На втором этапе в 2023 году проводится:
По направлению развития теоретико-алгоритмической базы:
Для изучения и мониторинга состояния криолитозоны разработан способ трансформации данных импульсных электромагнитных зондирований в кажущиеся УЭС. Создана база данных ЭДС в зависимости от времени и УЭС проводящего полупространства для заданных конфигураций измерительной системы. Реализована процедура интерполяции измеренного сигнала на табличные времена. Для каждого времени реализован поиск таких УЭС, при которых табличные сигналы для данного времени близки к измеренному. Разработаны процедуры интерполяции для получения точного значения УЭС и выбора корректного значения УЭС в случае неединственности, нахождения УЭС в случае отсутствия решения. Разработан алгоритм численной инверсии данных импульсных электромагнитных зондирований как задачи минимизации невязки между Сумуду-образами реально измеренных сигналов и Сумуду-образами рассчитанных сигналов. В качестве метода решения задачи оптимизации использован алгоритм PARS, гарантирующий нахождение глобального минимума и обладающий экспоненциальной скоростью сходимости. Для уточнения приближенного решения обратной задачи при помощи PARS, применен алгоритм локальной оптимизации.
Для оперативной численной инверсии создан быстрый аналог конечно-элементного алгоритма на основе ИНС с архитектурой многослойного перцептрона. Созданы входные и выходные данные для искусственной нейронной сети. Обучение ИНС выполнено с применением алгоритма Nadam. В качестве минимизируемой в процессе обучения функции потерь применено среднее абсолютное отклонение, с привлечением параллельных вычислений на графическом ускорителе для создания обучающих выборок. Общий объем созданного набора данных составил 10000 пар «модель»–«сигналы», при обучении данные разделены на две подвыборки: 75% непосредственно для обучения и 25% для контроля. Как альтернатива минимизации функционала невязки между Сумуду-образами реально измеренных сигналов и Сумуду-образами рассчитанных сигналов, построен оператор, непосредственно отображающий вектор измерений в вектор параметров модели. Для аппроксимации такого оператора также применены ИНС. С помощью имеющихся двух способов решения обратной задачи, построен третий, как их комбинация.
Выполнено тестирование алгоритма трансформаций импульсных электромагнитных сигналов в кажущиеся УЭС на модели однородного проводящего полупространства «воздух-многолетнемерзлые породы» для широкого диапазона УЭС. Алгоритм обеспечивает нахождение истинного УЭС полупространства на всех временах регистрации сигналов.
Проведено сравнение синтетических сигналов импульсного электромагнитного зондирования, рассчитанных с применением конечно-элементного и нейросетевого алгоритмов. Анализ поточечных невязок сигналов электромагнитных зондирований показывает, что в 95% случаев относительная невязка сигналов меньше 5%, а абсолютная невязка при этом не превышает 1 нВ. Выполнена оценка быстродействия при расчете набора сигналов электромагнитного зондирования, согласно которой нейросетевой алгоритм быстрее на 5.5 порядков.
Проведено тестирование методов инверсии на модели двух полупространств, где нижнее представлено многолетнемерзлыми породами с таликом в виде параллелепипеда. Геометрические размеры талика восстановлены с точностью от 5 до 20% при разных уровнях шума в псевдоэкспериментальных данных и в зависимости от удаления талика от зондирующей установки.
Из сравнения предложенных трех методов инверсии с точки зрения быстродействия и минимальной достигаемой невязки следует, что в качестве оптимального следует выбирать метод, использующий линейную комбинацию векторов параметров, полученных при помощи двух различных искусственных нейросетей (аппроксимирующих прямую и обратную задачи).
По направлению масштабного моделирования в реалистичных моделях сред:
На основе анализа специализированных геолого-геофизических публикаций в области изучения и мониторинга многолетнемерзлых пород в ряде регионов России (Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ), обобщены и выбраны типичные геоэлектрические параметры многолетнемерзлых пород, на и в которых расположены гражданские и промышленные объекты, здания и сооружения, подвергающиеся воздействию процессов растепления-промерзания многолетнемерзлых пород. Созданы реалистичные геоэлектрические модели различной степени сложности, включающие в себя элементы конструкций зданий и сооружений, зоны растепления и образования таликов, с учетом параметров поляризации в мерзлых породах. Перечень моделей включает: железную дорогу в Якутии, подземный магистральный газопровод на полуострове Гыдан, добывающую скважину газового месторождения на полуострове Ямал, жилой пятиэтажный дом на сваях в городе Салехарде.
Проведено широкомасштабное численное трехмерное моделирование и анализ сигналов электромагнитного зондирования с управляемыми токовыми импульсами (прямоугольный и знакопеременный) для скважинных и наземно-скважинных установок, при разных расположениях систем наблюдения относительно талика, с последовательной оценкой влияния геоэлектрических параметров модели и талика на измеряемые сигналы в двух моделях: железная дорога в Якутии и подземный магистральный газопровод на полуострове Гыдан.
