Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальные модельные исследования распространения поверхностных волн в условиях локальных неоднородностей

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные модельные исследования распространения поверхностных волн в условиях локальных неоднородностей"

РГБ ОД

О OKI rr РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ геологии, ГЕОФИЗИКИ И МИНЕРАЛОГИИ

На нравах рукописи

БОБРОВ Борис Алексеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН В УСЛОВИЯХ ЛОКАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени как1тидятя технических няук

НОВОСИБИРСК - 1994

Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Л. Д. Гик

Официальные оппоненты: доктор технических наук К С. Чичинин кандидат технических наук Е М. Грузнов

Ведущая организация: Производственный геофизический трест "Сибнефтегеофизика" (г, Новосибирск).

Защита состоится " .. 1994 г. в ^ час.

на заседании специализированного Совета Д002.50.06 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН в конференц-зале

Адрес: 630090, Новосибирск-90, Университетский просп. ,3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГТиМ СО РАН

.¿У» дитоЯ^/иХл,

Автореферат разослан 'чч г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Ю. А. Даше вс кий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объестом исследования настоящей работы являются волновые поля, полученные в результате ультразвукового и натурного сейсмического моделирования для структур, содержащих приповерхностные локальные неоднородности, отличающиеся по своим акустическим параметрам от вмещающей среда

Актуальность теш. 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 р учете:.; принципов подобия, можно получить сейсмограммы, достоверно отображающие поведение моделируемых волновых полей.

фи решении ряда практических задач сейсморазведки возникает необходимость выявления неоднородностей в верхней части разреза. Так, в инженерной сейсмике при выборе трасс современных 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.

Делью 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 общей 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 й-волны в 5-волну на первом ребре препятствия и обратным преобразованием.

2. Для выпуклых препятствий сушэственный 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.

3. Характеристики направленности поперечных ЗУ-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 0.4Я. (коэффициент отражения от щели становится меньше);

- взаимодействие релеевской волны 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<Л /2). 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, сувдзственно 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 О > arcs in(Vs /Vj ) при толщине накладок 1/30AS. 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 зимних условиях вызвана уменьшением уровня волн Лява за счет резкого снижения амплитуд генерируемых волн в эакритической области;

- в свяви 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 работа Личный вклад.

Предложены оригинальные подходы к решению прямых

динамических задач сейсморазведки методами физического моделирования:

- применяя разработанные автором датчики на основе У-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 релеевская 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 БН-волны при наличии высокоскоростного слоя на дневной поверхности;

- применяя авторскую методику проведения эксперимента с использованием двухкомпонентных датчиков, обнаружено двойное взаимное высотчффекткЕксс 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 11Г0 "Енисейгеофизика". Оказана техническая, консультативная помощь в создании аналогичной аппаратуры в ряде ведущих организаций ("Казгеофизтрест", г. Алма-Ата; ВНИИгеофизика, г. Москва; НШгеофизика, 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.

Расположение материалов в диссертации обусловлено их

последовательностью при решении научной задачи и сгруппировано вокруг двух основных вопросов:

- усовершенствование аппаратуры для ультразвукового сейсмического моделирования;

- моделирование поверхностных волн.

Во введении сформулированы задача исследований и цель работы, показана их актуальность, представлены основные защищаемые положения, даны выводы и рекомендации, определена научная новизна и практическая ценность работы. В первой главе описана аппаратура для ультразвукового сейсмического моделирования и обобщен опыт по модельным исследованиям поверхностных волн. Во второй главе приводятся результаты разработки двух-, трехкомпонентньгх датчиков для сейсмического моделирования, по исследованию диаграммы направленности источников поперечных волн. В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований распространения поверхностных волн в условиях сложных структур. В заключении показаны преимущества выполненных исследований перед аналогами, даны рекомендации по реализации научных положений и выводов, названы нерешенные вопросы и определено направление работ на будущее.

