Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностных волн 13
1.1. История изучения вопроса 13
1.2. Развитие практических методов, основанных на наблюдении поверхностных волн 17
1.2.1. Геофизические и геоинженерные методы 17
1.2.2. Методы решения технических задач 19
1.3. Анализ современного состояния вопроса 20
1.4. Теоретические модели, описывающие взаимодействие поверхностных волн в средах различной структуры 21
1.4.1. Применимость решений теории упругости к исследованию грунтов 22
1.4.2. Постановка задачи распространения упругих волн 25
1.4.3. Изучение связей полей смещения, возникающих в системе волновых уравнений 28
1.4.3.1. Однородное изотропное пространство 28
1.4.3.2. Однородное изотропное полупространство 29
1.4.3.3. Поверхностная волна Рэлея 33
1.4.3.4. Волны в твердом слое на полупространстве 37
1.4.3.5. Поверхностные волны других типов 39
1.4.4. Линейное взаимодействие волн 40
1.4.5. Нелинейное взаимодействие волн 44
1.4.6. Диссипации 46
1.5. Выводы 47
Глава 2. Экспериментальное исследование 48
2.1. Анализ влияния измерительных искажений при регистрации волнового поля 48
2.1.1. Структура измерительной системы 48
2.1.2. Источник поверхностных волн 51
2.1.3. Датчик сейсмических колебаний 53
2.1.4. Влияние среды на измерение волнового поля 55
2.1.5. Контакт датчика и среды 58
2.1.6. Регистратор сейсмических колебаний 60
2.1.7. Оценка и учет суммарного вклада искажений 62
2.2. Условия проведения экспериментальных работ 63
2.2.1. Структура и состав грунтов 63
2.2.2. Схема проведения ЗС-измерений поля поверхностной волны 64
2.3. Оценка идентичности импульсов возбуждения от источника 66
2.4. Влияние кратности воздействия источника на параметры регистрируемой поверхностной волны 67
2.5. Изучение состава наблюдаемых сейсмических волн 71
2.5.1. Сейсмоакустические шумы в исследуемом диапазоне частот 72
2.5.1.1. Природные шумы 73
2.5.1.2. Техногенные шумы 74
2.5.2. Учет влияния акустосейсмического эффекта 76
2.6. Выводы 78
Глава 3. Обработка экспериментальных данных 79
3.1. Порядок применения процедур цифровой обработки данных 79
3.1.1. Спектральное оценивание импульсов волнового поля 80
3.1.1.1. Оконное преобразование Фурье 81
3.1.1.2. Преобразование Вигнера-Вилля 83
3.1.1.3. Вейвлетное преобразование 84
3.1.2. Частотная фильтрация 86
3.1.3. Когерентное накопление 86
3.1.4. Фильтрация по кажущимся скоростям в пространстве f-k 88
3.2. Изучение сигналов поверхностных волн 89
3.2.1. Сейсмограммы поверхностных волн 89
3.2.2. Анализ модового состава 91
3.2.3. Оценка глубины проникновения поверхностных волн 94
3.2.4. Изучение частотно-временной структуры волновых пакетов 96
3.2.5. Поляризационный анализ структуры волнового пакета 98
3.3. Формирование частотного спектра волнового поля 99
3.3.1. Анализ спектров компонент поля поверхностной волны вблизи источника 99
3.3.2. Анализ спектров поля на больших расстояниях от источника 100
3.3.2.1. Область формирования поверхностной волны 101
3.3.2.2. Образование доминантных частот в спектрах компонент поля поверхностной волны 104
3.4. Исследование затухания компонент поля поверхностной волны 105
3.5. Трансформация частотных спектров компонент, наблюдаемая при распространении поверхностной волны 108
3.6. Спектральный анализ сигнала от шага человека 112
3.7. Выводы 115
Глава 4. Численное моделирование физических процессов в поверхностной волне 116
4.1. Построение модели среды с волновым взаимодействием 116
4.1.1. Физическая модель 116
4.1.2. Переход к конечно-разностной модели 117
4.1.3. Результаты моделирования волнового взаимодействия 119
4.2. Моделирование влияния слоистой структуры среды на параметры процессов взаимодействия 122
4.3. Моделирование обнаружения заглубленных объектов 125
4.4. Выводы 128
Глава 5. Практическое использование результатов исследования 129
5.1. Требования к методике сейсмоакустических наблюдений поверхностных волн 130
5.2. Результат применения методических требований при создании системы, основанной на наблюдении поверхностных сейсмических волн 136
5.3. Выводы 139
Заключение 140
Приложение
Литература 145
- Развитие практических методов, основанных на наблюдении поверхностных волн
- Влияние кратности воздействия источника на параметры регистрируемой поверхностной волны
- Образование доминантных частот в спектрах компонент поля поверхностной волны
- Моделирование влияния слоистой структуры среды на параметры процессов взаимодействия
Введение к работе
Актуальность исследования
Сейсмоакустические исследования связаны с использованием физических эффектов, возникающих при возбуждении и распространении импульсов сейсмоакустического поля в слоистых геологических средах с различной структурой пустотного пространства. Изучение эффектов позволяет создавать практические методы получения информации о геологической среде, а также проясняет сущность физических процессов, приводящих к изменению ее состояния.
