Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностной сейсмической волны в грунтах
На правах рукописи
Каляшин Степан Валерьевич
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ,
СОПРОВОЖДАЮЩИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ
ПОВЕРХНОСТНОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ В ГРУНТАХ
Специальность 25.00.10 –
«Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Дубна – 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московской области (ГОУ ВПО МО) «Международный университет природы, общества и человека «Дубна» на кафедре общей и прикладной геофизики.
| Научный руководитель | Лауреат Государственной премии СССР, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Олег Леонидович Кузнецов |
| Официальные оппоненты | доктор технических наук, профессор Юрий Алексеевич Курьянов, кандидат технических наук, Алексей Владимирович Михальцев |
| Ведущая организация | ОАО «Центральная Геофизическая Экспедиция», г. Москва |
Защита состоится 11 июня 2010 года в 14:00 в аудитории 1-300 на заседании диссертационного совета Д 800.017.01 при Международном университете природы, общества и человека «Дубна» по адресу: 141980, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МО «Международный университет природы, общества и человека «Дубна».
Автореферат разослан: «_____» _______________ 2010 года
| Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент |  | И. З. Каманина |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающей 96 наименований, изложена на 114 страницах, включая 50 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Олегу Леонидовичу Кузнецову за чуткость, внимание, плодотворные обсуждения, неоценимую научную поддержку и помощь в проведении исследований.
Автор выражает большую признательность доктору технических наук, профессору Владиславу Дмитриевичу Неретину за важные научные и практические рекомендации; доктору физико-математических наук, Владимиру Ефимовичу Року за ценные и результативные консультации по теме работы; кандидату физико-математических наук, Владиславу Петровичу Демкину за участие в обсуждении результатов работы и полезные замечания. Автор благодарит доктора технических наук, Михаила Борисовича Шнеерсона, а также кандидата технических наук, Самуила Абрамовича Каплана, научные беседы с которыми позволили получить значимые результаты.
Отдельную благодарность автор приносит своим официальным оппонентам, доктору технических наук, профессору Юрию Алексеевичу Курьянову и кандидату технических наук Алексею Владимировичу Михальцеву.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы и темы исследования; определены объект, цели и задачи исследования, раскрыты научная новизна работы и её практическая ценность, приведены основные этапы реализации и апробации работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Глава 1 содержит обзор трудов, посвященных теме исследования. Представлены основные подходы к изучению взаимодействия волн. Описаны существующие теоретические модели. Приведено обоснование численных методов.
Еще в работах Рэлея и Лява математически показано, что взаимодействие продольных и поперечных волн с образованием волн новых типов может быть вызвано неоднородностью среды. В частности, модель среды с горизонтальной слоистостью и выраженными границами между слоями приводит к образованию волн составных поляризаций, таких как поверхностные волны. При этом стало ясно, что реальная геологическая среда обладает большой степенью неоднородности и способствует созданию более сложных, интерференционных и дисперсионных процессов, наблюдаемых при распространении возмущений вдоль поверхности.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям поверхностных волн посвящены труды Лэмба, Стоунли, Сезавы, Лиита, К. Аки, П. Ричардса, Л. М. Бреховских, О. А. Година, И. А. Викторова, Дж. Дормана, В. Эвинга, В. Ярдецкого, Ф. Пресса, А. А. Кауфмана. Изучены дисперсионные свойства поверхностных волн и их связь со структурой геологических сред, что впоследствии стало фундаментом для развития поверхностно-волновых методов изучения грунтов.
Исследование влияния слоистости на поведение поверхностных волн, образования сложных интерференционных поверхностных волн в грунтах проведены Г. И. Петрашенем, П. В. Крауклисом, Ю. А. Сурковым, Д. К. Озеровым, А. П. Волиным.
В работах В. Н. Николаевского, И. А. Береснева, В. С. Митлина, О. Ю. Динариева описаны процессы образования доминантных частот в спектре волны, нелинейной трансформации спектров сейсмических волн, их связи с природной стратификацией среды и вязкоупругой реологией фрагментированных горных пород. И. И. Гурвич, Г. Н. Боганик, М. Б. Шнеерсон, В. В. Майоров обнаружили связь доминантных частот в поверхностной волне со свойствами источника колебаний.
А. С. Алексеевым, Б. М. Глинским, В. В. Ковалевским изучены акустосейсмические волны, образующиеся в результате взаимодействия поверхностной волны Рэлея и низкочастотной звуковой волны, распространяющейся в приповерхностном воздушном слое.
