На третьем этапе в 2024 году проводится:

- решение обратной задачи импульсных электромагнитных зондирований криолитозоны с использованием в качестве целевого функционала расстояния между Сумуду-образами исходных и смоделированных данных; оптимизация вычислений путем аппроксимации целевого функционала минимальным количеством Сумуду-образов; сопоставительный анализ и обобщение результатов применения преобразования Сумуду для численных решений прямой и обратной задач импульсных электромагнитных зондирований;

- создание реалистичных геоэлектрических моделей геокриологических сред на выбранных эталонных инженерно-геологических объектах, полученных по результатам полевых геофизических исследований; численное трехмерное моделирование сигналов электромагнитного зондирования с управляемыми токовыми импульсами с разными характеристиками на базе зондирующих установок с различными пространственно распределенными наземно-скважинными конфигурациями; анализ электромагнитных сигналов и характеристик пространственного разрешения с установлением возможностей и ограничений для конкретных моделей выбранных эталонных объектов;

- анализ характеристик регистрируемых электромагнитных сигналов и их геолого-геофизическая интерпретация по результатам проведения натурных экспериментов с использованием макетного образца установки импульсного электромагнитного мониторинга; лабораторное изучение образцов проб многолетнемерзлых пород, отобранных на естественном геофизическом полигоне, исследование влияния температуры на электрофизические свойства, определение гранулометрического и литологического состава.

По направлению развития теоретико-алгоритмической базы:

Решены прямая и обратная задачи импульсных электромагнитных зондирований криолитозоны для расположенной в скважине токовой линии в качестве источника с использованием интегрального преобразования Сумуду. Разработаны программно-алгоритмические средства численного моделирования сигналов импульсных межскважинных зондирований при возбуждении электромагнитного поля токовой линией в скважине.

Решение обратной задачи разделено на два этапа: обнаружение и локализация талика с количественной оценкой его размеров. Для определения наличия или отсутствия талика без решения обратной задачи предложена специальная метрика, содержащая Сумуду-образы измеренной и синтетической ЭДС. Реализованы и сопоставлены два подхода к построению приближенного решения обратной задачи: на основе минимального и усредненного значения минимизируемого функционала.

Создан быстрый аналог конечно-элементного алгоритма решения прямой задачи путем построения нелинейной регрессии. Для обратной задачи выполнены анализ и сравнение различных способов аппроксимации оператора прямой задачи на основе полиномиальной регрессии. Разработанный метод, по сравнению с использованием искусственных нейронных сетей, требует гораздо меньшего (до пяти раз) объема обучающих данных, что приводит к существенному уменьшению времени построения аппроксимации целевого функционала обратной задачи.

Проведено обобщение и анализ результатов использования интегрального преобразования Сумуду для численного решения прямой и обратной задач импульсных электромагнитных зондирований многолетнемерзлых пород, содержащих талики в окрестностях гражданских и промышленных объектов. Среди плюсов преобразования Сумуду: сохранение размерности функции, вычисления в поле действительных чисел, отсутствие быстро осциллирующих и слабозатухающих подынтегральных выражений, высокая устойчивость к шуму во входных данных. Минус заключается в том, что не существует удобной и явной формулы вычисления обратного преобразования. Выход состоит в использовании искусственных нейронных сетей, а также в проведении инверсии данных в пространстве Сумуду-образов. Оба разработанных алгоритма аппроксимации оператора прямой задачи – полиномиальной регрессии и нейросетевой – обеспечивают приемлемую для решения практических задач погрешность.

По направлению масштабного моделирования в реалистичных моделях сред:

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, а также результатов лабораторных измерений кернового материала многолетнемерзлых пород с Быковского полуострова (Гольцовое озеро). Перечень моделей включает добывающую скважину газового месторождения на полуострове Ямал и пятиэтажный панельный жилой дом на сваях в городе Салехарде.