Значительную часть сейсмоакустических исследований выполняют по технологиям, в которых регистрация волнового поля происходит на поверхности земли или вблизи нее. В таких случаях основной с точки зрения переносимой энергии частью волнового поля являются поверхностные сейсмоакустические волны. Например, поверхностные волны Рэлея составляют более двух третей общей волновой энергии, создаваемой источником. Эти волны образуются при наличии в сплошной среде протяженных границ, и обладают меньшим по сравнению с объемными волнами коэффициентом затухания. Распространяясь вдоль поверхности и проникая на сравнительно небольшую, порядка длины волны, глубину, они несут информацию о физико-механических и, в том числе, скоростных свойствах приповерхностной среды.
Однако интерпретация полученных данных, направленная на получение структурных и стратиграфических характеристик среды, осложнена тем, что на распространение волн сильное влияние оказывают неоднородности и резкие контрасты геофизических свойств, часто наблюдаемые вблизи поверхности. Например, низкоскоростные слои могут действовать как резонаторы или как волноводы, в которых энергия распространяется на большие расстояния с малыми потерями.
С одной стороны это приводит к маскированию вступлений прямых, отраженных или рефрагированных волн, затрудняя структурный анализ среды при проведении сейсмических работ методами МОВ, МПВ, ОГТ, 3D-сейсморазведки, в которых поверхностные волны являются помехами.
С другой стороны сложные интерференционные и дисперсионные процессы, наблюдаемые в реальной среде, увеличивают неоднозначность результатов, получаемых поверхностно-волновыми методами, такими как поверхностно-волновая томография, SASW, MASW.
Определенные трудности возникают уже на стадии оценки качества отдельных сейсмограмм и их пригодности для дальнейшего анализа. Эти трудности усугубляются, если нет возможности провести сопоставление результатов анализа с информацией о среде, полученной на основе других физических принципов.
Анализируя многочисленные работы, посвященные исследованиям поверхностных волн в реальных средах, можно сделать следующие выводы. Сложные эффекты, наблюдаемые в поверхностной волне при ее возбуждении и распространении в среде, требуют глубокого изучения.
Ряд процессов, происходящих в сейсмоакустических поверхностных волнах, может быть обнаружен и объяснен только при использовании трехкомпонентных исследований, охватывающих весь набор возбуждаемых волновых мод и их поляризаций. Это, прежде всего, процессы формирования поверхностной волны, ее спектра, трансформации спектра при ее распространении, обмена энергией между P-, SV- и SH-компонентами волны или взаимодействия компонент.
Поэтому представляется актуальным провести экспериментальное исследование и численное моделирование указанных эффектов, а затем применить полученные результаты для разработки практических методов интерпретации сейсмоакустических данных и сформулировать требования к организации сейсмоакустических систем наблюдения поверхностных волн.
Цель диссертационной работы
Проведение исследования физических процессов, происходящие в поверхностной сейсмоакустической волне при ее распространении в ближней зоне, выделение характерных свойств процессов, позволяющих осуществить разработку практических методов интерпретации поверхностно-волновых сейсмоакустических измерений.
Основные задачи исследования
1. Проведение экспериментальных работ по трехкомпонентной регистрации поверхностной волны в реальной геологической среде.
2. Исследование процессов формирования частотного спектра поверхностной волны и трансформации спектра при ее распространении на основе экспериментальных данных.
3. Построение теоретико-численной модели, описывающей взаимодействие компонент поверхностной волны.
4. Разработка программного обеспечения для численного моделирования, визуализации и анализа экспериментальных и синтетических данных.