Работа выполнена в лаборатории проблем сейсморазведки Института под научным руководством доктора технических наук, академика РАН Н. Н. Пузырева и доктора технических наук, профессора Л. Д. Гика, которым автор искренне благодарен. Автор также признателен Держи Н. М., Зайцеву К П. , Колобовой С. Е. , Орлову Ю. А. , Харламову С. М. за ценные советы при обсуждении результатов работы ня семинарах лаборяторк!'. :: всем, кто помогал в оформлении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность постановки исследования, кратко освещен круг задач, определяющих содержание диссертации, дана общая характеристика работы.

В первой главе описана аппаратура для физического моделирования и приведен критический обзор существующих исследований по физическому моделированию поверхностных волн.

В §1.1 описана аппаратура и методика экспериментов по ультразвуковому сейсмическому моделированию. Исследования проводились на аппаратурном комплексе с цифровой регистрацией и компыеггеризированнной обработкой результатов. Аппаратура " комплекса состоит из 4 основных частей: а)приемоизлучающих преобразователей упругих волн: источника и приемника, б)аналогового блока усиления и преобразования ультразвуковых сигналов, включающего генератор зондирующих импульсов, предварительный и основной усилители, устройство выборки и хранения, частотомер, блок синхронизации, таймер, осциллограф и блок управления, в)цифрового блока кодирования, визуализации и программного управления, включающего устройства системы КАМАК: АЦП, входные и выходные регистры, индикатор магистрали, контроллер крейта, генератор точек, драйвер графического дисплея, монитор цветного изображения и графопостроитель, г)блока цифровой обработки и регистрации информации, включающего микроэвм "Электроника-60", двух НМД СМ5300.01, управляемых через устройство 15ВНШМО-001.

Эксперименты проводились в частотном диапазоне 70-150кГц. Использовались объемные и листовые модели. Регистрация осуществлялась двухкомпонентными У-образными датчиками.

В §1.2 приведен обзор результатов модельных исследований поверхностных волн. Большое внимание исследованию вопросов распространения поверхностных волн уделено в сеймологии, где с их помощью определяется магнитуда землетрясений, энергия, механизм, динамические

параметры и глубина очага землетрясений, оценивается поглощение (Е А. Калинин, В. П. Трубицин, А. Л. Левшин, Т. Б. Яновская и др.)» проводится дискриминация ядерных взрывов (И. П. Пасечник). Поверхностные волны применяются для обнаружения и изучения горизонтальных неоднородностей (А. И. Лутиков, Е. айтс, Л-ИРыкунов, Фан Ван Тхух и др.), исследования строения земной коры и верхней мантии (3. Альстерман, В. А. Магницкий и др.).

В ряде работ проводилось исследование прохождения релеевских волн через локальную неоднородность типа вертикальной щели (Ь. Ь. Мэггап, М. Н1гао, Н. Рикиока). Вблизи неоднородности обнаружено изменение сигнала проходящэй волны, свидетельствующее о наличии интерференции поверхностных волн с объемными, возникающими на краю щэли. Проведены теоретические расчеты прохождения релеевских волн через трещину, заполненную жидкостью (У. Ь. Нои, Н. I.. ВегЬоШ). Обнаружены значительные изменения коэффициента прохождения при размерах трещины в диапазоне от О. гАдо 0. бА.

Из обзора экспериментальных и теоретических работ следует, что использование поверхностных волн для обнаружения локальных неоднородностей находится в стадии развития. Дальнейшее совершенствование этого метода сдерживается отсутствием детальных представлений о характере распространения поверхностных волн в условиях сложных структур.

Во второй главе рассмотрены способы и средства, позволяющие расширить возможности физического моделирования в применении к поверхностным волнам, а также аппаратура для натурных исследований.

В §2.1 рассмотрены характеристики и конструкции излучателей и приемников упругих волн. При моделировании распространения поверхностных волн в условиях сложных структур важно обеспечить излучение и прием любой из трех пространственных компонент волнового поля - в направлении вертикали и двух взаимноортогональных горизонтальных

направлениях. Поэтому была предпринята попытка поиска конструкции преобразователя, использующего идентичные пьезоэлементы, в котором изменение направления оси чувствительности осуществлялось бы последующей обработкой выходного сигнала при сохранении неизменными чувствительности и частотной полосы вертикальной и горизонтальной компонент колебаний.

