Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностной сейсмической волны в грунтах

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "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

0Й4604539

Дубна-2010

004604530

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 Леонндович 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 {'^ц'—'

кандидат биологических наук, доцент И. 3. Каманина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Сейсмоакустические исследования связаны с использованием физических эффектов, возникающих при возбуждении и распространении импульсов ссйсмоакустического 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, ЗБ-сейсморазвсдки, 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, 8А8\У,

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 Р-, ЯУ-и 5Н-компоненгами 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 неод-нородностей 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 короткопро-фильных 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 сейсмоаку-стических 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. 3. 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 сейсмоаку-стических 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

10

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 05-2(ШХ), ориентированный так, чтобы выделять вертикальную (V), поперечную (Т) и продольную (И.) 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.

Источник Датчики

1 2 .< к О у п_а_а__п х

\ V ' \' / ' 4 > * < V

1 М / 1 М / 1 м

г

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 подтвер-

ждена 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 трехкомпоненгных 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).

12

Рисунок 2. Сейсмограммы продольной (Я), вертикальной (V) и поперечной (Т) компонент волнового поля.

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 Яд вблизи источника точно совпадают с главными спектральными максимумами соответствующих волновых пакетов после длительного пробега.

97815050

Рисунок 3. Спектры компонент на разных 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.

X X

гэфф

г

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 таюке 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 воз-

действия 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

г _ 1 2У5 2к г

где Ув - скорость поперечных волн в грунте, г - радиус излучателя. Используя значение резонансной частоты продольной компоненты /о я 60 Гц и У5 »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 гэфф 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 трехкомпонент-ных 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 150-160 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 прозвучи-ваемые образцы материалов имеют сравнительно малые размеры, и их

16

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).

---1

2 4 6 8 И) 12 14 16 км

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 х = 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 ¡¿>(х,/)|, демонстрирующих изменение частотной структуры поверхностной волны при ее распространении вдоль оси х (рисунки 6, 7, 8).

Е

О 20 40 60 SO 100 120 140 J60 ISO J] Гц

Рисунок 6. Спектрограмма SR(x,f) продольной компоненты волны.

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 / Гц

10

х, м

' Щ -

я ш

Рисунок 7. Спектрограмма Sv(x,f) вертикальной компоненты волны.

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 /. Гц

10

х, м

- -f

L-L О

Рисунок 8. Спектрограмма S1(x,f) поперечной компоненты волны.

Полученные пространственные интерференционные картины связаны между собой. В частности, отмечено соответствие картин для

V- и Я-компонент в выделенных на рисунках областях. Это позволяет предположить наличие взаимодействия между V- и Я-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 по-

Рисунок 9. Зависимость энергии волновых компонент в полосе частот 50 - 70 Гц от расстояния.

Графики показывают, как сильно изменяется вычисленные значения энергий в этой полосе. Быстрое убывание энергии Е1( продольной компоненты сопровождается ростом значений Еу и Ет 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 h, м VP, м/с Fs,M/C р, кг/м3

1 0.4 270 120 1200

2 00 340 200 1500

Источник воздействия задан площадкой радиуса г = 0.3 м на поверхности, передающей вертикальную нагрузку с амплитудой в виде

импульса Риккера cr22(x,0,t) = ехр(-0.5(t-t0)2/Т2) sin(o0/), где Т -

характерная длительность воздействия, ю0 - 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).

20

О 20 40 60 80 100 120 140 ¡60 180 ГГц

Рисунок 10. Спектрограмма (х,/) продольной компоненты у,.

0 20 40 60 НО 100 /20 140 160 /80 I Гц

Рисунок 11. Спектрограмма 52(х,/) вертикальной компоненты у,.

Для оценки влияния слоистой структуры грунта на характер взаимодействия изменяли толщину слоя И , при сохранении других параметров модели. Зависимость доминантной частоты от толщины слоя к и его кинематических параметров, таких как У5, отмечена в работе [Николаевский В. Н., 1996], где приведена ее запись в полученном феноменологически виде /, я /4/?. 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 /2 » л/8 У3/2лг,где г - радиус штампа излучателя.