Научная новизна работы
1. На основе анализа экспериментальных данных впервые описан физический процесс формирования спектра поверхностной волны, как процесс резонансной передачи энергии источника в энергию формирующейся бегущей волны.
2. В результате обобщения данных многочисленных экспериментов впервые показано, что трансформация частотного спектра поверхностной волны обусловлена наличием взаимного обмена колебательной энергией между компонентами поверхностной волны.
3. С помощью представлений о взаимодействии компонент поверхностной волны впервые установлена и объяснена экспериментально наблюдаемая неравномерность зависимости энергии поверхностной волны от расстояния.
4. Численно исследована и оценена возможность определения параметров слоистой среды, а также обнаружения включений и неоднородностей по пространственной картине трансформации спектра.
Положения, выносимые на защиту
1. Частоты поглощения в спектре излучения совпадают с доминантными частотами в спектре волны для каждой ортогональной компоненты трехкомпонентных исследований.
2. Между ортогональными компонентами поверхностной волны существует взаимодействие в виде обмена колебательной энергией.
3. Доминантная частота и пространственный период интерференционной картины характеризуют взаимодействие компонент и связаны со слоистой структурой и кинематическими свойствами среды.
4. Доминантная частота и пространственный период интерференционной картины поверхностной волны могут быть использованы для определения толщины приповерхностных слоев грунта и создания практического метода обнаружения неоднородностей в грунте.
Практическая значимость диссертации
1. Экспериментально обнаружены и численно исследованы новые дополнительные параметры физических процессов, сопровождающих распространение поверхностной волны.
2. Показана возможность использования новых характеристик поверхностной волны для оценки мощности поверхностного слоя и выделения включений и неоднородностей в геологической среде.
3. Полученные результаты позволяют облегчить и повысить надежность определения слоистой структуры грунта при короткопрофильных наблюдениях.
4. Сформулированы и отработаны требования к методике поверхностно-волновых сейсмоакустических наблюдений при изучении физических процессов в приповерхностных слоях грунта.
5. Учет методических требований позволил создать прецизионную систему освещения поверхностно-волновой обстановки на обширных территориях.
6. Разработано программное обеспечение для численного моделирования, визуализации и анализа экспериментальных и синтетических данных.
Личный вклад автора
Автором выполнены работы по подготовке и проведению экспериментальных исследований, сбору и анализу первичных сейсмоакустических данных. Проведен анализ и интерпретация результатов, построена численная модель и разработано программное обеспечение.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы представлены на межвузовской научно-практической конференции преподавателей, студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука – образование – отрасли народного хозяйства – профессия (потенциал Подмосковья)» Международного университета природы, общества и человека «Дубна», 2009 г.; 17-й научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов Международного университета природы, общества и человека «Дубна», 2010 г.
Результаты исследования применены при разработке программного комплекса для автоматической сейсмоакустической системы наблюдения [Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613735, 19.09.2007].
Публикации
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 6-ти печатных работах [1, 2, 3, 4, 5, 6], в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК [2, 5].
Структура и объем работы
Развитие практических методов, основанных на наблюдении поверхностных волн
Возможность практического использования поверхностных волн для проведения оценки механических свойств пород, составляющих земную кору, была предсказана и изучалась геофизиками, начиная с 50-х годов 20 века. В работах В. Эвинга [74], Дж. Дормана [70], Л. Кнопоффа [81], Г. Аль-Экаби и Р. Херрмана [64] теоретически обоснована зависимость дисперсионных свойств поверхностных волн от строения земной коры.
Началом практического применения методов, использующих поверхностные волны, стали работы, связанные с решением геоинженерных задач нераз-рушающей разведки. В настоящее время поверхностно-волновые методы приобрели самостоятельное значение. Область их применения значительно расширилась за счет возможности решения геофизических задач по исследованию приповерхностных грунтов, геоэкологических задач по наблюдению за сейсмоопасными зонами, структурами эксплуатируемых месторождений, мониторингу техногенных объектов.
Целый класс методов основан на изучении и использовании дисперсионных свойств поверхностных волн. Первые работы в этой области относятся к 1950 году, когда Ван-дер-Полем [105], а затем в 1955 году Р. Джонсом [80] был применен метод постоянной фазы, основанный на поиске одинаковых волновых фаз вдоль профиля наблюдения. Метод получил свое развитие в работах К. Токимацу [104] и М. Мэтьюса [88]. Разработанный в 1984 году С. Назарианом и К. Стоко [91, 101] метод спектрального анализа поверхностных волн (SASW) стал важным шагом в развитии этого направления и был развит в работах К. Строббиа [100] и Дж. Пелтона [94]. Другой метод, связанный с многоканальным анализом поверхностных волн (MASW), предложен К. Парком [93].