Оптимальной для профильных наблюдений оказалась конструкция двухкомпонентного датчика, состоящего из двух пьезоэлементов, основания и держателя. V-образное расположение пьезоэлектрических элементов обеспечило практически идентичные амплитудно-частотные характеристики преобразователей для тангенциальных и нормальных к поверхности модели компонент колебаний. При использовании одинаковых источников и приемников "видимая" частота зондирующего импульса составила 100 кГц, а ширина полосы пропускания около октавы:

В §2.2 приводится контрукция трехкомпонентного датчика и схема преобразователя электрических сигналов для одновременной регистрации трех компонент. Датчик содержит три одинаковые и поляризованные в одном направлении пьеэокерамические призмы, которые выполнены с сечением, например, в виде равнобедренного треугольника, 1/3 круга или ромба и соединены по двум граням так, что каждая призма дважды является обкладкой биморфа. Датчик изготавливается путем склейки трех одинаковых пьезокерамичких призм по соседним граням с двугранными углами 120 .

В §2.3 рассмотрены высокочастотные пьеэокерамические источники и приемники поперечных волн для грунта. Приведена контрукция высокочастотного излучателя поперечных волн, предназначенного для работы на почве, состоящего из следующих частей: концентратора, двух пьеэокерамических пластин и инерционной массы. Экспериментальное измерение амплитудно-частотной

характеристики показало, что полоса пропускания датчика находится в пределах 200-1500 Гц.

В §2.4 исследованы характеристики направленности источников поперечных сейсмических волн и приводятся результаты экспериментальных исследований средствами ультразвукового сейсмического моделирования диаграмм направленности источников поперечных волн типа направленной силы, действующих на свободной границе. Для проведения опытов были изготовлены трехмерные и двумерные модели, имитирующие различные особенности реальной среды. Преобладающая частота выбиралась в пределах 100300 кГц, длина поперечной волны составляла около 1 см, что позволило иметь дело с приемлемыми размерами моделей и при этом провести измерения диаграмм направленности на удалениях между источником и приемником составляющих 9.8 X, 29Х, 69Х. Эксперименты показали, что и на удалении в 69Х характеристики направленности поперечных БV-волн существенно отличаются от теоретически рассчитанных по имеющимся формулам для дальней зоны. Это отличие наиболее резко проявляется в окрестностях угла ©-агозт(У5 /УР ), что связано с наложением конической волны.

Следующий этап экспериментов был связан . с исследованием влияния на диаграмму направленности тонкого поверхностного слоя, мощность которого мала по сравнению с длиной волны, а скорость резко отличается от скорости в полупространстве, связанном с данным слоем условиями жесткого контакта. С такими слоями постоянно сталкиваются в практике полевой сейсморазведки: аналогом низкоскоростного слоя может служить зона малых скоростей (ЗМС), а высокоскоростного - мерзлая верхняя часть разреза (в зимнее время). Обнаружено значительное влияние тонких накладок на характеристику волн ¿¡Н для источника типа У-силы. Влияние накладок проявляется в уменьшении амплитуд прямых волн при относительно больших углах 0 (угол отклонения от вертикали). Наиболее отчетливо это отмечено в случае высокоскоростной накладки толщиной 1/30 Л5. Измеренные амплитуды' для, углов в' 50° в эксперименте уменьшаются в 2.2 раза по сравнению с амплитудами в однородном полупространстве, а при ©»70° - в 4 раза.

В §2.5 описан эксперимент по сравнению средствами ультразвукового сейсмического моделирования спектральных составов излучаемых релеевских и объемных (продольных и поперечных) волн в случае, когда на поверхности упругого полупространства действует точечный импульсный источник Z-или Х-силы. Согласно теоретическим расчетам (И. С. Чичинин, G. F.Miller, Н.Persey) в этом случае R-волна является более высокочастотной, чем объемные волны. Однако на сейсмограммах полевого материала поверхностные волны, как правило, более низкочастотные, чем объемные. Эксперимент подтвердил, что R-волна является более высокочастотной, чем продольные и поперечные волны.