Из спектрограммы получены значения доминантных частот /дом и пФиода пространственной модуляции интерференционной картины Рдом = Дх . По спектрограмме Б2 измерены частоты максимума спектральной плотности в спектре вблизи излучателя /макс. Результаты измерений и графики /, (И) и /20 = К) показаны на рисунке 12.

и II. 5 1.(1 1.5 2.11 ¡к.и 0 0.5 /л .и

Рисунок 12. Зависимость ]'оом и Рдом от толщины слоя И.

Отмечено совпадение полученных значений /дом с зависимостью /, (И), что свидетельствует о соответствии модели и эксперимента. Совпадение же /мшх и /2(й) 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 И эффективно создает сферический (или плоский с присоединенной массой) излучатель радиуса г = Ь . Это подтверждается тем, что при использовании вертикального излучателя максимум на частоте /макс наблюдается только в спектре вертикальной компоненты и на расстояниях х < к . При х > к, спектральные амплитуды на этой частоте имеют выраженный минимум.

График на рисунке 12 б показывает, что значение периода пространственной картины Рдом ~ /г. Линейная зависимость от толщины слоя возникает при интерференции волн со скоростями К, и У2 и линейными годографами, в частности, разных мод поверхностной волны. Результирующая интерференционная картина имеет пространственную модуляцию с периодом

1Уг-У\

С учетом этого получена формула для оценки толщины верхнего слоя грунта по данным пространственно-частотного спектра

V V -V

дом 4 УГг '

где Рдом - пространственный период на доминантной частоте, -скорость поперечной волны в верхнем слое, К,, У2- 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 20-200 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 ко-роткопрофильных 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:

1. Каляшин C.B., Изменение спектрального состава поверхностной упругой волны в грунте // Технологии сейсморазведки, 2008, № 1

2. Каляшин C.B., Особенности спектрального состава поверхностной сейсмической волны при возбуждении и распространении // Геофизика, 2008, № 4

3. Каляшин C.B., Взаимодействие компонент поверхностной сейсмической волны // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции преподавателей, студентов, аспирантов и молодых ученых. Дубна: Университет «Дубна», 2009

4. Каляшин C.B., Исследование интерференционных картин в пространственно-частотном спектре поверхностной сейсмической

25

волны // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов. Дубна: Университет «Дубна», 2010

5. Каляшин C.B., Эффект волнового взаимодействия, наблюдаемый при 3-компонентной регистрации и моделировании поверхностной волны в грунте // Геофизика, 2010, № 2

6. Каляшин C.B., Изменение характеристик сейсмических волн при многократном воздействии ударного источника на грунт // Электронное научное издание «ГЕОразрез», 2010

Соискатель Каляшин С. В.

Подписано в печать 04.05.2010. Обрезной формат 148x210. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 экз. Заказ № 01-0605-10.

Печатный салон ГРиДА принт 141980, г.Дубна, Московской обл., ул.Кирова, д.26. e-mail: grida@dubna.ru www.printzone.ru

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Каляшин, Степан Валерьевич

Введение.

Глава 1. Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностных волн.

1.1. История изучения вопроса.

1.2. Развитие практических методов, основанных на наблюдении поверхностных волн.

1.2.1. Геофизические и геоинженерные методы.

1.2.2. Методы решения технических задач.

1.3. Анализ современного состояния вопроса.

1.4. Теоретические модели, описывающие взаимодействие поверхностных волн в средах различной структуры.

1.4.1. Применимость решений теории упругости к исследованию грунтов

1.4.2. Постановка задачи распространения упругих волн.

1.4.3. Изучение связей полей смещения, возникающих в системе волновых уравнений.

1.4.3.1. Однородное изотропное пространство.

1.4.3.2. Однородное изотропное полупространство.

1.4.3.3. Поверхностная волна Рэлея.

1.4.3.4. Волны в твердом слое на полупространстве.

1.4.3.5. Поверхностные волны других типов.

1.4.4. Линейное взаимодействие волн.

1.4.5. Нелинейное взаимодействие волн.

1.4.6. Диссипации.

1.5. Выводы.

Глава 2. Экспериментальное исследование.

2.1. Анализ влияния измерительных искажений при регистрации волнового поля.

2.1.1. Структура измерительной системы.

2.1.2. Источник поверхностных волн.

2.1.3. Датчик сейсмических колебаний.

