Мюонография исследует особенности распределения плотности вещества внутри крупных объектов, таких как горные массивы или промышленные здания, используя проникающие потоки атмосферных мюонов [1–3]. Анализ угловых распределений мюонов, прошедших через объект, позволяет неинвазивно, без механического вмешательства обнаружить аномалии плотности в зоне проходящего мюонного потока и определить расположение и размеры этих аномалий. В мюонографическом эксперименте сравнивается степень поглощения атмосферных мюонов разными областями изучаемого объекта, которые могут содержать неоднородности с плотностью, отличающейся от плотности его основной массы. Число мюонов, прошедших сквозь объект, зависит от свойств материала и длины пути мюона в нем. Когда на пути потока частиц встречается область вещества другой плотности, интенсивность поглощения потока мюонов в данном направлении изменяется, что может быть зафиксировано с помощью детекторов.

Возможность использования космического излучения для «просвечивания» крупных наземных и подземных объектов определяется физическими свойствами релятивистских мюонов, которые, обладая энергией порядка сотен ТэВ и выше, не только преодолевают до распада расстояния, сравнимые с земной атмосферой, но и обладают способностью проникать в скальный грунт на глубину до 2 км. Проходя через вещество, потоки мюонов ослабляются за счет потерь энергии главным образом на ионизацию. Когда на пути потока частиц встречается более или менее крупное инородное включение, интенсивность взаимодействий меняется, что приводит к изменению степени поглощения потока мюонов в данном направлении. На этом основан метод мюонографии. Фиксируя различие потоков атмосферных мюонов, проходящих через объект с разных направлений, этот метод позволяет локализовать «скрытые» области с инородным составом, выявляя тем самым области повышенной или пониженной плотности внутри объекта. Детекторы, позволяющие определять направление траекторий зондирующих частиц, устанавливаются сбоку или ниже уровня исследуемой зоны. Особенности экспериментальных угловых распределений зарегистрированных мюонов позволяют судить о наличии внутри объекта зон, отличающихся по плотности от основного материала.

В основе мюонографического эксперимента лежит поиск скрытых областей, сформированных материалами, плотность которых отличается от плотности основной среды, причём чем выше эта разность, тем эффективнее мюонографический эксперимент. Минимальное отличие плотности, при которой возможно обнаружение включения, составляет 5 % [4]. Чтобы зарегистрировать аномалию плотности, нужно получить статистически значимое различие в количестве мюонов, прошедших через основной материал и через эту аномалию. Статистическая значимость в эмульсионной мюонографии достигается комплексным анализом, обеспечивающим высокое отношение «сигнал/шум». В рамках поставленной задачи (разность плотности, размер исследуемого объекта, расстояние от детектора до объекта и т.п.) для каждого отдельного эксперимента и условий экспозиции для получения статистически обеспеченных данных производится оценка длительности экспозиции и площади эмульсионных детекторов.

Метод может быть использован:

Необходимо отметить, что использование метода мюонографии дает реальную возможность предотвратить возникновение чрезвычайных ситуаций или минимизировать их последствия для населения, инфраструктуры и окружающей среды.

Особый интерес представляет применение метода мюонографии для решения задач геологоразведки и геоэкологического мониторинга.

Конкурирующими методами в практической геологии являются подземная гравиразведка и радиоволновое просвечивание [5]. Основной принцип, используемый в традиционных методах зондирования, – измерение разницы в физических свойствах. Несмотря на успехи традиционных геофизических методов их применение сопряжено с существенными проблемами, некоторые из которых перечислены ниже. Гравиразведка основана на различиях значений гравитационного эффекта, возникающего в зависимости от распределения масс. При подземной гравиразведке появляется неопределенность, связанная с тем, что на точках подземного профиля регистрируется суммарный гравитационный эффект от выше- и нижележащих масс, и возникает проблема его разделения. Существующие способы решения этой задачи базируются на предположении, что известно распределение масс над профилем наблюдения, однако это возможно лишь при условии знания плотности горных пород и неоднородностей, их мощности и расстояния до точки наблюдения. В ряде случаев эти величины бывают известны недостаточно точно, что приводит к ошибкам в интерпретации получаемых данных. Глубинность гравиразведки сравнима с возможностями мюонографии и может достигать 1,5–2,5 км, однако чем глубже залегает тот или иной гравитирующий объект, тем более широкую и расплывчатую гравитационную аномалию создает он на земной поверхности. Погрешность определения положения инородных включений невелика и составляет в благоприятных условиях 20–30 % [5].

Метод радиоволнового просвечивания основан на различиях в поглощении радиоволн горными породами и может применяться для поиска и оконтуривания рудных тел. Однако этот метод не может дать информацию о таких параметрах, как плотность горных пород или распределение их масс. Более того, для проведения работ методом радиоволнового просвечивания требуется искусственный источник электромагнитного излучения, что закономерно усложняет и удорожает производство работ. Этот метод требует для своего осуществления не менее двух выработок или скважин. При этом применяемая аппаратура обладает сравнительно небольшой дальностью действия, особенно в низкоомных породах, где уже на расстоянии 100–120 м радиоволны почти полностью затухают. В отличие от радиоволнового просвечивания, глубинность метода мюонографии может достигать 2 км, где могут регистрироваться потоки космических мюонов, хотя при этом время экспозиции для получения статистически значимых результатов достигает 6–7 мес.

Точность определения пространственных вариаций плотности традиционными геологическими методами составляет не более нескольких сотен метров в оптимальных условиях получения данных, что не позволяет изучать определённые локальные структуры, относящиеся, в частности, к геофизическим и литологическим аномалиям. Так, пространственное разрешение сейсмологических изображений ограничено длиной сейсмических волн (>1 км). В мюонографии «помехи» в виде интерференции сигналов от разных частей объекта отсутствуют, т.к. высокоэнергичные мюоны двигаются в веществе по почти прямолинейным траекториям.