В §2.6 приведены результаты моделирования заглубленного источника типа центра расширения. Зарегистрированная волновая картина кинематически напоминает волновое поле для источника вертикальной силы, если соотнести PS-волну - конической S-волне и S* -обычной S-волне. Поведение S*-волны в диапазоне углов УСР-ЭСР показывает, что наблюдаемая волна не является поверхностной. В целом приведенные данные физического моделирования качественно соответствуют результатам численных расчетов (Б. Г. Михайленко).

В §2.7 рассматриваются аппаратные средства для натурных исследований, которые обеспечивают возбуждение упругих колебаний в ВЧР (верхняя часть разреза), регистрацию смещений поверхности почвы, фиксацию полученных данных на магнитной ленте. Аппаратура создавалась на основе программно-аппаратного комплекса "Эхо-1" для ультразвукового сейсмического моделирования и серийно выпускаемой аппаратуры, что позволило в короткие сроки укомплектовать установку.

Третья глава освещает вторую часть работы, связанную с моделированием поверхностных волн.

В §3.1 исследовано рассеивание релеевских волн на неоднородностях выпуклого и вогнутого типа. Приводятся результаты физического моделирования рассеивания

релеевских волн на неоднородностях. Рассмотрено два типа аномалий свободной поверхности: выпуклые и вогнутые. Наибольший коэффициент отражения для мягкой выемки составил 30%. Это обстоятельство затрудняет использование отраженных релеевских волн для выявления неоднородностей. Ослабление проходящей волны свойственно обоим видам препятствий. Обнаружено преобразование релеевской волны в объемную поперечную волну на ребре угла 270° и обратное преобразование, т. е. поперечная волна, падающая на угол свободной поверхности в 270°, превращается в релеевскую волну. Следовательно, при взаимодействии релеевской волны с выпуклым препятствием наблюдается "туннельный" эффект прохождения й- волны.

В §3.2 рассмотрено взаимодействие релеевских волн с жестким препятствием. Рассмотрены три вида препятствий: жесткая накладка, выемка, заполненная жесткой средой, и неоднородность типа поднимающейся ступеньки. Исследованы зависимости коэффициентов отражения и прохождения релеевских волн от размеров препятствия. Взаимодействие релеевской волны с препятствием вида жесткой поверхностной накладки приводит к появлению поперечной волны, распространяющейся в вертикальном направлении. Для аномалий жесткого характера уровень отражения меняется на порядок в зависимости от расположения аномального тела выше или ниже дневной поверхности. Столь же сильно меняется уровень отражения при изменении формы дневной поверхности: при изгибе поверхности вниз отражение существенно выше, чем при изгибе вверх. Зависимость уровня отраженного сигнала от размера аномального тела иказывается очень сложной, имеющей характер резонансного выделения некоторых частот. Ярким примером этого является влияние на распространение волн уступа типа "подъем".

Более простой для интерпретации является зависимость уровня проходящих релеевских волн от характера аномального тела. Практически все виды аномальных включений приводят к резкому ослаблению уровня распространяющегося сигнала, что может быть принято в качестве удобного критерия выделения

аномалии безотносительно к ее природе.

В §3. 3 рассмотрено преобразование релеевской волны в Р-и S-волны на двумерной модели с разрезом. Для проведения опытов была изготовлена двумерная модель с разрезом, на одном из торцов которого находился источник нормальной силы. Эксперимент показал, что диаграмма направленности для переизлученной S-волны качественно соответствует касательной силе, действующей на свободной поверхности и сосредоточенной на участке с линейными размерами порядка длины S-волны. На г-компоненте- S-волна практически не выделяется. Диаграмма' направленности Р-волны в первом приближении близка к диаграмме направленности источника типа центра давления. Колебания амплитуды Р-волны в зависимости от угла не превышают 507. от среднего значения.

В §3.4 приведены полевые эксперименты по поиску локальных неоднородностей (л. н.) при импульсном зондировании. Для решения вопроса о возможности поиска л. н. с помощью сейсмических волн проводились эксперименты по выявлению динамических и кинематических особенностей, которые вносят л. к. при регистрации различных волн для разных систем наблюдения. В качестве модели л. н. был выбран цилиндр из пенопласта диаметром 0.3 м и высотой 0.1 м в верхнем слое почвы. Влияние л. н. на волновое поле проявляется следующим образом: 1) снижение в 2-3 раза амплитуды проходящей волны при расположении приемника над краями л. н. 2) повышение амплитуды SH-волны на сейсмотрассах при расположении приемника над л. н. 3) задержка времени вступления SH-волны на 0.5-1.0 мсек из-за снижения скорости S-волн в слое земли, закрывающем поверхность обьекта, 4) уменьшение уровня высокочастотных составляющих спектра сигнала (первое вступление SH-волны с видимым периодом 1мсек) из-за повышенного поглощения в измельченном грунте.