Методы поверхностно-волновой томографии предполагают использование данных о скоростях поверхностных волн, измеренных на системе пересекающихся трасс. Такой подход позволяет строить 3-мерные скоростные модели исследуемых грунтов.
Для увеличения изучаемых глубин в работах Т. Б. Яновской [63, 69] предложено использовать длиннопериодные поверхностные волны от землетрясений.
Реализация методов SASW и MASW включает регистрацию вертикальной компоненты рэлеевских волн, построение волновых дисперсионных кривых и применение к ним инверсионных процедур для получения оценки скорости S-волн в среде как функции глубины. Для проведения инверсии применяют всевозможные методы оптимизации соответствующих задаче функционалов, а также прямые подходы, например, метод проб и ошибок.
Несмотря на неоднозначность и вариативность результатов инверсии такие методы имеют большую популярность. Это связано с относительной легкостью и стоимостью их применения, а также с тем, что информация о скоростях S-волн в слоистой среде становится все более важна и востребована для решения как геоинженерных, так и геофизических задач [94].
Огромный интерес к исследованию поверхностных сейсмических волн существует в областях техники, которые связаны с созданием систем, основанных на пассивном наблюдении поверхностных волн различной природы. Такие системы, в частности, позволяют решать задачи по обнаружению и локализации источников поверхностных волн.
Для решения геоэкологических задач по мониторингу сейсмически активных территорий, участков с неустойчивыми грунтами, лавиноопасных зон системы обеспечивают наблюдение за природными источниками сейсмических колебаний [53, 59].
Обнаружение техногенных источников поверхностных волн связано с решением задач по обеспечению экологической и технической безопасности жизнедеятельности человека, организации контролируемых участков территорий.
Создание систем требует всестороннего исследования вопросов сложного распространения поверхностных сейсмических волн в реальных средах. Основные исследования в этой области направлены на изучение конкретных геологических условий, в которых предполагается установка технических систем.
Многие вопросы, связанные с определением слоистости сред, кинематических характеристик сложнопостроенных сред могут быть решены с помощью традиционных методик сейсмической разведки. Однако применение отдельных дополнительных и часто ресурсоемких методик не всегда оправдано.
Важные сведения о физических процессах, происходящих на территории установки технических систем и влияющих на результат их работы, могут быть получены с помощью возможностей, которые имеет сама система. Это касается в первую очередь влияния суточных и сезонных вариаций физических свойств грунтов и воздуха, которые необходимо учитывать. Это касается таюке изучения стационарных и динамических источников природных и техногенных сейсмических вибраций, непрерывное наблюдение за которыми позволит проводить сейсмическое микрорайонирование территорий вокруг установленной системы и использовать полученные сведения для развития технических систем, основанных на наблюдении поверхностных сейсмических волн.
В результате многочисленных теоретических и экспериментальных исследований накоплен большой фактический материал, касающийся распространения поверхностной сейсмической волны в различных геологических средах. Однако при проведении анализа экспериментальных записей поверхностных волн некоторые вопросы остаются нерешенными.
Большие возможности для изучения поверхностных волн возникают при использовании 3-компонентных технологий исследования, которые позволяют наблюдать полное волновое поле, включающее все виды сейсмических волн и их поляризаций.
Ряд процессов, сопровождающих распространение сейсмических и сейс-моакустических поверхностных волн, может быть обнаружен только при проведении 3-компонентных исследований. Это процессы формирования спектра поверхностной волны, трансформации спектра при ее распространении, обмена энергией между компонентами волнового поля или взаимодействия компонент.
Подробному исследованию этих процессов, требующих также теоретического объяснения и оценке возможности применения их свойств для практических целей, посвящена настоящая работа.
Влияние кратности воздействия источника на параметры регистрируемой поверхностной волны
Чтобы оценить глубину повторяемости эксперимента, серия импульсов излучения была продолжена в той же самой точке поверхности. Стоит отметить, что очередное воздействие молота не создавало дополнительного углубления и других видимых деформаций грунта.