Для описания процесса прохождения мюонов через сложные объекты применяется алгоритм, представленный в работе [6], согласно которому создается пространственная модель объекта с указанием местоположения детектора и связанной с ним системы координат. Программа разработана на языке C++ в среде программирования Visual C++ 2020. Результаты её работы с использованием линий уровня объекта представлены ниже. От начальной точки проводятся условные лучи, пересекающие объект и моделирующие траекторию движения мюонов, направление которых определяется азимутальным углом φ и зенитным углом θ. Затем находятся точки пересечения этих лучей с границами отдельных компонентов объекта и рассчитываются длины путей мюонов внутри каждого компонента с учетом характеристик материалов, их составляющих. Первоначальный поток мюонов уменьшается по мере прохождения через слои материала из-за поглощения менее энергичных частиц. Учитывая путь мюона в материале и его энергетический спектр, можно оценить степень уменьшения потока. Таким образом рассчитывается итоговый поток мюонов, который будет зарегистрирован детектором. В процессе моделирования учитываются следующие параметры: форма энергетического спектра вертикального потока мюонов [7], зависимость интенсивности мюонного потока от зенитного угла θ, представленная в форме F(θ) = cos2 θ, и ионизирующая способность мюонов в различных материалах, взятая из источника [8]. Предполагается, что начальный поток не зависит от азимута, то есть F(φ) = const.

Чувствительность метода (точность восстановления размеров неоднородности) зависит от расстояния L, проходимого мюонами в веществе до падения на детектор, и площади детектора D. Например, для грунта плотностью 2,3 г/см3 чувствительность метода составляет 5 % для L = 50 м, D = 1 м или L = 100 м, D = 3 м [6].

В ряду преимуществ метода мюонографии можно отметить отсутствие необходимости использования искусственных источников излучения и нарушения целостности объекта, отсутствие требований к инфраструктуре (в частности, наличия электрических сетей) и оперативного контроля за ходом эксперимента в течение всей экспозиции.

В течение последних десятилетий метод мюонографии активно развивается по всему миру. Современные возможности мюонографии в приложении к геофизическим проблемам представлены, в частности, в обзоре [2], где показано, что последовательное построение карт плотности позволяет изучать динамику вулканической деятельности и осуществлять её мониторинг. Так, целью мюонографического исследования действующего вулкана Везувий (эксперимент MURAVES [9]) является анализ возможных сценариев извержения вулкана, имеющего богатую историю катастрофических извержений в районе с высокой плотностью населения. Эксперимент проводится с помощью установки на основе сцинтилляционных трекеров, располагающейся на склоне вулкана примерно на 1,5 км ниже вершины, что позволяет наблюдать за изменениями во внутреннем строении вершинного кратера.

Один из возможных сценариев применения мюонографии в гляциологии описан в статье [10]. Целью планируемого эксперимента является получение информации о глубине раздела между коренной породой и льдом. В качестве измерительного оборудования для определения толщины ледника предлагается использовать электронный мюонный томограф на основе сцинтилляционных волокон, позволяющий получать и обрабатывать данные в режиме реального времени. Эксперимент позволит исследовать сезонное поведение и тенденции таяния ледников. В настоящее время эксперимент находится на стадии апробации прототипа детектора в полевых условиях.

Реализации мюонографических проектов в геологоразведке посвящена работа [11], где обобщаются последние разработки и приводятся результаты полевых исследований, проведенных в нескольких странах. В качестве измерительного оборудования используются пропорциональные камеры, которые позволяют достичь углового разрешения 0,5–1° (для сравнения, угловое разрешение ядерно-эмульсионных детекторов составляет 1–2 мрад). Один из этих экспериментов проводился в сложных условиях действующего медного рудника (Любин, Польша), где температура превышает +35 °C, а влажность составляет 100 %. Во время первого сеанса исследований эти сложные условия привели к сбоям работы системы после нескольких недель эксплуатации. Для решения проблемы потребовалось радикальное усовершенствование оборудования, позволившее продлить период бесперебойной работы до года. В результате были измерены значения средней плотности окружающей породы, представленные на рис. 1 в полярных координатах для двух точек измерения на глубинах 560 и 660 м относительно поверхности.

Рис. 1. Значения средней плотности горных пород, измеренные в эксперименте [11] для двух точек измерения. Контурные линии показывают расстояния от детектора до поверхности. Средние значения плотности, рассчитанные по данным бурения керна, составляют 2,2–2,3 г/см3 в зависимости от различных направлений

Ещё одним объектом исследований данной экспериментальной группы является открытый карьер в г. Ассареле (Болгария). Цель эксперимента – найти зону разлома между вмещающей гранитоидной породой и вулканической интрузией. Наличие дренажного туннеля, доступного для проведения мюонографических измерений, позволило установить детекторы на двух уровнях наблюдения – на поверхности и под землёй. Задача усложняется тем, что шахта находится в непрерывном режиме эксплуатации, и картина в поле зрения детекторов регулярно меняется по мере того, как в шахте образуются новые уровни добычи. В настоящее время разрабатывается технология мюонографического мониторинга постоянно меняющейся поверхности.

Диапазон исследований методом мюонографии стремительно растёт, переходя от области научных исследований в область технологических инноваций. Начиная с 2000-х годов многочисленные коммерческие организации во всём мире применяют метод мюонографии для целей геологоразведки, строительства и ядерной безопасности. В числе наиболее крупных компаний Geoptic Ltd, Великобритания (анализ плотности подповерхностных структур); Ideon Tech Inc., Канада; Lingacom, Израиль (добыча полезных ископаемых, оконтуривание рудных тел, строительство и др.); MUODIM, Франция (внутреннее состояние доменных печей); Muon Solutions, Финляндия (геологоразведка, изучение затопленных шахт, проверка грузов); Muon Systems, Испания (контроль состояния доменных печей и промышленных сооружений); Muon Vision, США (поиск полезных ископаемых) и многие другие.