В §3.5 рассмотрено применение приемо-излучающих антенн для поиска локальных неоднородностей. Для изучения возможности использования приемо-излучающих систем с целью обнаружения локальных неоднородностей была изготовлена

следующая антенна. Источники располагались на линии, все точки которой имеют одинаковое удаление, равное Я -12. 5 см от точки Р. Аналогично, но на другом удалении, равном 13=13.5 см, расположены приемники. Экспериментальные исследования на физических моделях показали возможность обнаружения локальных неоднородностей на отраженных поверхностных волнах релеевского типа при использовании направленных фокусирующих ультразвуковых приемо-излучающих антенн с совмещенными фокусами. Обнаружена

помехоустойчивость работы локатора по обнаружению приповерхностных объектов при наличии неоднородностей типа бугра. Проведенные эксперименты с объектом, имеющим характерные размеры - О. 4Х, на удалении приемо-излучающих антенн 5 X доказывают возможность использования ультразвуковых локаторов для обнаружения объектов, размеры которых меньше длины волны зондирующего сигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом выполненной работы является создание аппаратуры и методики для экспериментального изучения, распространения поверхностных волн в условиях сложных структур, направленной на повышение достоверности и эффективности выявления приповерхностных локальных неоднородностей.

В работе на базе оригинальных разработок аппаратуры для ультразвукового' и натурного моделирования и результатов обработки полученных сейсмограмм решена первоочередная задача для раз2;~ия методов изучения распространения поверхностных волн в условиях локальных неоднородностей.

Созданные двухкомпонентные у-образные

пьезоэлектрические источники и приемники позволили получить более ясную, точную и достоверную информацию о волновых полях в 'модели, а также сняли проблему неидентичности амплитудно-частотных характеристик преобразователей для нормальных и тангенциальных к

поверхности модели компонент колебаний. Оригинальная конструкция датчика, состоящего из двух идентичных преобразователей, обеспечивает одинаковую акустическую нагрузку на модель и открывает широкий доступ к сравнению спектральных характеристик волн различной природы: продольных, поперечных, поверхностных, обменных и т.д. Одновременная двухкомпонентная регистрация позволяет увеличить быстродействие и исключить погрешности измерений из-за неточности установки датчика, обусловленные тем, что ранее его приходилось поворачивать или проводить съемку волнового поля разными преобразователями.

Аппаратурный комплекс для ультразвукового моделирования, оснащенный двух- и трехкомпонентными датчиками, позволяет расширить возможности решения прямых динамических задач многоволновой сейсморазведки в применении к трехмерным объектам сложной структуры, где необходимо, чтобы величины горизонтальных и вертикальных сил, а также чувствительности вертикальных и горизонтальных приемников были одинаковы.

Экспериментальные исследования средствами

ультразвукового сейсмического моделирования диаграмм направленности поверхностных источников поперечных волн типа направленной силы на удалении в 70X между источником и приемником подтвердили обращение в ноль интенсивности поперечной волны под углом 45®, полученное ранее численными и асимптотическими методами, и позволили обнаружить расхождение экспериментальных результатов с асимптотическими аналитическими оценками вблизи критического угла из-за влияния конической волны. В ранее проведенных экспериментах это не удалось обнаружить из-за недостаточной относительной дальности зондирования.