Форма каждых 10-и импульсов, зарегистрированных первым датчиком группы, усреднялась, и измерялась максимальная амплитуда. Графики полученных значений показаны на рисунке 24.
Максимальные значения вертикальных и продольных амплитуд волнового пакета непрерывно возрастают по мере воздействия источника на грунт и достигают предельного уровня. Вертикальные амплитуды к концу серии в 500 импульсов увеличиваются почти в 3 раза, продольные — почти в 2.7 раза.
Значения максимальных амплитуд поперечной компоненты также быстро возрастают почти в 1.7 раза. Но к 150-му импульсу амплитуды начинают спадать, стабилизируясь вокруг уровня 1.4.
Полученные результаты, очевидно, связаны с эффектом утрамбовки грунта в области действия источника. Уплотнение грунта, создаваемое постепенно, приводит к значительному улучшению контакта источника и среды. Столь медленная утрамбовка соответствует результатам исследований, посвященных оценке эффективности воздействия сейсмических вибрационных источников [1] на реальные грунты, а также данным геоинженерных методик по подготовке дорог и насыпей [17].
С другой стороны, существует возможность переупаковки частиц грунта в области вокруг источника за счет бегущих волн и релаксации вызванных ими вертикальных смещений волнами тяжести. В обработанном таким образом грунте будут постепенно уменьшаться диссипативные явления, и он станет более прозрачным акустически. ЗС-датчик расположен на расстоянии 1 м от источника, что достаточно близко, и это позволяет предположить влияние переупаковки и в месте контакта датчика.
Отличающееся поведение графика амплитуд Т-компоненты требует дополнительного исследования. Показания Т-компоненты датчика соответствуют прохождению прямых и отраженных горизонтально-поляризованных сдвиговых волн и поверхностных волн, напоминающих волны Лява. Известно, что слабо уплотненные и неэластичные грунты сильно поглощают S-волны [90]. Воспользовавшись этими сведениями, можно предположить, что одновременно с уплотнением грунта под источником происходит разуплотнение среды вокруг него. Это может происходить в силу "подбрасывания" и "выпирания" грунта из-под штампа источника.
Стоит отметить, что резкие флуктуации амплитуд на графиках соответствуют неравномерности излучения, создаваемого ручным молотом. В связи с этим были изучены сглаженные значения амплитуд. Флуктуации можно выделить по их корреляции на графиках всех компонент. Однако величина флуктуации, наблюдаемая для амплитуд Т-компоненты в области вокруг максимума, более чем в 2 раза превышает флуктуации других компонент.
Таким образом, неравномерность источника должна более всего сказываться на амплитудах горизонтальных поперечных волн, например, волн Лява.
По мере воздействия источника меняются не только амплитуды, но и форма волновых пакетов. На рисунке 25 показаны совмещенные нормированные графики 50 импульсов (каждого 10-го из 500) для наглядного представления динамики происходящих изменений. Черным цветом выделено 12 графиков, соответствующих первым 120 воздействиям источника.
Изменение формы импульса от источника касается, в основном, пропорционального снижения амплитуд начиная с 3-го экстремума. Несмотря на происходящее последовательное уплотнение грунта, изменение формы также характеризуется снижением добротности колебаний Q на главных частотах.
Обнаруженное изменение импульса воздействия, возникающее при периодическом нагружении в течение продолжительного отрезка времени позволяет сделать следующие выводы.
Длительное излучение сейсмических сигналов импульсным источником ударного типа приводит к существенным изменениям 1. амплитуд излучаемых поверхностных волн; 2. относительного состава вертикально- и горизонтально-поляризованных поверхностных волн; 3. формы волновых пакетов и, следовательно, их частотных и фазовых спектров; Описанные изменения происходят плавно (без скачков) и непрерывно во времени.
Изменения не стабилизировались в течение 500 импульсов излучения. Поэтому в случаях, когда требуется длительное излучение со стабильными характеристиками, необходимо дождаться окончания "приработки" излучателя, что может занять продолжительное время.
В результате действия на поверхность грунта источника ударного типа одновременно создается целый ряд сейсмических волн разных типов. Это объемные волны, которые можно подразделить на прямые, отраженные, преломленные, рефрагированные, рассеянные, каналовые и воздушные, а также поверхностные волны разных мод, в том числе поверхностные волны, вызванные акустосеймическим эффектом (рисунок 26).