Теоретические вопросы линейного и нелинейного взаимодействия волн в неоднородных и нестационарных средах, возникающие при рассмотрении и анализе связанных систем уравнений, исследованы Г. М. Заславским, В. П. Мейтлисом и Н. Н. Филоненко, В. Ю. Завадским, Р. З. Сагдеевым, В. Ю. Зайцевым, В. Е. Назаровым, А. В. Радостиным, О. В. Павленко.
Вместе с тем, важные особенности формирования и распространения поверхностных волн в реальных геологических средах остаются неизученными.
Поставлена задача, построить теоретико-численную модель, описывающую взаимодействие компонент поверхностной волны при распространении в ближней зоне и возникновение доминантных частот. На основе анализа полученных теоретических и экспериментальных данных разработать практические методы интерпретации сейсмоакустических записей поверхностных волн.
Проведено исследование теоретических подходов к описанию взаимодействия волн. Рассмотрены математические связи, возникающие в системах волновых уравнений теории упругости в линейном и нелинейном случаях.
Глава 2 посвящена описанию экспериментальных работ, проведенных автором и направленных на изучение волнового взаимодействия, а также проверку предположений, сделанных ранее другими авторами. В данной работе исследован процесс формирования и распространения поверхностной упругой волны.
Экспериментальные исследования распространения волн автор проводил по схеме с линейным профилем наблюдения (Рисунок 1) на нескольких территориально разнесенных площадках со схожей структурой грунтов, подтвержденной шурфованием. Это позволило исключить случайные результаты. Сравнение данных показало, что измерения удовлетворяют принципу взаимности, т. е. влиянием локальных неоднородностей грунта у датчика и источника, а также флуктуациями самого источника можно пренебречь.
В качестве регистратора волнового поля использовали 3-компонентный сейсмодатчик электродинамического типа (на основе GS-20DX), ориентированный так, чтобы выделять вертикальную (V), поперечную (T) и продольную (R) компоненты упругой волны. Диаграммы направленности всех компонент идентичны и взаимно ортогональны, что подтверждено эксплуатационной документацией. Датчики располагали в грунте на глубине 0.1 м. Сейсмические данные регистрировали в цифровом виде с частотой дискретизации 2 кГц.
Рисунок 1. Схема проведения эксперимента.
Для возбуждения упругих волн использовали 3-килограммовый молот, действующий на поверхность грунта в вертикальном направлении. Такой источник характеризуется очень коротким импульсным воздействием и позволяет создавать как продольные, так и поперечные волны. Дополнительно выполнено требование, чтобы механизм передачи воздействия в грунт не давал видимого уплотнения и не вызывал существенных остаточных деформаций. Экспериментально подтверждена идентичность импульсов, возбуждаемых источником. Проведено исследование влияния многократного воздействия на состав волновых пакетов.
Известно, что наибольшее влияние на процесс измерения сейсмических волн оказывают характеристики среды, параметры источника воздействия, механизм передачи воздействия, а также свойства датчика, регистрирующего колебания. Поэтому большое внимание уделено построению передаточной функции измерительной системы и геологической среды и оценке их вклада. Изучен вопрос качественной установки датчиков в грунт.
Исследованы амплитудные спектры волны на расстояниях до 100 метров от источника. Для экспериментов выбран практически значимый частотный диапазон колебаний – от 20 до 200 Гц. Подробно описана схема проведения экспериментов, применяемое оборудование. Представлены результаты наблюдений в виде трехкомпонентных сейсмограмм.
Глава 3 состоит из описания методики обработки экспериментальных данных, выделения поверхностных волн и проведения анализа.
Особое внимание уделено очистке сигналов, снижению влияния вибрационных шумов и помех. При наблюдении поверхностных волн от локального источника действует несколько видов помех. Наиболее сильной помехой являются природные и техногенные микросейсмические колебания. Далее, в порядке убывания, следуют акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности по воздуху, и объемные сейсмические волны разной природы. Применение частотной фильтрации, когерентного накопления, фильтрации по кажущимся скоростям в пространстве частот и волновых чисел [Бат М., 1980] и поляризационного анализа позволило увеличить соотношение сигнал-помеха в 30 – 50 раз. После обработки экспериментальных данных получены следующие 3-компонентные сейсмограммы (Рисунок 2).
Рисунок 2. Сейсмограммы продольной (R), вертикальной (V) и поперечной (T) компонент.
Рассмотрен спектральный состав волнового пакета каждой компоненты на разных расстояниях от источника. На основе изучения спектров вдоль профиля наблюдения и результатов поляризационного анализа сделан вывод о наличии резонансных процессов, которые обеспечивают передачу энергии воздействия от источника в энергию формирующейся поверхностной волны.