Проведенные исследования рассеивания релеевских волн на локальных неоднородностях позволили получить более точную и достоверную информацию о зависимости отраженных волн от вида препятствия, формы объекта, а также от характера отличия его волнового сопротивления. Взаимное превращение релеевских и поперечных волн на выпуклых

неоднородностях дневной поверхности требует пересмотреть традиционные представления о характере движения поверхностных волн, а также поаволяет объяснить значительно более слабое затухание релеевских волн при движении вдоль неровной дневной поверхности. Установлено, что проходящие релеевские волны практически всегда ослабляются препятствием, имеющим размеры, соизмеримые с длиной волны, и поэтому могут быть удобным видом зондирующего сигнала при решении задач инженерной сейсморазведки. Практическое значение при создании источников S-волн может иметь преобразование R-волн в объемные на препятствии вида жесткой накладки, расположенной на свободной поверхности вблизи источника вертикальной силы.

Несомненно, исследования по моделированию распространения поверхностных волн должны быть продолжены по широкому кругу вопросов. Необходимо дальнейшее развитие экспериментально-методологической базы для изучения поведения поверхностных волн в анизотропных средах. Не менее важным аспектом является развитие моделирования при наличии таких широко распространенных явлений как трещиноватость, градиентность скорости ВЧР.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Программно-аппаратурный комплекс "Эхо-1" для ультразвукового сейсмического моделирования. Методические рекомендации. / Сост.: В. А. Бобров, Л. Д. Гик, Н. М. Держи, а А. Орлов. - Новосибирск. ИГиГ СО АН СССР, 1984.- 124с.

2. Пузырев Е Н., Бобров Б. А., Гик Л. Д. , Тригубов Д В. Исследование направленности источников . поперечных волн средствами физического моделирования//Геология и геофизика. -1985.- N5. - С. 66-74.

3. Б. А. Бобров, Л. Д. Гик К вопросу об использовании поверхностных волн для изучения-неоднородностей в верхней части разреза//Геология и геофизика. - 1984. - N11.

С. 91-97.

4. Б. А. Бобров, Л. Д. Гик, А. В. Покидько Экспериментальное исследование рассеивания релеевских волн жестким

прелягствием//Геология и геофизика. - 1986. - N5. С. 125-129.

5. A.c. 1402986 СССР, МКИ G01V/16 Трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик/Б. А. Бобров (СССР). - 4с.. ил.

6. A.c. 1190325 СССР, МКИ G01V/16 Трехкомпонентный датчик для сейсмического моделирования/Б. А. Бобров, JL Д. Гик, Ю. А. Орлов (СССР). -4с. ил.

7. Б. А. Бобров Пример преобразования релеевской волны в Р- и S-волны на двумерной модели с разрезом. Сб. научн. тр.: Моделирование задач сейсморазведки. Новосибирск, 1988.- С. 61-64

8. A.C. 1022093 СССР, МКИ G01V1/16 Способ проверки идентичности группы сейсмоприемников/Б. А. Бобров, Л. Д. Гик (СССР). - 4с..

9. A.c. 1022092 СССР, МКИ G01V1/16 Способ проверки параметров электродинамических сейсмоприемников/Б. А. Бобров, Л. Д. Гик, Ю. А. Орлов (СССР). - 4с.. ил.

10. A.c. 1290137 СССР, МКИ G01V1/16 Ультразвуковой шкрс;кполосный датчик с регулируемой диаграммой направленности/Б. А. Бобров, Л. Д. Гик, Ю.А. Орлов (СССР), -бс. ил.

11. Бобров Б. А., Гик Л. Д., Орлов Ю. А. Опыт моделирования задач многоволновой сейсморазведки средствами ультразвукового физического моделирования// Всесоюз. совещание. Многоволновая сейсморазведка. Тез. докл. - Новосибирск. - Изд-во ИГиГ СО АН СССР. 1985. 147с.

12. Бобров Б. А., Гарин В. Е , Гик Л. Д., Держи Е М., Колобова С. Е., Орлов Ю. А. Сравнение методов обработки по данным сейсмического моделирования//Разведочная геофизика. -1986. - N103. - С. 10-14

13. Бобров Б. А., Гик Л. Д., Орлов КХ А. Калибровка электродинамических сейсмоприемников в полевых условиях// Разведочная геофизика. - 1983. - N78. - С. 72-78.

14. Бобров Б. А., Гик Л. Д., Зайцев В. П. Лебедев К. А. Орлов КХ А. Дистанционное измерение сейсмических колебаний низких частот//Геофизическая аппаратура. - 1985. - N83.

С. 30-37