Алексей Всеволодович Николаев

А.В. Николаев обратил внимание на то, что некоторые обнаруженные экспериментально закономерности сейсмических проявлений в рыхлых средах не удается объяснить в рамках классической теории упругих волн. Поэтому он сосредоточился на изучении механизма деформации и передачи энергии в таких средах и предложил использовать в качестве количественной оценки рыхлости грунта вместо сопротивления на разрыв, как это было принято, характеристику, учитывающую различия модулей упругости при деформациях сжатия и растяжения. Рассмотрев особенности поведения рыхлых грунтов при сильных землетрясениях, он пришел к выводу о нелинейности закона Гука в широком диапазоне напряжений для реальных горных пород, в частности рыхлых. Результаты исследования грунтов стали основой многих работ А.В. Николаева в будущем. В частности, были разработаны новые способы сейсмического микрорайонирования с использованием количественных характеристик нелинейности свойств рыхлых пород, измеренных при больших деформациях. А.В. Николаев усовершенствовал метод микрорайонирования, базирующийся на определении жесткости верхних слоев грунта с помощью небольших ударов по грунту, в частности, кувалдой. При методе измерений оценивались сейсмические характеристики лишь очень тонкого поверхностного слоя грунта. А.В. Николаев предложил проводить исследования до больших глубин и привлек технические средства, обеспечившие более мощное воздействие на среду и тем самым детальное изучение сейсмических характеристик грунтовой толщи до глубин в несколько десятков метров. Эффективность такого подхода была убедительно продемонстрирована результатами практических исследований. Под руководством А.В. Николаева в практику работ по сейсмическому микрорайонированию были внедрены учитывающие нелинейность среды методы с использованием достаточно мощных импульсных невзрывных и вибрационных источников с эффективными системами сбора и анализа данных.

При исследовании сейсмическими методами внутреннего строения Земли А.В. Николаев, как и в исследованиях рыхлых пород, пошел оригинальным для сейсмологии путем: ввел в рассмотрение случайность. Отказавшись от попыток детально и точно описать пространственное распределение сейсмических параметров недр Земли, он предложил описывать реальные распределения этих параметров и сейсмических волн статистическими характеристиками. С этой целью любой исследуемый параметр было предложено аппроксимировать суммой детерминированного значения, определяемого по принятой модели, и случайного, а для параметризации такой случайной среды Николаев ввел в сейсмологию новый параметр – коэффициент мутности среды. С помощью этого параметра можно оценивать степень гетерогенности исследуемых объемов. В итоге было создано принципиально новое научное направление исследований сейсмических свойств реальных сред. Последующие исследования и картирование коэффициента мутности продемонстрировали высокую эффективность метода, он успешно использовался даже в тех регионах, где сейсмограммы были настолько зашумлены, что при использовании традиционных методов содержательные исследования становились практически невозможными. Были выявлены интересные закономерности различий коэффициентов мутности литосферы в различных регионах. В частности, установлено, что масштаб неоднородностей неодинаков на разных глубинах, обнаружена также большая статистическая неоднородность литосферы континентов в сравнении с океанической литосферой.

А.В. Николаев сыграл важную роль в становлении и развитии исследований эндогенной сейсмоакустической эмиссии, которые активно проводились в СССР под руководством Л.Н. Рыкунова в 1980–1990-х годах. При активном участии А.В. Николаева была разработана методология исследований эндогенных сейсмических шумов, включая аппаратуру, технологии сбора, обработки и интерпретации данных, проведены наблюдения в глубоких и сверхглубокой Кольской скважинах. Опыт, приобретенный за четверть века исследований, был использован для создания в 2011 г. геоакустической обсерватории на базе Воротиловской глубокой скважины и ее скважины-спутника.

Значительный вклад А.В. Николаев внес в развитие методов сейсмической томографии. Эти исследования Алексея Всеволодовича стали естественным продолжением его работ по сейсмической мутности, поскольку в рамках модели сейсмической мутности не удавалось объяснить некоторые особенности реального волнового поля. А.В. Николаев решил обратиться к модели среды с крупными контрастными локальными неоднородностями, линейные размеры которых в несколько раз превышают длину сейсмической волны. При исследовании таких моделей детерминированного рассеяния с целью обнаружения и параметризации неоднородностей по аналогии с методами оптической голографии решается обратная дифракционная задача. С целью проверки принципиальной возможности практического применения сейсмической голографии был проведен модельный эксперимент по ультразвуковой сейсмической голографии с характерной формой неоднородности образца, соответствующей таким часто встречающимся при полевых работах реальным объектам, которые практически невозможно исследовать обычными сейсморазведочными методами. Результат этого эксперимента оказался довольно успешным: полученная голограмма отражала основные черты неоднородностей образца. Были намечены некоторые пути дальнейшего развития метода. В этой пионерской публикации отмечалось, что еще трудно представить, как может выглядеть реальная сейсмическая голограмма, но вскоре А.В. Николаеву удалось устранить этот пробел в сейсмологических исследованиях: голографические методы были применены для анализа реальных данных сейсмической группы НОРСАР. В результате исследований в литосфере южной части Норвегии были выявлены крупные столбообразные неоднородности вертикального простирания. В дальнейшем А.В. Николаев активно занимался трансмиссионным, дифракционным и эмиссионным методами сейсмической томографии, был предложен вероятностно-дифференцированный подход к решению обратных задач сейсмической томографии, минимизирующий влияние ошибок в исходных данных и обеспечивающий устойчивость решения. Особенно отметим эмиссионный метод, поскольку заслуга Алексея Всеволодовича в его создании и развитии особенно велика. В отличие от дифракционного метода, которым изучается пространственное распределение пассивных источников, переизлучающих внешнее поле, эмиссионный метод ориентирован на поиск активных источников, например микроземлетрясений или сейсмоакустической эмиссии. Фактически создание эмиссионной томографии базируется на результатах рассмотренных выше сейсмоакустических исследований, подтверждающих сформировавшиеся в 1970-х годах представления об активности горных пород. С помощью эмиссионной томографии под группой НОРСАР были обнаружены источники микросейсмической эмиссии, которые ассоциировались с особенностями пространственных распределений фокальных зон землетрясений и характером напряженного состояния литосферы, а также с выявленными дифракционным методом столбообразными неоднородностями, простирающимися до глубин более 100 км. С помощью эмиссионной томографии обнаружена эмиссионная активность в магматическом теле вулкана, выявлены изменения пространственного распределения эмиссионной активности в результате миграции эпицентров землетрясений.

