Введение к работе
Актуальность проблемы.
Успехи, достигнутые сейсмологией и сейсморазведкой в изучении строения Земли и при поиске полезных ископаемых основаны, в основном, на использовании импульсных источников сейсмических колебаний и на анализе времен прихода объемных и поверхностных сейсмических волн и их амплитуд.
-
Существует, однако, целый класс источников, в основном, искусственных, излучающих сейсмические колебания непрерывно. К ним относятся суда, буровые установки, турбины электростанций и друпіе машины, механизмы и оборудование. Сейсмические колебания являются побочным результатом их работы. Особый интерес представляют собой суда как мощные непрерывные мобильные источники широкополосного шума на акваториях.
-
Основная часть сейсмической энергии, излучаемая такими неспециальными источниками колебаний, распространяется в виде поверхностных сейсмических волн. Поверхностные волны, используемые в целях восстановления строения упругой среды, обладают рядом преимуществ по сравнению с объемными. Хотя глубина их проникновения, на что указывает их название, не столь велика, как у объемных волн, по их характеристикам возможно определять строение среды даже при наличии волноводов. Это невозможно сделать однозначно по годографам объемных волн, как было показано в работах МЛ.Гервера и В.М.Маркушевнча 1965 года.
-
Знание скорости поперечных волн в среде необходимо для детального представления о ее структуре и свойствах. При использовании традиционных сейсмических методов на акваториях, когда колебания излучаются в воде, определение скоростей поперечных волн в дне затруднительно, поскольку они не возбуждаются акустическими источниками в жидкости. Кроме этого, в водонасыщенных породах дна по значениям скоростей продольных волн практически невозможно оценить скорость поперечных волн. В верхних слоях дна скорость продольных волн может меняться
незначительно, оставаясь близкой скорости звука в жидкости, тогда как значения скорости поперечных волн могут изменяться в несколько раз. Даже дорогостоящие методы определения скорости поперечных волн в образцах, извлеченных из дна при помощи бурения, не могут считаться достаточно надежными, поскольку скорость поперечных волн в образцах гораздо больше, чем скорость продольных волн зависит от окружающих условий.
Все перечисленные выше проблемы весьма актуальны; они вызывают в последнее время большой интерес и привлекают внимание многих авторов, изучающих их теоретические и прикладные аспекты. В качестве примеров можно упомянуть:
изучение шумов буксируемых сейсмокос и определение положения судов по его низкочастотным шумам;
теоретическое и экспериментальное изучение свойств волны Стоунли, распространяющейся на границе жидкой и упругой среды;
разработку и применение донных источников поперечных колебаний и донных трехкомпонентных сейсмокос с целью определения скоростей поперечных волн в дне.
Предлагаемая вниманию работа пронизана единой идеей -определения скоростей поперечных волн в дне по характеристикам сейсмических поверхностных волн от источников, излучающих непрерывные колебания. Отличительной чертой ее экспериментальной части является вынужденный отказ от специальных технических средств возбуждения и регастрации колебаний и использование только шумов судна-буксировщика сейсмокосы в качестве источника и стандартного сейсморазведочного оборудования.
Цели работы.
-
Изучить закономерности распространения интерференционных поверхностных волн и их дисперсию в среде, состоящей из однородного жидкого слоя, лежащего на упругом полупространстве.
-
Изучить поведение всех корней дисперсионного уравнения для колебаний однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве.
-
Изучить возможность возбуждения сейсмических поверхностных волн судами.
-
Проверить возможность применения шумов судов и сейсмических методов регистрации для определениях характеристик поверхностных сейсмических волн, распространяющихся в океане.
-
Выяснить возможность восстановления характеристик поверхностных волн по экспериментальным данным.
-
Определить возможность получения характеристик дна по дисперсионным кривым поверхностных волн.
-
Разработать методику зондирования дна с использованием судна в качестве излучателя сейсмических волн и стандартных сейсмических средств регистрации колебаний.
