подтаивания и нужно уже либо выезжать на место для принятия своевременных мер, либо начать исследовать целевой объект более подробно", — дополнил старший научный сотрудник ИНГГ СО РАН кандидат технических наук Игорь Владиславович Михайлов.
Главная задача электромагнитных зондирований — по измеренным сигналам узнать, что находится под землей. Для этого были разработаны специальные алгоритмы трехмерного моделирования сигналов: так можно заранее оценить возможности электромагнитного мониторинга.
"Была создана компьютерная программа трехмерного моделирования. В основе алгоритма лежит интегральное преобразование Сумуду и векторный метод конечных элементов. Мы определяем, как распространяется электромагнитное поле, с помощью уравнений. И для того, чтобы эффективно их решать, используются интегральные преобразования. Преобразование Сумуду применили к электромагнитным зондированиям впервые в мировой практике. Чтобы добиться еще большей скорости вычислений, были созданы нейронные сети, и за счет этой комбинации расчеты ускорились в 300 раз", — прокомментировала ведущий научный сотрудник ИНГГ СО РАН доктор технических наук Марина Николаевна Никитенко.
Сейчас ученые ведут научно-исследовательские работы, а следующим этапом планируются опытно-конструкторские с опробованием на конкретных объектах. В приоритете у специалистов — изучение Крайнего Севера России, который ко всему прочему представляет значительный потенциал для дальнейшей добычи нефти и газа.
Исследование выполняется при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-17-00181 "Импульсное электромагнитное зондирование многолетнемерзлых пород: теоретическое и экспериментальное развитие высокоразрешающего геофизического метода, научное обоснование и создание инновационной технологии мониторинга криолитозоны".
Автор: Ирина Баранова
Источник: Наука в Сибири