2.1.4. Влияние среды на измерение волнового поля.

2.1.5. Контакт датчика и среды.

2.1.6. Регистратор сейсмических колебаний.

2.1.7. Оценка и учет суммарного вклада искажений.

2.2. Условия проведения экспериментальных работ.

2.2.1. Структура и состав грунтов.

2.2.2. Схема проведения ЗС-измерений поля поверхностной волны.

2.3. Оценка идентичности импульсов возбуждения от источника.

2.4. Влияние кратности воздействия источника на параметры регистрируемой поверхностной волны.

2.5. Изучение состава наблюдаемых сейсмических волн.

2.5.1. Сейсмоакустические шумы в исследуемом диапазоне частот.

2.5.1.1. Природные шумы.

2.5.1.2. Техногенные шумы.

2.5.2. Учет влияния акустосейсмического эффекта.

2.6. Выводы.

Глава 3. Обработка экспериментальных данных.

3.1. Порядок применения процедур цифровой обработки данных.

3.1.1. Спектральное оценивание импульсов волнового поля.

3.1.1.1. Оконное преобразование Фурье.

3.1.1.2. Преобразование Вигнера-Вилля.

3.1.1.3. Вейвлетное преобразование.

3.1.2. Частотная фильтрация.

3.1.3. Когерентное накопление.

•3.1.4. Фильтрация по кажущимся скоростям в пространстве f-k.

3.2. Изучение сигналов поверхностных волн.

3.2.1. Сейсмограммы поверхностных волн.

3.2.2. Анализ модового состава.

3.2.3. Оценка глубины проникновения поверхностных волн.

3.2.4. Изучение частотно-временной структуры волновых пакетов.

3.2.5. Поляризационный анализ структуры волнового пакета.

3.3. Формирование частотного спектра волнового поля.

3.3.1. Анализ спектров компонент поля поверхностной волны вблизи источника.

3.3.2. Анализ спектров поля на больших расстояниях от источника.

3.3.2.1. Область формирования поверхностной волны.

3.3.2.2. Образование доминантных частот в спектрах компонент поля поверхностной волны.

3.4. Исследование затухания компонент поля поверхностной волны.

3.5. Трансформация частотных спектров компонент, наблюдаемая при распространении поверхностной волны.

3.6. Спектральный анализ сигнала от шага человека.

3.7. Выводы.

Глава 4. Численное моделирование физических процессов в поверхностной волне.

4.1. Построение модели среды с волновым взаимодействием.

4.1.1. Физическая модель.

4.1.2. Переход к конечно-разностной модели.

4.1.3. Результаты моделирования волнового взаимодействия.

4.2. Моделирование влияния слоистой структуры среды на параметры процессов взаимодействия.

4.3. Моделирование обнаружения заглубленных объектов.

4.4. Выводы.

Глава 5. Практическое использование результатов исследования.

5.1. Требования к методике сейсмоакустических наблюдений поверхностных волн.

5.2. Результат применения методических требований при создании системы, основанной на наблюдении поверхностных сейсмических волн.

5.3. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностной сейсмической волны в грунтах"

Актуальность исследования

Сейсмические исследования связаны с использованием физических эффектов, возникающих при возбуждении и распространении импульсов сейсмического 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 сейсмических 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 сейсмические и сейсмоаку-стические волны. Например, поверхностные волны Рэлея составляют более двух третей общей волновой энергии, создаваемой источником [97]. Эти волны образуются при наличии в сплошной среде протяженных границ, и обладают меньшим по сравнению с объемными волнами коэффициентом затухания [4, 10]. 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 [75, 103]. 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 исследований традиционными методами MOB, МПВ, ОГТ, ЗО-сейсморазведки [4, 15, 39], в которых поверхностные волны являются помехами.

С другой стороны сложные интерференционные и дисперсионные процессы, наблюдаемые в реальной среде, увеличивают неоднозначность результатов, получаемых методами изучения поверхностных волн, такими как поверхностно-волновая томография [63], методы спектрального анализа SASW, MASW [93, 100, 101, 103].

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 срёде, полученной на основе других физических принципов.