Действительно, при сравнении спектров компонент (Рисунок 3) вблизи источника и на достаточном удалении от него (20 м), где влиянием переходных процессов воздействия можно пренебречь, а сейсмические волновые пакеты можно считать сформировавшимися, обнаружено, что частоты поглощения для компонент 
и 
вблизи источника точно совпадают с главными спектральными максимумами соответствующих волновых пакетов после длительного пробега.
Рисунок 3. Спектры компонент на расстояниях 1 м (1), 20 м (2), 30 м (3), 40 м (4) и 50 м (5).
Такое возможно, если предположить, что в некоторой пространственной окрестности вокруг точки упругого воздействия (Рисунок 4) происходит преобразование энергии воздействия в колебательную энергию распространяющихся волн, и в связи с этим должно наблюдаться существенное изменение спектров.
Рисунок 4. Область формирования волны.
Сделана оценка геометрических размеров этой области для используемого источника. Принято во внимание, что на расстояниях до 2 м происходит очень быстрое изменение наблюдаемых спектров, причем, не только высокочастотных составляющих. Физический смысл области состоит в том, что она является нижней границей присоединенной массы грунта, которая также принимает участие в излучении волн, и, по данным исследований [Шагинян А. С., Циммерман В. В, 1983], может многократно превосходить массу самого излучателя. Эти условия позволяют приближенно описать вертикальный источник воздействия моделью сферического излучателя продольных волн, расположенного на поверхности [Гурвич И. И, Боганик Г. Н., 1980]. В рамках этой модели частота собственных колебаний излучателя определяется выражением
,
где 
– скорость поперечных волн в грунте, 
– радиус излучателя. Используя значение резонансной частоты продольной компоненты 
60 Гц и 
260 м/с, получена оценка эффективного радиуса присоединенной массы излучателя 
1.4 м, что хорошо соответствует расстоянию, в пределах которого отмечено резкое изменение спектров. Величина 
мала по сравнению со средней длиной пробега поверхностной волны, и, следовательно, резонансное преобразование энергии является исключительно локальным эффектом.
На основании изучения передаточных характеристик геологической среды для каждой компоненты, сделано предположение о том, что каждая из компонент поверхностной волны несет в себе информацию о независимом переходном резонансном процессе, развивавшемся в соответствующем пространственном направлении.
Отмечено, что при дальнейшем пробеге (от 20 до 50 м) волновые пакеты уже не претерпевают столь существенных изменений (Рисунок 3). 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.
Перечисленные результаты опубликованы в работе [2].
Сформулировано первое защищаемое положение: «Частоты поглощения в спектре излучения совпадают с доминантными частотами в спектре волны для каждой ортогональной компоненты трехкомпонентных исследований».
Сформулировано второе защищаемое положение: «Между ортогональными компонентами поверхностной волны существует взаимодействие в виде обмена колебательной энергией».
Помимо основного максимума в спектрах всех компонент волны наблюдается еще один выраженный максимум в окрестности 150160 Гц, которому также соответствует провал, вызванный поглощением энергии в спектрах вблизи источника. Отмеченные резонансные процессы, по-видимому, связаны с локальной структурой грунта, а именно, с толщиной верхнего слоя (так называемый стратификационный резонанс). Это подтверждается и данными работы [Озеров Д.К., Волин А.П., 1959], где показано, что видимый период поверхностной волны характеризует толщину верхнего слоя грунта. Таким образом, полученные результаты исследования особенностей спектрального состава поверхностных волн в совокупности с их кинематическими характеристиками свидетельствуют о возможности изучения геологического строения грунтов, в частности, в инженерных целях.
Далее в диссертации описаны процессы, происходящие с компонентами волны при их распространении. Отмечено нехарактерное для поверхностной волны колебательное изменение амплитуд и энергии с расстоянием. Наиболее просто было бы объяснить это явление горизонтальной и вертикальной неоднородностью грунта. Однако даже при выборе участков грунта с однородным составом изучение поверхностной волны все равно приводит к подобным энергетическим аномалиям. Эффект локального увеличения волновой энергии отмечают не только в масштабах полевых исследований, но и при исследованиях поверхностной акустической (ультразвуковой) волны. В этом случае прозвучиваемые образцы материалов имеют сравнительно малые размеры, и их однородность может быть подтверждена экспериментально. Сделано объяснение этого явления с помощью обнаруженной трансформации волнового спектра компонент поля поверхностной волны.
Графики зависимости энергии от расстояния, полученные автором по экспериментальным данным для каждой компоненты, имеют следующий вид (Рисунок 5).
Рисунок 5. Зависимость энергии волновых компонент от расстояния.