Однако мюонография также обладает рядом ограничений. Как отмечено в работе [2], метод мюонографической визуализации ограничен расстоянием в 2–3 км, которое могут проходить мюоны для их регистрации на статистически значимом уровне, и применим только к приповерхностным глубинам, расположенным над мюонным детектором, что связано с поглощением потоков мюонов в грунте и с тем фактом, что потоки атмосферных мюонов поступают исключительно из верхней полусферы, в результате чего измеряется только горизонтально интегрированная плотность над детектором с временным разрешением, превышающим несколько недель. Помимо этого, возможности метода сильно зависят от особенностей местной топографии. Недостатки обоих методов могут быть компенсированы путем объединения мюонографических данных с данными, полученными с помощью геофизических методов. Экспериментально подтверждены возможности совместного применения мюонографии и гравиметрии [12–14], сейсмотомографии [15] и спутникового интерферометрического радара с синтезированной апертурой [16]. Сочетание этих методов обеспечивает более надежную и наглядную интерпретацию сигналов мониторинга.

В России в настоящее время мюонография является новаторской методикой и находится на стадии проведения первых крупных экспериментов. Возрастает интерес к мюонографическим исследованиям на основе ядерно-эмульсионных детекторов, обусловленный в том числе развитием производства высококачественной отечественной фотографической ядерной эмульсии, созданием современного сканирующего оборудования и компьютерных систем для анализа больших массивов данных.

Ниже даётся описание существующих и потенциальных объектов мюонографического исследования, представляющих интерес для геологических изысканий и анализа рисков для промышленных объектов и инфраструктуры. Обсуждаются особенности постановки экспериментов с использованием ядерно-эмульсионных детекторов. Целью представленной работы является оценка применимости метода мюонографии для решения задач структурной геологии, поисковой геофизики и геоэкологического мониторинга, основанная на обобщении многолетнего опыта авторов в проведении мюонографических экспериментов с применением ядерно-эмульсионных детекторов.

При подготовке исследований методом мюонографии требуется проверка ряда условий и проведение комплекса подготовительных работ, в числе которых сбор данных об объекте. Эта информация включает географические, геологические и геофизические данные, включая топографические, гидрогеологические, метеорологические и др., а также сведения о существующей инфраструктуре в районе проведения эксперимента.

Геологические данные включают сведения о составе, местоположении и распределении горных пород в исследуемой области и необходимы для интерпретации данных, полученных в мюонографическом эксперименте. Наличие неоднородностей плотности внутри изучаемого объекта определяется сравнением распределений, полученных в эксперименте, с распределениями, ожидаемыми на основе известных геологических данных и полученными путём моделирования. Отличие полученных угловых распределений от ожидаемых является сигналом о наличии скрытых аномалий внутри объекта.

Топографические данные необходимы для того, чтобы учесть толщину пород, преодолеваемых мюонами. Информация о толщине материала, сквозь который мюоны проходят от атмосферы до детектора, может быть получена, например, с использованием расчётных высотных профилей. Эти распределения используются как при планировании эксперимента, так и при интерпретации его результатов. Так, при мюонографических исследованиях в горах окружающие горные массивы могут ослабить потоки мюонов, падающие на объект исследования, до уровня, когда необходимый сигнал не может быть получен. Также топография объекта необходима для определения оптимального положения детекторов на объекте. Детекторы устанавливаются таким образом, чтобы получить необходимый угол обзора при достаточной интенсивности мюонных потоков. Для оценки геометрических размеров исследуемых неоднородностей детекторы располагаются с нескольких сторон вокруг объекта. Аномалия считается обнаруженной, если зарегистрирована более чем одним детектором.

Метеорологические требования обусловлены возможностями применения фотографической ядерной эмульсии, которая сохраняет свои технические свойства только в температурном диапазоне ±30 °C.

Стандартная последовательность действий при мюонографических исследованиях такова:

1) Планирование эксперимента на основе поставленных задач и имеющихся данных об особенностях местности. Определяются необходимое количество детекторов, их размеры, места установки и длительность экспозиции на объекте, основанная на анализе потоков падающих мюонов с учётом высоты над уровнем моря. Проводится оценка возможного влияния окружающих строений и ландшафта на потоки мюонов.

2) Численное моделирование количественных характеристик потоков мюонов, ожидаемых в поле зрения детектора после их прохождения через объект исследования, с учётом особенностей эксперимента. Расчёты осуществляются в предположении, что объект не содержит аномалий плотности.

3) Подготовка измерительного оборудования (в данном случае – ядерно-эмульсионных детекторов) и его экспозиция на объекте согласно разработанной схеме эксперимента.

4) Обработка и анализ экспериментальных данных.

5) Сравнение полученных экспериментальных распределений с модельными расчётами; локализация аномальных зон внутри объекта на основе этого сравнения.

6) Построение и визуализация 3D-модели внутренней структуры объекта по результатам мюонографического эксперимента.

В наших экспериментах при установке детекторов на экспозицию создаётся система привязки детекторов к ориентирам на местности и друг к другу с использованием современных геодезических методов и лидарной съёмки, позволяющих определить положение детекторов с сантиметровой точностью. Поскольку детекторы располагаются сбоку и/или ниже объекта, используется в основном окологоризонтальная составляющая мюонного излучения. Углы обзора установленных на объекте детекторов пересекаются таким образом, чтобы восстановить трехмерную картину скрытых неоднородностей плотности. Иногда для оптимального расположения детекторов по отношению к зоне исследования (ниже уровня объекта) и возможным окружающим препятствиям возникает необходимость использования имеющихся или бурения новых скважин. Достоверность применяемой методики в каждом эксперименте подтверждается путём распознавания визуально наблюдаемых объектов, например, архитектурных элементов и зданий. Верификация авторских экспериментальных результатов проводится путем сопоставления наблюдаемых локальных неоднородностей на распределениях потоков мюонов с визуально проверяемыми элементами объекта, находящимися в поле зрения детекторов. За последнее десятилетие авторы выполнили серию успешных мюонографических экспериментов с использованием ядерно-эмульсионных детекторов [4, 17, 18].

