Введение к работе
Объектом исследования настоящей работы являются волновые поля, полученные в результате ультраэвукового и натурного сейсмического моделирования для структур, содержащих приповерхностные локальные неоднородности, отличающиеся по своим акустическим параметрам от вмещающей среда
Актуальность темы. Современное развитие многоволновой сейсморазведки связано с широким внедрением методов динамической интерпретации. На динамические характеристики сейсмических волн, наряду с другими факторами, существенное влияние оказывает наличие локальных неоднородностей в приповерхностном слое почвы. Как показывает практика, при решении многих динамических задач сейсморазведки необходимо учитывать и обнаруживать неоднородности верхней части разреза.
Совершенствование методов динамической интерпретеции требует привлечения данных полевых сейсмических наблюдений или результатов математического, физического, натурного моделирования. Представления об исследуемом объекте в природе, как правило, носят приближенный характер, методы математического моделирования не всегда позволяют достаточно эффективно рассчитывать полные волновые поля для трехмерных сложно-построенных сред. Более точные и надежные данные о волновых полях в условиях сложных структур могут быть получены при помощи ультразвукового сейсмического и натурного моделирования. Располагая заранее полученной информацией о свойствах и конструкции модели, построенной с учетом принципов подобия, можно получить сейсмограммы, достоверно отображающие поведение моделируемых волновых полей.
При решении ряда практических задач сейсморазведки возникает необходимость выявления неоднородностей в верхней части разреза. Так, в инженерной сейсмике при выборе трасс современньк ускорителей элементарных частиц важно обеспечить стабильность пространственного положения в
несколько микрометров на удалении около 1 км. Здесь наличие полостей и локальных рыхлых объемов оказывается существенным препятствием для создания ускорителя.
Исследования неоднородностей . верхней части разреза традиционными для сейсморазведки методами, например методом отраженных волн, сталкиваются с многочисленными трудностями, обусловленными сложностями строения среды на малых глубинах. Это заставляет расширять арсенал средств зондирования, включать в них поверхностные волны. Последние нашли применение в сейсмологии, технической дефектоскопии, в вычислительной технике.
Однако в сейсморазведке поверхностные волны используются редко. Основная причина - малая глубина их проникновения. Но при исследовании структуры приповерхностного слоя это обстоятельство не является недостатком, и поэтому важно знать возможности применения поверхностных волн в этой области.
Исследованию рассеивания поверхностных волн на неоднородностях средствами численного и физического моделирования уделено сравнительно мало внимания.
Пелыо работы является повышение информативности многоволновой сейсморазведки в районах с наличием локальных неоднородностей вблизи дневной поверхности. Для выполнения поставленной цели необходимо создать аппаратуру для ультразвукового и натурного моделирования.
Задача исследования - выявление закономерностей поведения поверхностных волн в структурах, содержащих локальные неоднородности.
Фактический материал. методы исследований и аппаратура. Основой решения поставленной задачи являются выводы обшей теории подобия для сейсмических волновых явлений, сделанные ранее в работах Чубаревой (1954), Ивакина (1969), и многолетний успешный опыт использования физического моделирования для решения насущных проблем сейсморазведки. Регистрация волновых полей осуществлялась на программно-аппаратурном комплексе "Эхо-1" для ультразвукового сейсмического моделирования. Для поверки
комплекса проводилось специальное тестирование. Моделирование осуществлялось с помощью двумерных и трехмерных моделей, а также проводились натурные эксперименты. Всего представлены результаты моделирования на 17 двумерных, 4 трехмерных, 2 натурных моделях, по которым обработано около 400 сейсмограмм, полученных при различных системах наблюдения. Для проверки результатов моделирования проводились специальные эксперименты, позволяющие сопоставить полученные контрольные результаты с известными аналитическими решениями. Защищаемые научные положения.
1. При прохождении поверхностной релеевской волны
через препятствия выпуклой формы при размерах, сравнимых с
длиной волны, основная часть энергии переносится путем
преобразования R-волны в S-волну на первом ребре
препятствия и обратным преобразованием.
-
Для выпуклых препятствий существенный максимум в зависимости коэффициента отражения от размера препятствия имеет место при размере неоднородности, равном четверти длины волны, что обусловлено эффектом отражения поперечной волны от второй стенки препятствия.
-
Характеристики направленности поперечных SV-волн, возбуждаемых источником типа направленной силы на границе однородного полупространства, значительно отличаются от теоретически рассчитанных по имеющимся формулам для дальней зоны. Это отличие наиболее резко проявляется в окрестности критического угла, в том числе и на расстояниях от источника, составляющих примерно 70 длин волн, что связано с наложением конической волны.