Все три графика демонстрируют затухание соответствующих компонент волны. Одновременно каждый график содержит локальные максимумы, превышающие уровень допустимой ошибки измерений. В частности, на графике вертикальной компоненты видны два максимума при x = 4 и 7 м. Для изучения этого вопроса рассмотрена структура частотного состава волны и его изменение по мере распространения волнового фронта. Записи трех компонент волнового поля представлены с помощью преобразования Фурье в виде спектрограмм
, демонстрирующих изменение частотной структуры поверхностной волны при ее распространении вдоль оси x (рисунки 6, 7, 8).
Рисунок 6. Спектрограмма 
продольной компоненты волны.
Рисунок 7. Спектрограмма 
вертикальной компоненты волны.
Рисунок 8. Спектрограмма 
поперечной компоненты волны.
Полученные пространственные интерференционные картины связаны между собой. В частности, отмечено соответствие картин для V- и R-компонент в выделенных на рисунках областях. Это позволяет предположить наличие взаимодействия между V- и R-компонентами поверхностной волны и преобразования продольных колебаний в поперечные (вертикальные) и наоборот. Для наглядности на рисунке 9 приведены графики энергии для всех компонент, посчитанные в узкой полосе частот 50 70 Гц.
Рисунок 9. Зависимость энергии волновых компонент
в полосе 50 70 Гц от расстояния.
Графики показывают, как сильно изменяется вычисленные значения энергий в этой полосе. Быстрое убывание энергии 
продольной компоненты сопровождается ростом значений 
и 
поперечных компонент. Можно сделать предположение, что в окрестности источника воздействия основным релаксационным механизмом являются продольные волны, а с увеличением расстояния доля поперечных волн возрастает за счет перекачки энергии из продольной компоненты.
На спектрограммах компонент в полосе 50 70 Гц видны явные частотные максимумы, что характеризует перекачку энергии между разными степенями свободы как результат действия резонансных процессов в грунте.
Эти результаты представлены в работе [1].
Для обобщения результатов исследованы спектральные характеристики и особенности распространения волн, возбуждаемых другими источниками, в частности, импульсом от шага человека. Рассмотрен вопрос межмодового взаимодействия. По результатам исследований опубликованы работы [4, 6].
В главе 4 обосновывается построение теоретико-численной модели горизонтально-слоистого грунта, в рамках которой удается наблюдать взаимодействие компонент, полученное экспериментально. Показана зависимость интерференционной картины, характеризующей взаимодействие, от основных параметров среды, таких как толщина слоя, скорости продольных и сдвиговых волн, плотность среды в слое. На основе исследования выделены параметры, характеризующие слоистость.
Численный эксперимент проведен на конечно-разностной модели однородного изотропного горизонтально-слоистого грунта. Параметры модели выбраны с учетом совпадения синтетических и экспериментальных записей и приведены в таблице.
| № слоя |  , м |  , м/с |  , м/с |  , кг/м3 |
| 1 | 0.4 | 270 | 120 | 1200 |
| 2 | 340 | 200 | 1500 |
Источник воздействия задан площадкой радиуса 
= 0.3 м на поверхности, передающей вертикальную нагрузку с амплитудой в виде импульса Риккера 
, где 
– характерная длительность воздействия, 
– частота заполнения.
Значения компонент скорости смещений измеряли на поверхности грунта вдоль горизонтального профиля с шагом 0.1 м от источника. В результате построены синтетические спектрограммы волновых компонент на разных расстояниях от источника (см. рисунки 10 и 11).
Рисунок 10. Спектрограмма 
продольной компоненты 
.
Рисунок 11. Спектрограмма 
вертикальной компоненты 
.
Для оценки влияния слоистой структуры грунта на характер взаимодействия изменяли толщину слоя 
, при сохранении других параметров модели. Зависимость доминантной частоты от толщины слоя 
и его кинематических параметров, таких как 
, отмечена в работе [Николаевский В. Н., 1996], где приведена ее запись в полученном феноменологически виде 
. В работе [Озеров Д. К., Волин А. П., 1959] подобная зависимость получена на основе принципа конструктивной интерференции. В работе [Шнеерсон М. Б., Майоров В. В., 1988] приводят формулу 
где 
– радиус штампа излучателя.
Из спектрограммы 
получены значения доминантных частот 
и периода пространственной модуляции интерференционной картины 
. По спектрограмме 
измерены частоты максимума спектральной плотности в спектре вблизи излучателя 
. Результаты измерений и графики 
и 
показаны на рисунке 12.
Рисунок 12. Зависимость 
и 
от толщины слоя 
.