-
Осуществить эксперимент по проверке разработанной методики.
-
Сделать практические выводы по использованию сейсмических колебаний от судов и других источников непрерывных колебаний в целях изучения строения Земли и применения в морской сейсморазведке.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы основана, прежде всего, на идее применения сейсмических колебаний от непрерывных неспециальных источников для целей определения строения и свойств упругой среды. Обоснование и практическая реализация этой идеи потребовали решения целого комплекса теоретических и практических задач в
различных областях. Помимо достижения главной цели - разработки и проверки методики зондирования дна океана шумами судов, был получен ряд новых результатов:
-
В теории колебаний. Детально исследована классическая задача о колебаниях жидкого слоя на упругом полупространстве, поведение корней соответствующего дисперсионного уравнения на всех листах Римановой поверхности. Получены аналитические формулы для асимптотики корней на нефизических листах.
-
Доказано отсутствие комплексных корней на физическом листе поверхности Римана в задаче о колебаниях однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве.
-
В эксперименте. Автор принимал участие в планировании и проведении эксперимента с использованием шума судна-буксировщика и регистрацией колебаний при помощи буксируемого приемного устройства с группированием датчиков (НИС "Академик Ферсман", начальник экспедиции Л.И.Коган, 1989 год).
-
В обработке экспериментальных данных. Применен Фурье анализ в широком диапазоне частот и получена картины частота-волновое число по морским экспериментам с судном как источником колебаний.
-
В интерпретации экспериментальных данных. Расширен диапазон изучаемых пространственных частот (волновых чисел) за счет использования представления о характере колебаний и устранения таким образом наложения пространственных частот. Восстановлены некоторых ветвей дисперсионных кривых по участкам, полученным в эксперименте.
-
По источникам. Исследовано использование широкополосного шума судна в качестве источника непрерывных сейсмических колебаний.
-
В обратной задаче. Выяснена возможность восстановления различных характеристик упругого дна по поведению ветвей дисперсионной кривой. Определены скорости поперечных волн в верхних слоях дна по характерным участкам дисперсионных кривых методом подбора.
Практическая ценность работы.
-
В работе получены новые теоретические результаты, которые могут быть полезны при проведении экспериментальных исследований и при дальнейших теоретических рассмотрениях. К таким результатам следует отнести изучение колебаний жидкого слоя на упругом полупространстве и корней дисперсионного уравнения, закономерностей и особенностей восстановления скорости поперечных волн в дне, разработку методики проведения экспериментов и обработки данных.
-
В ходе исследований осуществлен и в работе подробно описан полевой эксперимент с использованием судна в качестве источника сейсмических колебаний и стандартных средств их регистрации. Созданы и отработаны программы восстановления дисперсионных кривых по экспериментальным данным.
-
На основании программ решения прямой задачи, созданных другими авторами и модифицированными в работе, применен метод подбора для определения скорости поперечных волн в верхних слоях дна по полученным экспериментальным дисперсионным кривым.
-
На основе проведенных теоретических и экспериментальных работ сделаны выводы о возможностях использования непрерывных колебаний в конкретных сейсмологических и сейсморазведочных задачах на акваториях.
-
Разработанные программы и методы могут быть полезны при проведении аналогичных экспериментов; они могут быть использованы для получения новых данных по уже существующим записям сейсмических колебаний от судов и других непрерывных источников на акваториях.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на научных семинарах различных лабораторий Объединенного института физики Земли РАН, Международного института теории прогноза землетрясений РАН, Института океанологии РАН, Кубанского
государственного университета, ВНИИ Геофизики, Акустического института РАН, Горьковского государственного университета, СКТБ Сейсмической техники. Конференциях молодых ученых ВМК МГУ и ОИФЗ РАН.
Публикации.
Основные научные положения диссертации и результаты исследований освещены в 5 печатных работах.
Структура и объем работы.