Арктический шельф хранит под собой колоссальные запасы углеводородов. По различным оценкам, в арктических недрах сосредоточено около 13% мировых неразведанных запасов нефти и почти 30% природного газа. Освоение этих ресурсов — задача не только экономически, но и технически сложная. Суровый климат, многомесячный ледяной покров, мелководье и вечная мерзлота создают условия, при которых стандартные методы морской сейсморазведки дают неоднозначные или даже ошибочные результаты.
Математики из МФТИ построили двумерную численную модель арктического шельфа, включающую все ключевые геологические элементы: слой льда толщиной два метра, водный столб 60 метров, дно с водонасыщенными осадками (75 метров), пять многолетнемерзлой породы с постепенным увеличением акустической жесткости и нефтяной пласт толщиной 60 метров, залегающий на глубине около 1200 метров от поверхности дна. Нефтяной пласт описывался как акустическая среда с существенно меньшей скоростью звука, чем в окружающих породах, — это соответствует реальным условиям. Работа опубликована в журнале Mathematical Models and Computer Simulations и выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект №23-11-00035).
Для решения задачи использовался сеточно-характеристический метод, который позволяет точно воспроизводить волновые процессы в слоистых средах с многочисленными границами раздела. Метод хорошо справляется со сложными гетерогенными структурами: на каждой границе задаются корректные условия, отражающие физику перехода волны из одной среды в другую. В качестве источника использовался вейвлет Рикера с центральной частотой 30 герц.
Авторы рассмотрели три постановки задачи, которые отличались положением источника: в воде (безо льда), во льду (со льдом) и у дна (со льдом). Приемники располагались как на поверхности воды или льда, так и на морском дне.
Результаты моделирования позволили выявить несколько ключевых физических эффектов. Первый — поверхностные волны Рэлея, возникающие в ледяном покрове при прохождении сигнала через лед. Эти волны медленные: скорость волны Рэлея во льду составляет около 0,92 от скорости поперечной волны, которая во льду сама по себе значительно меньше скорости продольной. В результате регистрируемые приемниками волны Рэлея распространяются медленней объемных, но с высокой амплитудой, перекрывая в сейсмограмме отражения от глубоких пластов. Второй эффект — многократные переотражения в тонких слоях вблизи поверхности, создающие серию ложных «подземных отражений». Третий — волны Стоунли на границе дна и воды, обнаруженные при размещении источника и приемников у морского дна.
Центральный вопрос работы — можно ли по сейсмограммам выявить нефтяную залежь на фоне всех этих помех? Ответ оказался утвердительным, но с существенными оговорками. Безо льда (задача 1) залежь идентифицировалась уверенно: отражение от ее верхней границы имело заметно большую амплитуду, чем от соседних мерзлых пластов с постепенным увеличением акустической жесткости, а время пробега волны сдвигалось из-за более низкой скорости звука в нефтенасыщенном коллекторе. При наличии льда (задачи 2 и 3) ситуация осложнялась. Когда источник располагался во льду и приемники тоже во льду или у поверхности воды (задача 2), мощные высокоамплитудные кратные волны в ледяном покрове практически полностью перекрывали отражения с большой глубины. Разместить источник у дна (задача 3) оказалось значимо предпочтительнее: амплитуда поверхностных и многократных волн снижалась, а глубинные отражения, в том числе от нефтяного пласта, становились отчетливо видны.
Важным практическим выводом стала рекомендация о расположении источника и приемников на разных поверхностях: если источник находится у дна, а приемники у поверхности или наоборот, то идентификация глубоких рефлекторов существенно облегчается. Каждый тип помех — поверхностные волны во льду, реверберации в воде — имеет конкретную пространственную амплитудную зависимость, и при разнесении источника и приемника эти помехи ослабевают относительно полезного сигнала.
Полученные результаты имеют значение не только как академические выводы, но и как практические рекомендации для планирования морских геофизических экспедиций в арктических акваториях. Цифровые модели геологических сред, созданные в ходе работы, могут служить основой для решения обратных задач: восстановления строения шельфа по наблюденным сейсмограммам.
Переход к трехмерным моделям с криволинейными границами и реальной геологией — следующий шаг. Кроме того, важным направлением исследований остается учет газовых включений и трещин в мерзлых породах.
Евгения Гусева, аспирантка МФТИ, участвовавшая в научном исследовании, прокомментировала: «Арктический шельф — исключительно сложная волновая среда. Лед, слоистые многолетнемерзлые породы, морское дно — каждый из этих элементов вносит свой вклад в сейсмограмму, и разобраться в их суперпозиции без численного моделирования крайне трудно. Мы показали, что модель способна воспроизвести все эти эффекты вместе, и тогда становится видно, каким сигналом проявляет себя нефтяная залежь. Главный практический итог: источник сигнала у дна и приемники на разных поверхностях не просто технический прием, а физически обоснованная стратегия, позволяющая буквально „вычистить” из записи нежелательные поверхностные волны и увидеть то, что скрыто глубоко под шельфом».