Отмечено совпадение полученных значений 
с зависимостью 
, что свидетельствует о соответствии модели и эксперимента. Совпадение же 
и 
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 
эффективно создает сферический (или плоский с присоединенной массой) излучатель радиуса 
. Это подтверждается тем, что при использовании вертикального излучателя максимум на частоте 
наблюдается только в спектре вертикальной компоненты 
и на расстояниях
. При 
, спектральные амплитуды на этой частоте имеют выраженный минимум.
График на рисунке 12 б показывает, что значение периода пространственной картины 
. Линейная зависимость от толщины слоя возникает при интерференции волн со скоростями 
и 
и линейными годографами, в частности, разных мод поверхностной волны. Результирующая интерференционная картина имеет пространственную модуляцию с периодом
.
С учетом этого получена формула для оценки толщины верхнего слоя грунта по данным пространственно-частотного спектра
,
где 
– пространственный период на доминантной частоте, 
– скорость поперечной волны в верхнем слое, 
, 
– скорость двух мод поверхностной волны.
Проведено численное моделирование возможности использования параметров пространственно-частотного спектра для анализа сред с неоднородностями и включениями, в частности, для обнаружения заглубленных в грунт объектов.
Приведенные результаты опубликованы в работах [3, 5].
Сформулировано третье защищаемое положение: «Доминантная частота и пространственный период интерференционной картины характеризуют взаимодействие компонент и связаны со слоистой структурой и кинематическими свойствами среды».
Сформулировано четвертое защищаемое положение: «Доминантная частота и пространственный период интерференционной картины, могут быть использованы для определения мощности поверхностного слоя и создания практического метода поиска и выделения включений и неоднородностей в среде».
В главе 5 описаны подходы к использованию результатов работы на практике. Отмечено, что при разработке, проектировании и эксплуатации сейсмоакустических систем и комплексов, основным назначением которых является непрерывный круглосуточный анализ динамического распределения поля сейсмоакустических волн на территориях различной протяженности, возникает целый круг важных задач: разработка эффективных алгоритмов для автоматической работы системы в конкретных геологических условиях; обеспечение и контроль качества установки чувствительных элементов, калибровка системы на местности; подтверждение надежности получаемой от системы информации при ее длительном эксплуатировании.
В связи с этим результаты исследования сформулированы в виде требований к методике проведения наблюдений поверхностных сейсмических волн в реальных грунтах.
Показано направление развития темы исследования для решения прикладных задач.
Заключение содержит обобщение результатов и положения, выносимые на защиту.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Исследован процесс формирования и распространения поверхностной упругой волны. Изучены спектральные характеристики волны на расстояниях до 100 м от источника в частотном диапазоне колебаний 20200 Гц.
2. Объяснена экспериментально наблюдаемая неравномерность зависимости энергии поверхностной волны от расстояния. Это сделано на основе представлений о взаимодействии компонент поля поверхностной волны.
3. Получены новые характеристики поверхностной волны, отражающие слоистость среды. Показана возможность их использования для оценки мощности поверхностного слоя и выделения включений и неоднородностей в геологической среде.
4. За счет возможности определения доминантных периодов и частот на малых расстояниях пробега волны полученные результаты позволяют облегчить определение слоистой структуры грунта при короткопрофильных наблюдениях.
5. Разработано программное обеспечение для численного моделирования, визуализации и анализа экспериментальных и синтетических данных.
6. На основе исследования сформулированы требования к методике проведения сейсмоакустических наблюдений.
7. Методические требования были учтены при разработке технической системы, основанной на наблюдении поверхностных сейсмоакустических волн и обеспечивающей требуемую эффективность на заданных территориях.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Каляшин С.В., Изменение спектрального состава поверхностной упругой волны в грунте // Технологии сейсморазведки, 2008, № 1
- Каляшин С.В., Особенности спектрального состава поверхностной сейсмической волны при возбуждении и распространении // Геофизика, 2008, № 4
- Каляшин С.В., Взаимодействие компонент поверхностной сейсмической волны // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции преподавателей, студентов, аспирантов и молодых ученых. Дубна: Университет «Дубна», 2009
- Каляшин С.В., Исследование интерференционных картин в пространственно-частотном спектре поверхностной сейсмической волны // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов. Дубна: Университет «Дубна», 2010
- Каляшин С.В., Эффект волнового взаимодействия, наблюдаемый при 3-компонентной регистрации и моделировании поверхностной волны в грунте // Геофизика, 2010, № 2
- Каляшин С.В., Изменение характеристик сейсмических волн при многократном воздействии ударного источника на грунт // Электронное научное издание «ГЕОразрез», 2010
| Соискатель | Каляшин С. В. |