В мировой практике в мюонографических экспериментах для регистрации зондирующих частиц используют либо электронные [19–21], либо применяемые авторами эмульсионные детекторы [22–24]. Эмульсионный детектор – это сборка из ядерно-эмульсионных плёнок, упакованных под вакуумом в свето- и водонепроницаемые пакеты и закреплённых на вертикальной или горизонтальной раме (рис. 2, а). Такое крепление слоёв ядерной эмульсии обеспечивает их минимальное смещение в детекторе относительно друг друга и, как следствие, высокоточную координатную привязку треков. Упаковка каждой плёнки в защитный конверт (рис. 2, б) осуществляется до начала эксперимента и позволяет сохранить технические свойства эмульсии в течение нескольких месяцев на объекте даже при неблагоприятных погодных условиях. Эти детекторы в период экспозиции полностью автономны, не требуют источников питания и оперативного контроля за ходом эксперимента, например, с помощью электронных считывающих систем.

Рис. 2. Сборка ядерно-эмульсионного детектора для мюонографического эксперимента: а – собранные слои эмульсии закреплены на монтажной раме (со снятой внешней крышкой); б – слои ядерной эмульсии в вакуумной упаковке из светонепроницаемых алюминиевых пакетов с маркировкой; красный кружок обозначает «лицевую» сторону детектора

Каждая плёнка представляет собой тонкую пластиковую основу толщиной 50 мкм и площадью 100 × 125 мм2, покрытую с обеих сторон слоем фотографической ядерной эмульсии (двухсторонняя ядерная эмульсия). Фотографическая ядерная эмульсия содержит высококонцентрированную взвесь кристаллов бромида серебра (AgBr), распределённых в желатиновой среде. При прохождении заряженной частицы через слой ядерной эмульсии кристаллы AgBr, расположенные вдоль траектории частицы, переходят в возбуждённое состояние и формируют скрытое изображение трека. Активированное состояние кристаллов сохраняется вплоть до химической обработки эмульсии, в результате которой проявленные зёрна серебра становятся видимыми, формируя трек частицы. Чувствительность фотографической ядерной эмульсии российского производства составляет 25–30 зерен на 100 мкм длины трека минимально ионизирующей однозарядной частицы, угловое разрешение 1–2 мрад, пространственное разрешение 2–3 мкм. Эффективность регистрации треков мюонов в ядерной эмульсии составляет 85–90 %. Производство и химическая проявка российской ядерной эмульсии обеспечивается АО Компания «Славич».

Микрометрическое объёмное изображение трека реконструируется под оптическим микроскопом с помощью серии томографических снимков на разных глубинах проявленной эмульсии (рис. 3). Отклонение зёрен от восстановленной траектории частицы, которое дает эмульсия при размере зерна 0,3–1 мкм, не превышает 0,8 мкм, а при определенных условиях может составлять 0,2 мкм.

Рис. 3. Изображение треков заряженных релятивистских частиц в ядерной эмульсии

Ниже приводятся некоторые параметры проведения мониторинга крупного промышленного или природного объекта методом мюонографии с помощью эмульсионных детекторов:

Интегральные трековые детекторы, к которым относится фотографическая ядерная эмульсия, накапливают информацию о треках частиц в течение всего времени экспозиции. Эта особенность является существенным преимуществом при малых потоках регистрируемых частиц, однако приводит к значительным трудовым затратам при обработке и анализе данных. Новые возможности технологии трековых детекторов связаны с достижениями в области программируемых сканирующих систем, обеспечивающих высокую эффективность и скорость обработки данных.

При обработке ядерных эмульсий современные сканирующие микроскопы позволяют в режиме реального времени прослеживать треки зарегистрированных частиц в объёме детектора, измерять импульсы частиц (по кулоновскому рассеянию), их скорости и заряды (по ионизирующей способности), проводить поиск и идентификацию точек взаимодействия и распада. Современная измерительная аппаратура обеспечивает сканирование двухсторонних эмульсионных пленок с высокой скоростью, что имеет принципиальное значение для мюонографических экспериментов с большим объёмом данных.

Авторы осуществляют сканирование ядерно-эмульсионных плёнок на измерительном комплексе ПАВИКОМ (Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс), который используется для решения задач, связанных с высокоскоростным информационным обеспечением анализа объёмных и поверхностных дефектов кристаллической решетки и разрушения материалов на наноструктурном уровне, и успешно используется для обработки данных не только эмульсионных, но и других твердотельных трековых детекторов (пластиков, стёкол, минералов) [25]. Установки комплекса обладают возможностью безостановочного сканирования и обработки изображений в режиме реального времени, быстрой адаптации к экспериментальной задаче, работы в многопроцессорных системах и участия в распределенных вычислениях. Скорость сканирования эмульсионных плёнок на ПАВИКОМ в настоящее время достигает 190 см2/ч.

Показания одного мюонографического детектора указывают направление на предполагаемую особенность, однако не позволяют определить расстояние между ней и детектором. Чтобы оценить положение особенности в пространстве, необходимо объединить показания нескольких детекторов, установленных в разных точках вокруг объекта, углы обзора которых пересекались бы таким образом, чтобы восстановить трехмерную картину неоднородностей плотности. Суть аналитического метода, подробно описанного в работе [17], заключается в поиске локальных экстремумов угловых распределений треков, соответствующих особенностям плотности в выделенном направлении, и пересечений этих экстремумов, зарегистрированных несколькими детекторами, установленными в разных точках и направленными на изучаемую область.