С именем А.В. Николаева связано развитие в нашей стране методов активной сейсмологии, именно он стал совместно с А.С. Алексеевым инициатором программы по развитию методов вибрационного просвечивания Земли для детального изучения ее недр с помощью мощных излучателей низкочастотных сейсмических колебаний непрерывного действия, принятой АН СССР в 1976 г. К тому времени уже был создан и успешно использовался метод сейсморазведки с вибрационными источниками и изготавливались необходимые для этого сейсморазведочные вибраторы небольшой мощности (порядка 2–3 кВт). Но переход от масштаба сейсморазведки к глубинным исследованиям был связан не только с необходимостью повышения мощности вибратора на 2 и более порядков, но и с рядом принципиальных трудностей. Фактически формулировалась задача широкого использования активной сейсмологии на основе ее революционного технического и методологического преобразования. Программой предусматривалась разработка технологии для решения методами вибрационного просвечивания двух задач, первая из которых заключалась в изучении глубинного строения Земли, а вторая – его временных вариаций. Понятно, что решение второй задачи, возникающей, например, в исследованиях по прогнозу землетрясений, требовала обеспечения существенно большей точности получаемых результатов. Методические задачи программы были успешно решены. В частности, была убедительно продемонстрирована возможность изучения глубин, по крайней мере до 300 км и выявлены временные вариации скоростей сейсмических волн, вызванные гравитационным приливом в твердой Земле. На этой основе были сформулированы предложения организовать международный проект вибрационного просвечивания всей планеты, обеспечивающего возможность выполнения четырехмерной сейсмической томографии.

Естественным продолжением, или, скорее, сопровождением, работ по вибропросвечиванию Земли стали исследования влияния мощных сейсмических воздействий на состояние геофизической среды. Были обнаружены остаточные изменения уровня воды в скважинах при работе вибратора. Изменения могли иметь разный знак и сохранялись с течение нескольких суток. Похожие эффекты наблюдались при удаленных землетрясениях. Они были интерпретированы как результат влияния изменений коллекторских характеристик водонасыщенных горных пород под воздействием упругих волн на процессы фильтрации воды. Установлено также, что вибросейсмические воздействия вызывают механохимические реакции с образованием сложных органических молекул, причем концентрация углеводородов возрастала при увеличении интенсивности сейсмического воздействия. В работе описаны изменения электрической проводимости среды в результате вибрационного воздействия. Самостоятельным направлением исследований А.В. Николаева по вибрационному воздействию на геофизическую среду стала разработка метода повышения нефтеотдачи истощенного пласта и существенного ускорения процесса восстановления заводненной нефтяной залежи. Физическое обоснование метода дано в работе.

Снятие тектонических напряжений. В работе были проведены исследования возможного влияния сильных глубокофокусных Памиро-Гиндукушских землетрясений магнитудой не менее 5.0 на сейсмический процесс в пределах территории, ограниченной координатами 30–45 N по широте и 42–90 Е по долготе. В качестве показателя сейсмичности рассматривалось количество в исследуемом регионе землетрясений магнитудой не менее 5.0. В результате был сделан вывод о существовании такого влияния, проявляющегося следующим образом: в течение первых пяти суток после сильного Памиро-Гиндукушского землетрясения сейсмичность заметно уменьшается, затем в интервале от 5 до 10 сут увеличивается, а далее снова снижается. Эта закономерность с высоким уровнем статистической значимости проявилась от Кавказа и Иранского нагорья на западе до Каркорума и Тибетского нагорья на востоке. Аналогичное исследование было выполнено с использованием в качестве возможного триггера подземных ядерных взрывов на полигонах в Семипалатинске и Неваде, а сейсмичность исследовалась в том же регионе, что и в работе. В итоге были обнаружены изменения сейсмичности в первые 10 сут после подземных ядерных взрывов, хотя и несколько иной формы, чем это было в работе. На основании полученных результатов было высказано предположение о возможности управления процессом подготовки землетрясений с помощью искусственных сейсмических воздействий. Дополнительным аргументом в пользу такой возможности стали результаты работы, в которой было установлено кратковременное снижение сейсмической активности вблизи Семипалатинского и Невадского ядерных полигонов после проведения на них подземных ядерных взрывов. В работе выполнен более обширный и более глубокий анализ проблем и возможностей регулируемой разрядки накопленных тектонических напряжений в земной коре за счет увеличения пластических подвижек, обеспечивающих релаксацию накопленных напряжений в виде большого количества относительно слабых землетрясений вместо одного сильного. При этом в качестве возможного вида воздействий на среду рассматривались не только сейсмические воздействия, но и закачка воды в зоны накопленных напряжений.

С именем А.В. Николаева связано широкое внедрение в сейсмологию представлений о нелинейности свойств геофизической среды. На их основе разработаны принципиально новые методы сейсмического микрорайонирования. В исследованиях с вибраторами нелинейность была обнаружена даже при очень слабых воздействиях. На основе этих эффектов развиваются принципиально новые методы исследований.