Проведено масштабное численное трехмерное моделирование сигналов электромагнитного зондирования с управляемыми токовыми импульсами (прямоугольный и знакопеременный) для скважинных и наземно-скважинных установок, для катушек индуктивности и токовой линии в качестве источников. Выполнена последовательная оценка влияния геоэлектрических параметров модели и талика на измеряемые сигналы в указанных моделях.

Установлены пространственное разрешение, возможности и ограничения импульсного электромагнитного мониторинга для созданных геоэлектрических моделей. Сделан вывод, что импульсный электромагнитный мониторинг возможен как в межскважинном, так и наземно-скважинном варианте, при использовании как прямоугольного, так и знакопеременного импульса. Применение токовой линии может оказаться более предпочтительным при выделении таликов малых размеров на фоне высокопроводящих объектов мониторинга. Сигнал токовой линии затухает со временем значительно медленнее, что дает преимущество при электромагнитном мониторинге с сильно разнесенными скважинами. В потенциально опасных местах целесообразно располагать скважины так, чтобы линия, соединяющая скважины, проходила максимально близко к возможному месту возникновения талика.

По направлению проведения натурных и лабораторных экспериментов:

Проведены натурные эксперименты с использованием макетного образца установки импульсного электромагнитного мониторинга на выбранном эталонном объекте геофизического полигона в п. Дорогино Новосибирской области (лед, металл, оргстекло). Измерены осциллограмма и спектр прошедшего в грунте высоковольтного сигнала через указанные препятствия.

Выполнен анализ характеристик регистрируемых электромагнитных сигналов и дана их геолого-геофизическая интерпретация. Сделан основной вывод, что осциллограммы и спектры сигналов ощутимо меняются при наличии/отсутствии препятствия в шурфе, однако меняются относительно слабо при разных препятствиях. Проведенные измерения прохождения высоковольтного импульса в грунте через различные препятствия подтверждают теоретические расчеты. Сформулированы выводы и предложения по обеспечению компактности и мобильности измерительной межскважинной установки. Оптимизирована длительность высоковольтного импульса для повышения глубинности измерений.

Проведены лабораторные эксперименты по установлению гранулометрического и литологического состава, частотной зависимости электрофизических свойств от температуры многолетнемерзлых образцов керна с естественного геофизического полигона – Быковского полуострова (Омулевая лагуна, Гольцовое озеро) лабораторными методами диэлектрической спектроскопии и ядерного магнитного резонанса. Построены зависимости УЭС образцов и температуры от глубины отбора из скважин, графиков УЭС образцов во время замораживания, диаграммы Коул-Коула и действительной части комплексной диэлектрической проницаемости, спектры и карты ЯМР времен релаксации.

Установлено, что гранулометрический состав пород сильно меняется с глубиной, что обуславливает изменчивость водосодержания, электропроводности и УЭС. Вода в образцах, кроме верхних слоев, находится в связанном состоянии и начинает замерзать при температуре ниже –2.5°С. Образцы из скважины Омулевой лагуны имеют более высокие значения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости по сравнению с образцами из скважины Гольцового озера. Это обусловлено тремя факторами: разные температуры залегания образцов, значения УЭС и степень минерализации.

По результатам исследований в 2024 году опубликованы и приняты к печати 3 статьи в ведущих периодических научных изданиях, входящих в базы цитирования WoS и Scopus: Mathematics (Q1), «Геология и геофизика» (Q2), а также 1 статья в РИНЦ (журнал «Геофизические технологии»). Находится на рецензировании еще 1 статья в журнале «Нефтегазовая геология. Теория и практика» (индексация в RSCI). Результаты получили одобрение научной общественности на тематических конференциях разного уровня: «Санкт-Петербург 2024 – Геонауки: современные вызовы и пути решений» (г. Санкт-Петербург), XX всероссийская конференция «Геодинамика. Геомеханика и геофизика», II всероссийская конференция «Добрецовские чтения: наука из первых рук» (Алтайский край, стационар «Денисова пещера»), XI Сибирская конференция молодых ученых по наукам о Земле (г. Новосибирск). Результаты популяризованы в средствах массовой информации.