Направления траекторий мюонов характеризуются углами θ и φ – угловой частью сферических координат с вертикальной осью, направленной перпендикулярно к поверхности земли. Угловые распределения зарегистрированных потоков описываются функцией зависимости количества мюонов от направления треков F(θ, φ), полученной в некотором телесном угле. Для каждого детектора в системе координат, связанной с поверхностью, строятся угловые распределения зарегистрированных треков и определяется количество треков в элементе телесного угла dφdθ. При переборе всех возможных направлений по θ и φ определяются положения локальных экстремумов по количеству зарегистрированных частиц в элементе dφdθ последовательно по φ для каждого заданного θ.

Исследуемое пространство условно разбивается на элементы объёма – кубики со стороной например 0,5 м (величина зависит от условий конкретного эксперимента и определяет точность эксперимента). В случае обнаружения локального экстремума углового распределения мюонов в интервале направлений (φ, φ + Δφ) и (θ, θ+Δθ) соответствующие этому направлению от данного детектора элементы объёма наносятся на карту экстремумов. Экстремумы считаются статистически достоверными только в случае, если количества мюонов в сравниваемых бинах (Δφ; Δθ) различаются за пределами погрешности . Учитываются только такие экстремумы, в которых количество мюонов как в самом бине/бинах, составляющих минимум/максимум, так и в соседних бинах, больше нуля.

Результатом этого этапа обработки является построение функции G(X, Y, Z) с интервалом по каждой пространственной переменной 0,5 м, позволяющее обнаружить пересечение локальных экстремумов от разных детекторов. Если элемент объёма с координатами X, Y, Z пересекается локальным экстремумом, зарегистрированным только одним детектором, функции G(X, Y, Z) присваивается значение 1; если в элементе объёма пересекаются локальные экстремумы от двух детекторов, то G(X, Y, Z) = 2, и т.д. Наиболее вероятные расположения скрытых аномалий плотности находятся там, где пересекаются локальные экстремумы от наибольшего числа детекторов.

Рис. 4 иллюстрирует алгоритм обработки данных мюонографического эксперимента по изучению подземной части храмового комплекса Свято-Успенского Псково-Печерского монастыря, осуществлённого авторами в 2023 г. [17]. Целью эксперимента был поиск ранее неизвестных скрытых помещений и галерей, связанных с подземной частью монастыря. Показаны результаты обработки 13 ядерно-эмульсионных детекторов, установленных в галереях пещерного храма. Рис. 4, а демонстрирует результаты наложения функции G(X, Y, Z) на карту монастыря на фиксированной глубине Z = 79–80 м относительно уровня Балтийского моря. Аналогичные функции были получены для разных глубин в диапазоне 76–80 м. Синим цветом обозначены направления локальных максимумов, зарегистрированных 1 детектором, оранжевым – 2 детекторами, зелёным – 3 детекторами, красным – 4 детекторами, чёрным – 5 и более детекторами. Разбиения по углам Δφ = 1,5°, Δθ = 1,5°. В результате анализа полученных данных удалось обнаружить скрытые под землёй ранее неизвестные полости пещерного храма, обозначенные на рис. 4, б цветной заливкой. В их числе склеп за иконой на входе в пещерный храм размером 2,5×2,5 м2 (полость 1) и отходящий от него коридор шириной от 1 до 3 м и длиной до 12 м (полость 2); продолжение одной из «улиц» пещерного храма вдоль её основного направления (полость 4); полость той же длины, отходящая от одной из пещер (полость 6), и ещё несколько полостей меньшего размера.

Рис. 4. Результаты обработки данных мюонографического эксперимента по поиску скрытых подземных полостей в храмовом комплексе Свято-Успенского Псково-Печерского монастыря (эксперимент 2023 г., 13 ядерно-эмульсионных детекторов): а – карта пересечений локальных максимумов на фиксированной глубине Z = 79–80 м (график функции G(X, Y, Z)); б – карта наиболее вероятного положения выявленных полостей с указанием высот, построенная по алгоритму пересечения локальных максимумов мюонных потоков, зарегистрированных разными детекторами [17]

Параметры обнаруженных пустот сопоставимы с результатами аналогичных мюонографических исследований на других объектах, например, представленных в работе [26], где протяжённость обнаруженной в пирамиде Хеопса ранее неизвестной полости оценивается как минимум в 30 м при поперечных размерах, сравнимых с размерами других галерей (приблизительно 8,6 м в высоту × от 1 до 2,1 м в ширину).

Мюонография находит свое применение при мониторинге вулканических, сейсмических, карстовых и гляциологических процессов [9, 26, 27], для задач горнодобывающей промышленности [11, 28, 29], а также для изучения внутреннего состояния промышленных объектов (например, объектов нефтегазового комплекса [30–32]). Ниже описаны некоторые предложения авторов по возможному использованию метода мюонографии в научных и прикладных исследованиях.

Наряду с добычей традиционных углеводородов всё более актуальным становится поиск их дополнительных источников, таких как природные битумы и сверхвязкая нефть верхних горизонтов осадочного чехла. Для мелкозалегающих (50–250 м) залежей сверхвязкой нефти наиболее эффективными являются шахтные варианты разработки. Эффективность метода мюонографии как альтернативы традиционным методам геологоразведки была подтверждена авторами при исследовании в 2025 г. скального участка на горе Шандор-Тау, проведённого с целью поиска, локализации и определения геометрических параметров расположенного внутри него слоя битуминозного песчаника [18].

Возможным объектом исследования методом мюонографии могут быть склонные к самовозгоранию углепородные отвалы геологических разработок горных месторождений. Характерной особенностью геологических разработок горных месторождений является удаление больших масс покрывающих и/или вмещающих пород, объёмы которых зачастую превышают объёмы добываемого полезного ископаемого, в основном угля. Отвалы принимают породу от шахт, обогатительных фабрик и угольных предприятий. Особую опасность для окружающей среды представляют горящие отвалы, температура которых на различных глубинах может превышать 80°, причём процесс горения может продолжаться в течение 10 лет и более. Газы, выбрасываемые горящими отвалами, оказывают существенное негативное влияние на экосистему прилегающих районов и являются одной из основных проблем угледобывающих районов.