В результате проведенных экспериментов сделаны следующие выводы и рекомендации:
- при размерах неоднородностей, больших длины волны,
коэффициент отражения определяется только первым
рассеивающим ребром и практически не зависит от размеров
препятствия;
- сравнение коэффициентов отражения при препятствиях
квадратной формы с ранее полученными результатами для щели
показывает, что различие существенно при размерах препятствия менее 0.4Х (коэффициент отражения от щели становится меньше);
- взаимодействие релеевской водны с жесткой накладкой, расположенной на свободной поверхности, приводит к образованию объемной сдвиговой волны, направленной вглубь среды;
- для препятствий как выпуклой, так и вогнутой формы
малых размеров (А<Я/г), спектр отраженных волн оказывается
более высокочастотным, а проходящих - более низкочастотным
по сравнению со спектром исходной волны;
определенные в эксперименте характеристики направленности волн SH в случае однородного полупространства для источника типа Y-силы в пределах ошибок измерений совпадают с теоретически предсказанными;
на характеристики направленности волн SH сильно влияют тонкие прослойки толщиной, существенно меньшей длины волны, со скоростями Vs , не равными Vs среда Эффект проявляется в уменьшении амплитуд прямых волн при относительно больших углах 9. Наиболее отчетливо это отмечено в случае Vs >VS в области 0 > arcs і n(Vs /Vj ) при толщине накладок l/3oAs. Измеренные амплитуды для углов в 60е в эксперименте уменьшаются в 2.2 раза по сравнению с амплитудами в однородном полупространстве, а при 0-70* - в 4 раза;
одна из причин наблюдаемого в полевом эксперименте повышения качества регистрируемых отраженных SH-волн в вимних условиях вызвана уменьшением уровня волн Лява за счет резкого снижения амплитуд генерируемых волн в вакритической области;
в связи с обнаруженными в лабораторном эксперименте особенностями характеристик направленности поперечных волн при расчете теоретических сейсмограмм отраженных и преломленных волн во многих случаях нельзя использовать существующие асимптотические формулы - требуется применение более строгих методов решения прямых динамических задач.
Новизна работы. Личный вклад.
Предложены оригинальные подходы к решению прямых
динамических задач сейсморазведки методами физического моделирования:
- применяя разработанные автором датчики на основе
V-образного расположения чувствительных элементов,
измерены характеристики направленности источника
поперечных волн типа направленной горизонтальной силы на
моделях, имитирующих однородное полупространство;
методом физического моделирования сейсмических волновых явлений, используя новые аппаратурные и методические решения, получены коэффициенты отражения и прохождения релеевской волны при ее распространении в среде с локальными неоднородностями;
методом спектрального анализа экспериментально подтверждены аналитические расчеты, показывающие, что релеевекая волна от точечного источника, действующего на поверхности упругого полупространства, имеет более высокочастотный спектр по сравнению с объемными волнами;
методом двумерного моделирования подтверждено наличие Б*-волны при расположении источника типа центра расширения вблизи дневной поверхности;
на двумерной модели с разрезом измерены диаграммы направленности переизлученных продольных и поперечных волн при рассеивании релеевской волны на конце трещины;
используя трехмерную модель полусферической формы, измерены диаграммы направленности SH-волны при наличии высокоскоростного слоя на дневной поверхности;
применяя авторскую методику проведения эксперимента с использованием двухкомпонентных датчиков, обнаружено двойное взаимное высотчффекткЕкос преобразование релеевской волны в объемные водны для выпуклых неоднородностей дневной поверхности.
Практическая значимость. Результаты работы имеют существенное значение для сейсморазведки при использовании поверхностных источников типа направленной силы (диаграмма направленности источника поперечных волн, преобразование релеевской волны в объемные на неровностях поверхности
вблизи источника), для инженерной сейсморазведки (обнаружение каверн, локальных неоднородностей в верхней части разреза), в сейсмологии (взаимное преобразование релеевских волн в объемные при распространении в условиях сложных структур), для технической дефектоскопии (локализация приповерхностных трещин с помощью релеевских волн).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на международной конференции и выставке "SEG-93" (Москва, 1993), Международном семинаре "Решение прямых и обратных задач нестационарных полей и выбор оптимальных программ" (Новосибирск, 1983), Всесоюзном совещании "Многоволновая сейсморазведка" (Новосибирск, 1985), Всесоюзном семинаре "Сонар-валуномер" (Рига, 1987), на заседаниях рабочей группы поверхностных волн комиссии по внутреннему строению Земли МСССС (Ялта, 1986, Феодосия, 1988), совещании по физическому моделированию сейсмических волновых процессов (Москва, 1984).
Аппаратурный комплекс для ультразвукового сейсмического моделирования внедрен и используется в Красноярской специализированной опытно-методической зкспедициии ПГО "Енисейгеофизика". Оказана техническая, консультативная помощь в создании аналогичной аппаратуры в ряде ведущих организаций ("Казгеофизтрест", г. Алма-Ата; ВНИИгеофизика, г. Москва; НИИгеофизика, г. Тюмень).
Работа выполнена в Институте Геофизики СО РАН в соответствии с планом НИР на 1981-1985 гг., 1986-1990 гг. (Nroc. per. 01860087818), Программой фундаментальных исследований СО РАН на 1991-1995 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано девять работ, получено пять авторских свидетельств на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 98 страниц текста, 45 страниц иллюстраций и 3 таблицы. Библиография содержит 64 наименования.