Введение к работе
Актуальность проблемы.
Сейсмическая томография - одно из актуальных направлений современной геофизики, основанное на построении изображений объекта по проекциям сейсмических лучей. Область применения томографии черезвычайно широка и включает в себя как глобальную сейсмологию, так и сейсморазведку. С помощью томографических методов можно изучать строение земной коры, мантии или Земли в целом. В локальных исследованиях томография активно используется для поиска и разведки нефтяных и газовых месторождений, различных рудных тел и т.д. Также сейсмотомо-графия является мощным инструментом в инженерной сейсмпке для решения задач технической и экологической безопасности, где необходимо проведение постоянного контроля за состоянием всевозможных конструкций и прилегающей вмещающей среды.
Существует два основных типа сейсмотомографии - лучевая и дифракционная^ Применение того или иного метода зааисит от априорной информации об исследуемой области. В случаях, когда размеры исследуемого объекта существенно больше длины волны зондирующего сигнала следует применять лучевую томографию. Когда же аффективные размеры неоднородности сравнимы или меньше длины волны необходимо использовать дифракционную томографию. Лучевая томография применяется давно, и имеется множество научных публикаций, посвященных ее развитию. Методы дифракционной томографии не нашли пока широкого практического применения, хотя еще в 1984 году Devaney показал, что для получения достоверных оценок нельзя пренебрегать дифракционными эффектами.
Во многих сейсмических задачах, связанных с эффектами ди-
фракции, исследователи имеют дело с кришшг-волнами (KB), под которыми понимаются интерференционные поверхностные волны, скользящие вдоль вогнутых границ сред. Такими границами могут быть: граница мантия-ядро, поверхности магматических очагов вулканов, шахтных выработок, туннелей метрополитена, обсадных колонн глубоких скважин, подземных хранилищ загрязненных вод, радиактивных отходов. Мониторинг состояния границ перечисленных объектов может быть осуществлен сейсмической томографией на КВ. Актуальность проведения таких исследований не вызывает никакого сомнения. Заметим, что в отечественной и зарубежной печати вопрос использования KB для томографии до сих пор не обсуждался.
Цель работы.
Трудности в практическом использовании процедур дифракционной томографии связаны с необходимостью многократной обработки колоссального объема информации. Для разрешения отой проблемы используются различные ввристические алгоритмы. Целью представленной работы является исследование эффективности и разрешения одного из таких алгоритмов, учитывающего ограниченное число источников и приемников, трансформацию поля упругих волн в цифровую сейсмозапись, неадекватность принимаемой математической модели распространения волн реальным физическим процессам в среде, наличие априорных представлений о возможной структуре исследуемой среды. В рамках работы изучалась разрешающая способность метода по вертикали и горизонтали, устойчивость к шуму, зависимость от количества и взаимного расположения источников и приемников, влияние на результат размеров неоднородностей и их числа.
Предлагаемые в работе значительные упрощения алгоритма
обратного проецирования позволяют перейти к реализации его в задачах сейсмической томографии на крипинг-волнах. Поэтому одной из целей работы являлось построение асимптотических формул для локальных скоростей и декрементов затухания крипинг-волн различного типа и выполнение численных вкслери-ментов на модельном материале.
Основные задачи работы.
1. Построение модификаций алгоритма дифракционной томогра
фии.
2. Проведение численных экспериментов с целью определения
эффективности и разрешающей способности алгоритма.
3. Рассмотрение возможности и особенностей использования
скользящих поверхностных волн в томографических методах.
4. Сравнение скоростных и затухающих характеристик
волн, найденных аналитически с независимыми модельными и полевыми измерениями скоростей, и декрементов затухания волн, полученных другими авторами.
Б. Получение необходимых для томографической инверсии кинематических и динамических поправок за кривиану трассы, проведение численных экспериментов.
Научная новизна работы.
-
Впервые применен модифицированный томографический алгоритм для восстановления изображения среды в случае использования точечных источников.
-
На .основе численных экспериментов определена эффективность и разрешающая способность модифицированного алгоритма дифракционной томографии.
3. Впервые получены аналитические выражения для скоростей и
затухания крипинг-волн, и на численном эксперименте показана
эффективность их использования в сейсмической томографии.
Практическая ценность.
исследования в работе модификация алгоритма сейсмической дифракционной томографии позволяет приближенно решать обратную задачу и строить изображение среды в случаях наличия малых ио сравнению с длиной волны зондирующего сигнала не-одыородностей с нечеткими границами;
на основании проведенных численных исследований можно составить рекомендации по проведению полевых работ с целью дальнейшей томографической обработки, т.е. осуществить планирование томографического эксперимента;
полученные асимптотические формулы для скоростей и затухания крипинг-волн и их использование в томографии позволяют проводить мониторинг состояния стенок и поверхностей различных инженерных сооружений (стенок скважин, туннелей, коллекторов, горных выработок и т.д.) на предмет обнаружения трещин, пустот, прорывов грунтовых вод и более детально исследовать состояние внутренних границ в Земле (граница ядро-мантия, магматические камеры, карстовые полости).
Защищаемые положения.
-
Проведено исследование разрешающей способности предложенной модификации алгоритма дифракционной томографии, которое продемонстрировало высокую эффективность метода восстановления изображения среды для широкого класса сейсмических задач.
-
Впервые получены асимптотичесике формулы для скоростей и декрементов затухания крипинг-воля в зависимости от малого параметра - отношения длины волны к радиусу кривизны траек-троии луча (с точностью до второго порядка малости включи-
тельно).
3. Впервые предложен метод томографического восстановления изображения среды по крипинг-волнам с использованием асимптотических формул.
Апдробация работы.
Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на:
- 56fh EAGE Conference and Technical Exhibition (Vienna,
Austria, 1994)
1" EEGS Meeting (Torino, Italy, 1996)
58<л EAGE Conference and Technical Exhibition (Amsterdam, Netherlands, 1996)
- 59lh EAGE Conference and Technical Exhibition (Geneva,
Switzerland, 1997)
- 2nd Intemotional Conference "Problem of Geocosmos"
(Sankt-Peterburg, Russia, 1998)
Публикации. По теме диссертации опубликовано б печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 106 страниц машинописного текста, 25 рисунков и библиографию из 66 наименований.