Очаги возгорания представляют собой полости с повышенной температурой и избыточным содержанием кислорода и углекислоты, т.е. области с измененной плотностью вещества. Эти проблемные области могут быть выявлены методом мюонографии ещё до стадии воспламенения, т.е. до возникновения аварийной ситуации. Исследование пустот во внутренних слоях углепородных отвалов методом мюонографии с помощью эмульсионных детекторов позволит оценить возможную угрозу их самовозгорания и проводить мониторинг с целью последующего точечного воздействия на очаг возгорания.

Вулканы представляют большой интерес для геологических, геохимических и геофизических исследований, включая изучение особенностей их внутренней структуры, состава вулканического материала и стадий вулканической активности, с целью прогнозирования возможных извержений.

Авторами рассматривается проект исследования методом мюонографии жерла вулкана Эбеко (о. Парамушир, Курильские острова), геология которого до настоящего времени слабо изучена. Стратовулкан Эбеко относится к полигенным вулканам, т.е. подвержен многократным извержениям. В активности вулкана Эбеко наблюдается выраженная ритмичность, при которой периоды интенсивных извержений продолжительностью от двух до пяти лет сменяются периодами относительного покоя с преимущественным выбросом газов, длящимися 20–30 лет. За последние 100 лет произошло 5 извержений, последнее из которых продолжалось более 5 лет, с октября 2016 г. по ноябрь 2021 г. Для извержений вулкана характерны периодические кратковременные взрывы умеренной силы, при которых формируются пепловые колонны или шлейфы протяжённостью в несколько километров. При такой частоте и длительности эруптивных событий вулкан Эбеко представляет угрозу для населения, находящегося в непосредственной близости (всего в 6 км) к г. Северо-Курильску, а также для регионального авиасообщения. Вследствие этого вулкан Эбеко является предметом интенсивных научных исследований.

Вулкан Эбеко обладает необычной структурой из трёх соприкасающихся друг с другом кратеров диаметром от 250 до 350 м и глубиной от 70 до 100 м – Северного, Центрального и Южного. Кратеры окружены полукольцевым гребнем диаметром 3–5 км, представляющим собой остатки древнего разрушенного вулкана вокруг более молодого внутреннего вулканического конуса. В северо-восточной части Северного кратера находится активная воронка – эруптивный центр современных извержений. Котловина Центрального кратера занята водами озера Горячее, в Южном имеются отверстия, являющиеся источником горячих газов.

Определение структуры вулкана высокой степени сложности, каким является вулкан Эбеко, традиционными методами требует плотной выборки данных в суровых полевых условиях. На о. Парамушир создана сеть сейсмических станций, предназначенных для фиксации сейсмических волн с целью определения типов подземных толчков, которые могут стать предвестниками грядущего извержения. Несмотря на то что некоторые области вулкана находятся под наблюдением сейсмических станций, процесс извержения несет в себе эффект непредсказуемости. Например, извержение может происходить не из-за нагнетания, а наоборот, из-за потери давления внутри магматической камеры, когда над камерой уменьшается плотность пород, которые охватывают магматический очаг, и постепенно утрачивается возможность сдерживать давление магмы. Такой процесс представляет большую опасность, так как если лава образуется не в кратере, а на склонах вулкана, то под силой тяжести может произойти обрушение купола, вызвав очень крупное извержение. Поэтому для оценки потенциальной активности вулкана необходимо изучение его внутренней структуры и прежде всего магматической камеры.

Исследование вулкана методом мюонографии позволит определить положение магматической камеры и пути питания главного вулканического конуса и, таким образом, предоставит необходимые экспериментальные данные для прогнозирования времени и интенсивности возможных извержений. Определение размеров магматической камеры и степени теплового воздействия на горные породы, а также анализ связанных с ним геотермальных процессов позволят оценить энергетические ресурсы региона. Наблюдение накапливания магмы в камере прямыми методами сложно и опасно. Метод мюонографии позволит получить 3D-изображение особенностей внутренней структуры (в первую очередь жерла вулкана) без прямого контакта с объектом. Мюонографические исследования предоставят данные для построения карты (в угловых координатах) средней плотности горных пород внутри вулкана, позволят определить места скопления магмы (магматические очаги) и зоны, по которым глубинная магма и флюиды способны достичь поверхности.

Многочисленные мюонографические эксперименты по исследованию вулканов, проводимые во Франции, Италии, Японии и других странах, на территории которых имеет место активная вулканическая деятельность [26, 27], показали, что мюонограммы позволяют определить структуру вулкана с более высокой точностью, чем существующие геофизические методы.

Оползни являются одним из самых опасных геологических явлений наряду с извержениями вулканов и землетрясениями и представляют серьёзную угрозу для населённых пунктов и строительных объектов. В основном оползни образуются в горной местности на склонах с крутизной более 15°. Большое влияние на развитие оползневых процессов оказывают геологическое строение и литологический состав пород склона. Наиболее часто оползни проявляются при залегании слоев с падением в сторону склона (оползни Черноморского побережья в районе Сочи) и могут захватывают склон на глубину, достигающую десятков метров. Периодически повторяющиеся сходы оползней, разрушающие здания, коммуникации и дороги, требуют развития научно обоснованных подходов к мониторингу оползневых ареалов. Актуальность темы для Большого Сочи обусловлена наличием многочисленных территорий, подверженных оползневым процессам.

В настоящее время изучение оползневых явлений является в основном прерогативой геологов и геоморфологов [33–35]. В рамках геологического подхода изучаются состав и свойства грунтов в пределах ареала оползневого тела, характеристики подземных вод, условия площадки и возможные геологические процессы. Динамическая геоморфология изучает динамику рельефа в зоне оползня и определяющие её рельефообразующие процессы, рассматривая оползни как динамические системы, которые состоят из разных элементов и обладают сложными структурными связями.