Образование доминантных частот в спектрах компонент поля поверхностной волны
При дальнейшем пробеге (х - 2СН-50 м) волновые пакеты уже не претерпевают столь существенных изменений (рисунок 39). Состав каждой из компонент изменяется в основном за счет дисперсии, пространственного и геометрического затухания. Наибольшая спектральная плотность остается сосредоточенной вокруг главных резонансных частот независимо от расстояния. Наличие слабо затухающей спектральной части, которая в основном определяет вид поля на больших расстояниях, указывает на существование волноводного эффекта [10].
Помимо основного максимума в спектрах всех компонент волны наблюдается еще один выраженный максимум в окрестности / = 15(HI60 Гц, которому также соответствует провал, вызванный поглощением энергии в спектрах вблизи источника.
Частоты, вокруг которых концентрируется спектральная плотность энергии волны, называют доминантными.
Значение доминантной частоты fd, по данным работы [6], определяется не столько энергией и частотным спектром источника, сколько толщиной верх него слоя h. Т. о. преобразование энергии источника в энергию волны происходит в виде резонансного процесса, определяемого свойствами грунта.
Изменение сейсмического спектра вдоль пути распространения волны отмечено также в работе [46]. Однако предполагается, что спектр волны меняется в процессе пробега по массиву грунта именно за счет приобретения новых дополнительных частот, которые со временем начинают преобладать в спектре.
Отмеченные резонансные процессы связаны с локальной структурой грунта, а именно, с толщиной верхнего слоя (так называемый стратификационный резонанс [46]). Это подтверждается и данными работы [49], где показано, что видимый период волны Лява характеризует толщину верхнего слоя грунта. Таким образом, обнаружение особенностей спектрального состава в совокупности со знанием кинематических характеристик поверхностных волн приводят к возможности изучения геологического строения грунтов, в частности, в инженерных целях.
Для проведения динамического анализа переходных резонансных процессов рассмотрим зависимость энергии волны от расстояния.
При проведении эксперимента наблюдали вертикальную (V), поперечную (Т) и продольную (R) компоненты поверхностной волны. Компоненты ортогональны, и каждая из них несет в себе информацию о переходном колебательном процессе, развивающемся в соответствующем направлении. Не задавая априори конкретной поляризованной волновой модели (Релея, Лява и т. д.), остановимся на изучении поведения компонент в отдельности.
Энергия волны не является наблюдаемой величиной, и ее вычисляют на основании экспериментальных данных. В частотном представлении формула для вычисления энергии имеет вид [6]
Графики зависимости энергии (42) от расстояния, полученные по нашим экспериментальным данным для каждой компоненты, показаны на рисунке 40.
Все три кривые демонстрируют затухание компонент поля поверхностной волны. Видна общая тенденция уменьшения значений энергии, соответствующая геометрическому расхождению цилиндрического волнового фронта, которая более точно описывается феноменологическими выражениями, учитывающими неравномерность геометрического расхождения и повышенный уровень диссипаций в реальной среде где Е0 - энергия в точке излучения, а - поправка к степени геометрического затухания, Р - коэффициент пространственного затухания.
Одновременно каждая кривая содержит явные локальные максимумы, превышающие уровень допустимой ошибки измерений. В частности, на графике вертикальной компоненты видны два максимума при х = 4 и 7 м. Н графике поперечной - три максимума при х= 4, 6 и 8 м. Относительный максимум у продольной компоненты наблюдается при х = 5 м.
Картина показывает эффект локального увеличения энергии при распространении волны. Для объяснения причин возникновения этого эффекта проще всего сослаться на неоднородность и нелинейные свойства грунта. Однако стоит отметить, что наблюдения проведены на территории с горизонтально однородным грунтом.
В геофизических исследованиях, по данным которых наблюдается эффект локального увеличения волновой энергии, обычно регистрируют показания вертикально направленных сейсмодатчиков. В качестве энергии волн используют скалярную величину, квадратичную по наблюдаемым амплитудам колебаний. Получаемая таким образом экспериментальная зависимость энергии от расстояния имеет аномальные всплески (как, например, на рисунке 41), что не соответствует классическому виду затухания [4, 10, 46].