Из всестороннего анализа смоделированных сигналов следует, что импульсный электромагнитный мониторинг возможен как в межскважинном, так и наземно-скважинном варианте, при использовании как прямоугольного, так и знакопеременного импульса. Талик малого размера, при невысоком контрасте УЭС (несколько раз), слабо проявлен на диаграммах импульсного мониторинга. Наземно-скважинный вариант мониторинговой установки обладает достаточной чувствительностью к таликам, расположенным в приповерхностном слое.
Рассчитаны вариации электросопротивлений супесей и суглинков на геофизическом полигоне в зимне-весенний период на основе практических измерений температуры в диапазоне от –18 до +4°С с учетом лабораторных исследований образцов керна. Выполнена имитация импульсного электромагнитного мониторинга положения границы между мерзлыми и оттаявшими породами за зимне-весенний период по изменениям рассчитанных значений ЭДС. Сделан вывод, что наиболее чувствительными сигналами импульсного зондирования к замерзанию-растеплению мерзлых пород являются ZZ- и YY-компоненты поля.
По направлению проведения натурных и лабораторных экспериментов:
Определены задачи развития геофизического полигона и макетного образца установки импульсного мониторинга по результатам предыдущих натурных испытаний: увеличение расстояния между шурфами до 100 м, с сохранением ранее подготовленных шурфов (с расстоянием между шурфами 30 м), для возможности сравнения и апробации результатов измерения; подтверждение характеристик аппаратуры для расстояния 100 м.
Выполнена доработка измерительного полигона с созданием новых шурфов для размещения макетного образца аппаратуры и, в дальнейшем, искусственной преграды на пути прохождения высоковольтного импульса. Оптимизированы условия эксплуатации шурфов в зимний период времени. Внесены изменения в схему подключения измерительной установки. Успешно проведены натурные эксперименты по прохождению высоковольтного импульса через грунт на расстоянии 100 м между генераторной и приемной антеннами. Установлено, что зависимость сигнала (и его спектра) от температуры грунта хорошо различима на осциллограмме сигнала на выходе приемной антенны: в более теплом грунте амплитуда сигнала в 3.2 раза больше, чем в зимний период, что согласуется с теоретическими расчетами. Выполнена доработка макета измерительной установки, для возможности использования регулируемого усилителя на входе осциллографа в зависимости от амплитуды сигнала с выхода приемной антенны. Создан план по дальнейшей оптимизации измерений и проведению новых экспериментов.
Исследованы петрофизические и электрофизические свойства мерзлых грунтов с природного полигона в Республике Саха (Якутия). Выполнен анализ литологического состава грунтов. Выделены три основных литологических интервала отложений в разрезе скважины по результатам анализа кернового материала: верхний (с преобладанием иллитов), средний (глинистые разности с нерегулярными включениями песка), нижний (мелко-, средне- и крупнозернистые пески). Изучен гранулометрический состав грунтов на лазерном анализаторе размера частиц. Построены гистограммы распределения размеров частиц по объему для разных глубин. По гистограммам отчетливо наблюдается увеличение размера частиц с глубиной. Проведено лабораторное исследование влияния температуры на электрофизические свойства образцов проб двухэлектродным методом на переменном токе в диапазоне от +10°С до –7°С. Установлено, что УЭС образцов увеличивается при движении от верхнего к нижнему интервалу. При максимальной рассмотренной температуре УЭС отложений составляют примерно от 3 до 30 Ом·м; при минимальной температуре УЭС отложений изменяются примерно от 150 до 720 Ом·м.
Сопоставительный анализ результатов численных, лабораторных и натурных экспериментов показал следующее. Во-первых, значения электрофизических параметров, полученные по результатам полевых геофизических исследований и лабораторных анализов керна, согласуются между собой. Во-вторых, температурные зависимости УЭС образцов керна и УЭС, полученных по результатам выполненных натурных экспериментов в зимне-весенний период на геофизическом полигоне, сопоставимы между собой. В-третьих, результаты как натурных экспериментов, так и лабораторных измерений свойств грунтов учтены при построении геоэлектрических моделей для численных расчетов, что обеспечивает их реалистичность.
Таким образом, достоверность результатов численных расчётов в рамках проекта достигается одновременным использованием разработанного самого современного математического аппарата, данных полевых геофизических измерений, а также лабораторных измерений кернового материала.
По результатам исследований в 2023 году опубликованы и приняты к печати 5 статей в периодических рецензируемых научных изданиях, среди которых: 2 статьи в ведущем переводном российским научном журнале по наукам о Земле ‘Russian Geology and Geophysics’ (Web of Science, Scopus), 2 статьи в российском научном геофизическом журнале «Геофизические исследования» (Scopus), 1 статья в тематическом научном журнале «Криосфера Земли» (Scopus). Поданы тезисы по тематике проекта на международную научно-практическую конференцию «Геомодель Санкт-Петербург 2024». Результаты получили одобрение научной общественности на крупных конференциях, популяризованы в средствах массовой информации.