В традиционных геофизических методах изысканий для построения профиля оползня применяют формулы механики грунтов, в которых используются определенные лабораторным путем показатели физико-механических свойств грунтов, слагающих откос. Однако, как отмечается в работе [33], большинство расчетов основано на допущениях, и потому результаты вычислений для одного и того же склона, полученные разными способами, не всегда совпадают. Мюонография может стать надёжным дополнением системы обеспечения геоэкологического мониторинга, объединяющей различные методы измерений и моделирования.

В настоящее время авторами проводится мюонографический эксперимент, объектом которого является участок оползневого склона горы Бытха в Большом Сочи. Объектом исследования является юго-восточный выступ горы Бытха, омываемый с северо-востока рекой Мацеста, а с юга – Чёрным морем (рис. 5) и подверженный оползневым процессам, чему способствует повышенная трещиноватость горных пород верхней части разреза. Трещины снижают прочность массива и способствуют проникновению воды, что увеличивает риск оползней, особенно при искусственных подрезках склонов и в периоды интенсивных осадков. Трещиноватость горных пород облегчает фильтрацию и движение подземных вод, что может приводить к появлению временных водоносных горизонтов, проявляющихся после дождей или таяния снега. Это важно учитывать при проектировании фундаментов и инженерных коммуникаций. Для района Большого Сочи характерна высокая сейсмичность, около 8–9 баллов (последнее землетрясение магнитудой 3,0 с эпицентром на горе Бытха произошло 21 февраля 2026 г.), а зоны трещиноватости могут усиливать негативные эффекты землетрясений, снижая устойчивость пород и увеличивая вероятность разрушений.

Рис. 5. Объект мюонографического эксперимента – оползневой склон горы Бытха (Большой Сочи):а – внешний вид горы Бытха; б – цифровая модель рельефа юго-восточного выступа с известными неотектоническими нарушениями (пунктирные линии красного цвета) и крупными оползневыми структурами (розовые области)

Сочетание слоистой структуры, трещиноватости и переменного увлажнения создаёт предпосылки для развития склоновых процессов. На крутых участках вероятны локальные осыпи и оползневые смещения, особенно в периоды интенсивных осадков. Наличие дисперсных грунтов (суглинков, глин) повышает чувствительность склонов к насыщению водой и приводит к потере устойчивости. Оползневые процессы в районе г. Бытха активизировались из-за строительных работ, что приводит к разрушению инфраструктуры, повреждению дорог и водоводов. Мюонография позволит выявить скрытые пустоты, трещины и зоны ослабления в горных породах, что важно для предотвращения обрушений и обеспечения безопасности жителей и сооружений. Проводимое в настоящее время мюонографическое исследование г. Бытха направлено на изучение скрытых под поверхностью зон трещиноватости с целью выявления участков, подверженных медленному смещению грунтов, разуплотнению пород и другим экзогенным процессам. Мюонографический эксперимент на горе Бытха нацелен на решение следующих конкретных задач:

Уникальность объекта исследования заключается в сочетании естественной геодинамической активности и антропогенных факторов: городская застройка усиливает нагрузку на склоны, а активизация оползней провоцирует каскад вторичных экологических эффектов. Это превращает гору Бытха в модельную площадку для изучения взаимодействия природных и техногенных процессов в горных регионах. Это исследование является элементом долгосрочного мониторинга состояния склонов и предотвращения катастрофических событий. Учет зон трещиноватости необходим для выбора оптимальных площадок под строительство, прокладку дорог, инженерных сетей и других инфраструктурных объектов. Изучение зон трещиноватости г. Бытха критически важно для обеспечения геотехнической безопасности, устойчивого развития социальных агломераций, предотвращения чрезвычайных ситуаций и рационального природопользования в условиях сложной геологической обстановки.

Предварительный выбор мест установки детекторов был произведен по итогам рекогносцировочного обследования территории, выполненного в 2025 г. Помимо возможности просмотра исследуемой зоны, учитывалось наличие подъездов и подходов к местам расположения детекторов (рис. 6).

Рис. 6. Предварительная схема установки детекторов (обозначены квадратами красного цвета с подписью; зелёными ромбами обозначены дополнительные места установки детекторов в случае необходимости)

Уникальность и новизна эксперимента на горе Бытха состоят в том, что он будет проводиться с использованием окологоризонтальных потоков мюонов, что требует новых подходов к его проведению, обработке и анализу данных. Места установки детекторов и выбор их направления выбираются таким образом, чтобы минимизировать поглощение потоков мюонов соседними объектами (горными фрагментами, зданиями), что может существенно исказить сигнал от исследуемого объекта. Для определения оптимальных направлений обзора были построены профили рельефа в окрестности каждого детектора и определены траектории падающих на детектор мюонов с большими зенитными углами, формирующих сигнал.

Анализ прохождения окологоризонтальных потоков мюонов сквозь объект требует точного расчёта прямолинейных траекторий во всех возможных направлениях через каждый детектор. Макет, составленный из изолиний, такой возможности не предоставляет. Для корректного исследования макет изолиний преобразуется в поверхность, заданную на регулярной сетке по X, Y и Z. Процедура реализуется в программном пакете AutoCAD методом линейной интерполяции по нерегулярной сетке (TIN – Triangulated irregular network). Была проведена верификация оцифровки путём построения высотной карты по полученной регулярной сетке. Для корректного перевода и задания именно регулярной сетки в макет с изолиниями была добавлена изолиния 0 м, соответствующая уровню моря. Для оценки длины пути до каждого детектора в каждом из возможных направлений был разработан оригинальный алгоритм, основанный на поиске пересечения прямой, выходящей из детектора под заданными углами в связанной с детектором сферической системе координат, с поверхностью, задаваемой в системе координат объекта регулярной сеткой. В результате работы алгоритма формируется представление, каким образом детектор «видит» объект, то есть, как изменяется длина траекторий мюонов, в зависимости от углов к осям детектора. Исходными данными для работы алгоритма являются описанная выше регулярная сетка, определяющая объект, и таблица с предполагаемыми положениями и направлениями детекторов.