Моделирование влияния слоистой структуры среды на параметры процессов взаимодействия
Для оценки влияния слоистой структуры грунта на характер взаимодействия, будем варьировать толщину слоя h, при сохранении других параметров модели. По спектрограмме 5, получим доминантную частоту fd и период пространственной модуляции интерференционной картины Pd на частоте fd. По спектрограмме S2 измерим частоту максимума спектральной плотности в спектре вблизи излучателя /max. Зависимость доминантной частоты от толщины слоя и его кинематических параметров, таких как Vs, отмечают, например, в [46], где приводят ее запись в полученном феноменологически виде В [49] строят подобную зависимость, исходя из принципа конструктивной интерференции. В работе [62] приводят формулу где г - радиус штампа излучателя. Результаты измерений и графики fx(h) и /2(г - К) показаны на рисунке 53. Измеренные значения fd совпадают с зависимостью f Qi), что свидетельствует о соответствии модели и эксперимента. Совпадение же fmax и f2(h) может быть объяснено следующим образом. Внутри слоя волновой фронт от источника сохраняет сферическую форму до достижения нижней границы слоя. Дальнейшее распространение возмущений внутри слоя будет все больше напоминать цилиндрическую волну. Поэтому наличие слоя толщины h эффективно создает сферический (или плоский с присоединенной массой) излучатель радиуса г -h. Это подтверждается тем, что при использовании вертикального излучателя максимум на частоте /тах наблюдается только в спектре вертикальной компоненты 5"2 на расстояниях x h. Судя по рисунку 53 б, значение периода пространственной картины линейно зависит от толщины слоя h (Pd h).
Линейная зависимость от h может возникнуть при взаимодействии волн с линейными годографами, в частности, двух разных мод поверхностных волн рэлеевского типа. Допустим, что в слое распространяются две гармонические волны с волновыми числами кх — 27if/Vl, к2 = 27tf/V2 и скоростями V{, V2 Тогда поведение суммарной волны в приближении одного порядка амплитуд А(х) В(х) будет определяться выражением в котором гармонический коэффициент создаст пространственную амплитудную модуляцию с периодом На рисунке 54 схематически показан процесс формирования пространственного периода и годографы соответствующих волн. Используя формулу (45), получим выражение для периода на доминантной частоте где VX,V2— фазовые скорости двух мод поверхностной волны, Vsl - скорость сдвиговой волны в верхнем слое. Выражение (47) оказывается полезным при анализе сейсмических записей с коротких (длиной до 20 м) профилей наблюдения вблизи источника возбуждения. Сейсмограммы с таких профилей часто не дают возможности выделить нужные фазы волн для определения волновых скоростей. Однако изучение спектрограмм, на которых по пространственной интерференционной картине визуально определяются доминантные частоты и пространственные периоды, позволяет с помощью (47) оценить скоростные параметры среды, а с помощью (45) или (46) — толщины слоев h. Области интерференции согласно формуле (47) имеют размер порядка длины волны. Области такого размера достаточно, чтобы взаимодействие поля V- и R-компонент привело к изменению волновой картины. При сравнении синтетических сейсмограмм в области интерференции наблюдается изменение амплитуды V-компоненты, находящейся в противофазе к изменению амплитуд R компоненты. Т. е. убывание волнового поля V компенсируется возрастанием поля R, и наоборот. Таким образом, основываясь на результатах анализа данных построенной численной модели, подтвердили предположение о том, что стратификационный резонанс в среде может служить механизмом энергетического обмена между наблюдаемыми компонентами поля поверхностной волны.
Рассмотрим часто возникающую на практике задачу картирования крупных неоднородностей и включений, находящихся в грунте. Такие задачи характерны для работ по проектированию и установке сейсмоакустических систем наблюдения поверхностных волн. Неоднородности оказывают значительное влияние на распространение волн Рэлея и Лява, возбуждаемых источниками вибраций на поверхности грунта. Обнаружение неоднородностей позволяет учитывать их вклад в суммарное волновое поле при обработке сигналов поверхностных волн. В изучаемом диапазоне длин волн Як 1 м основной вклад в искажение волновой картины вносят неоднородности, располагающиеся на глубинах до 2 м и имеющие акустически контрастные границы. Эти параметры объединяют целый класс заглубленных объектов в основном техногенного характера: подземные коммуникации, трубы, коллекторы, инженерные сооружения, фундаменты зданий, колодцы, а также природного происхождения: крупные валуны, области рыхлого и неконсолидированного грунта, и т. п. Проведем численное моделирование ситуации, в которой в горизонтально слоистом грунте на глубине hob = 0.5 м находится труба с воздухом размерами 0.3 х 0.3 м. Структура среды прежняя, и ее параметры соответствует таблице 2. Схема численного эксперимента показана на рисунке 55.