Для примера на рис. 7 показаны профили по оси регистрации мюонов для детекторов 4 и 6. При такой геометрии эксперимента подавляющая часть падающих мюонов будет проходить в материале горы расстояние, превышающее 1 км.

Рис. 7. Профили по оси регистрации мюонов: а – для детектора 4; б – для детектора 6

Моделирование ожидаемого сигнала детекторов для оптимизации постановки эксперимента проведено по алгоритму, описанному в работе [4]. В расчётах использованы общепринятые зависимости плотности потока мюонов от зенитного угла и потерь энергии мюонов в веществе от пройденного пути [7, 36].

Оценка условий эксперимента для получения данных со статистической значимостью за пределами двух статистических ошибок показывает, что для регистрации разности плотности ∆ρ/ρ ~ 10%, достаточной для обнаружения зоны трещиноватости, время экспозиции детекторов на объекте должно составлять около 2 мес, суммарная площадь эмульсионных детекторов ~2,5 м2, а плотность потока мюонов ~103 частиц на детектор.

Для расчёта потоков мюонов, приходящих в детектор по разным направлениям, от его положения на местности проводится вертикальная плоскость, осуществляющая «разрез» горы в направлении, заданном азимутальным углом j. На полученном «разрезе» от положения детектора проводятся линии, проходящие через изучаемый объект под определённым углом q к горизонту (см. рис. 7). Длины участков этих линий L, находящихся внутри горы, задают длины пути мюонов внутри объема горы. Знание материала горы и длины путей мюонов внутри нее позволяет рассчитать поглощение и потоки частиц, которые приходят в детектор.

В табл. 1 приведены результаты расчетов для заданного азимутального угла j и различных зенитных углов q. Приведено расчетное количество мюонов N, приходящих на детектор площадью 10×12,5 см2 в течение двух с половиной месяцев экспозиции (указанное время экспозиции совпадает с эффективным, поскольку для эмульсионных детекторов перерыв в работе не требуется). Энергетический спектр атмосферных мюонов взят из работы [7]. Зависимость минимального значения импульса Pmin от расстояния до детектора L была получена с помощью алгоритма, изложенного в работе [37], с использованием программы Geant4. При расчете числа частиц N детектор предполагался плоским; площади расположенных параллельно детекторов суммировались.

Таблица 1

Ожидаемый поток F и соответствующее ему число N мюонов в детекторе

При этом большая часть мюонов будет проходить не более 800 м в материале горы.

Оценка потоков мюонов, проходящих сквозь гору под большими зенитными углами, показала, что для регистрации 100 мюонов в телесном угле dθ = 1º; dφ = 5º за два месяца экспозиции необходимая площадь детектора составляет от 0,3 до 3 м2, в зависимости от места, в котором будет установлен детектор. Уменьшение времени экспозиции потребует пропорционального увеличения площади детекторов для сохранения статистики.

На сегодняшний день выполнен первый этап мюонографического исследования оползневого склона г. Бытха – планирование эксперимента с учётом особенностей объекта исследования (формы, размеров, окружающей структуры, ожидаемых результатов и т.д.). Следующим этапом является подготовка и установка детекторов на экспозицию, запланированная на лето 2026 г.

В университете «Сириус» и НИТУ МИСИС инициирована разработка методики мюонографического исследования месторождений полезных ископаемых, в частности, определения зон вероятного залегания минеральных ресурсов, местоположения пластов различной мощности и оценки их параметров. Разрабатываются технологии применения метода мюонографии для обнаружения проблемных зон в области эксплуатации нефтегазового оборудования (в частности, исследование состояния грунта под- и околоплощадных объектов), мониторинга систем магистральных трубопроводов, определения деформаций типовых сооружений и др. Нарушения структуры различных крупных объектов, связанных с жизнедеятельностью человека, также могут являться причиной природных и техногенных катастроф. Своевременное обнаружение скрытых проблемных зон даёт возможность предотвратить катастрофическое развитие ситуации и обеспечить безопасность людей и экономию материальных ресурсов. В настоящее время эта принципиальная задача может быть решена исключительно методом мюонографии.

Поскольку стандартных подходов к постановке и обработке мюонографического эксперимента не существует, мюонографический эксперимент представляет собой уникальное исследование. Мюонографические эксперименты, проведённые авторами начиная с 2012 г., продемонстрировали практическую применимость мюонографии на основе эмульсионных детекторов и возможность получения уникальных научных результатов путём последовательного решения методических и аналитических задач. Экспериментальный опыт позволил авторам определить факторы, влияющие на статические и динамические эффекты, и создать алгоритм визуализации внутренней структуры изучаемых объектов. В частности, удалось обнаружить и определить геометрию ранее неизвестных подземных полостей размерами до нескольких десятков метров в границах памятников культурного наследия – Свято-Троицкого Данилова монастыря в г. Переславле-Залесском (Ярославская область), Свято-Успенского Псково-Печерского монастыря (Псковская область) и Спасо-Каменного Преображенского монастыря (Вологодская область).

Коллектив авторов располагает всеми необходимыми возможностями для подготовки методических подходов и технических решений для осуществления метода мюонографии в приложении к исследованию состояния объектов нефтегазовой промышленности. Применимость метода для геологических работ была продемонстрирована в эксперименте по исследованию скального участка горы Шандор-Тау (Республика Татарстан), внутри которого средствами мюонографии было зафиксировано наличие слоя битуминозного песчаника. Планируются новые мюонографические исследования на объектах нефтегазового и горнодобывающего производства. В настоящее время проводится эксперимент по исследованию оползневых процессов на горе Бытха (Краснодарский край) с перспективой построения карт плотностей и границ пород, активных разломов и трещиноватости грунтов.