Анализируя многочисленные работы, посвященные исследованиям поверхностных волн в реальных средах [6, 26, 46, 55, 69, 11, 79, 83, 103], можно сделать следующие выводы. Сложные эффекты, наблюдаемые в поверхностной волне при ее возбуждении и распространении в среде, требуют глубокого изучения. Ряд процессов, происходящих в поверхностных сейсмических волнах, может быть обнаружен и объяснен только при использовании трехкомпонент-ных 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 Р-, 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 сейсмических данных и сформулировать требования к организации систем наблюдения поверхностных сейсмических 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 сейсмоакустических измерений поверхностных волн.

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.

Структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Каляшин, Степан Валерьевич

5.3. Выводы

Использование результатов диссертационного исследования, а также представленных методических требований позволило разработать комплексные интеллектуальные сейсмоакустические системы, применить их на практике для ведения постоянного круглосуточного мониторинга и обеспечения безопасности крупных территорий, а также наметить пути по их развитию и созданию новых перспективных систем.

Заключение

Основные практически значимые результаты 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 сейсмоакусти-ческих наблюдений поверхностных волн при изучении физических процессов в верхних 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.

Направление развития темы

Одним из перспективных направлений для развития темы представляется исследование влияния процессов взаимодействия, сопровождающего распространение поверхностных сейсмических волн, на условия комфортного проживания человека. В многочисленных публикациях [59] приводятся сведения о негативном влиянии поверхностных волн на инженерно-технические сооружения, в том числе жилые постройки. Известно, что волны различных пространственных поляризаций оказывают разное по силе и последствиям воздействие. Такое воздействие может быть вызвано не только природными сейсмическими явлениями, но в настоящее время чаще создается техногенными событиями, в

140 том числе повседневной деятельностью человека. Исследование возможности практического управления процессами взаимодействия поверхностных волн, в результате влияния которых происходит преобразование мод и поляризаций, позволит повысить уровень комфортного проживания и увеличит степень экологической безопасности человека.

С другой стороны, изучение взаимодействия поверхностных сейсмических волн позволяет подойти к пониманию процессов преобразования мод и поляризаций при выходе глубинных волн на поверхность земли через зону малых скоростей, процессов формирования волн, предположению того, каким источником могла быть вызвана та или иная волна, зарегистрированная на большом расстоянии.

Все это связывает результаты диссертационного исследования с проблемами крупномасштабной сейсмики и сейсмологии, задающими очередные и не менее сложные вопросы, ответы на которые необходимо находить, так как этого требует Природа, Общество и Человек.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Каляшин, Степан Валерьевич, Дубна

1. Адушкин В.В., Спивак А.А., Овчинников В.М. и др., Геоэкологический контроль за геофизическими полями мегаполиса // Геоэкология, 1995, № 2, 44-56

2. Алексеев А.С., Геза Н.И., Глинский Б.М. и др., Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, 2004

3. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В. и др., Взаимодействие акустических и сейсмических волн при вибросейсмическом зондировании // Труды ВЦ СО РАН. Мат. модел. в геофизике, т. 3, Новосибирск, 1994,3-11

4. Аки К., Ричарде П., Количественная сейсмология. М: Мир, 1983

5. Бархатов В.А., Решение волновых уравнений методом конечных разностей во временной области. Двумерная задача. Основные соотношения: Дефектоскопия, 2007, № 9

6. Бат М., Спектральный анализ в геофизике. М: Недра, 1980

7. Береснев И.А., Митлин B.C., Николаевский В.Н., Роль коэффициента нелинейности при возбуждении доминантных сейсмических частот // ДАН СССР. 1991. Т. 317. № 5

8. Болотин В.В. ред., Колебания линейных систем: Вибрации в технике. Том 1. М: Машиностроение, 1978

9. Брагов А.М, Ломунов А.К., Деменко П.В., Исследование физико-механических свойств мягких грунтов при ударе // Труды VI Забабахин-ских научных чтений. ВНИИТФ, 2001

10. Бреховских Л.М., Годин О.А., Акустика слоистых сред. М: Наука, 1989

11. Бубнов Е.Я. и др., Исследование волновой структуры движущихся непрерывных сейсмических источников // Физика Земли, 2001, № 10, 71-75

12. Викторов И.А., Звуковые и поверхностные волны в твердых телах. М: Наука, 1981

13. Гальперин Е.Н., Ситников А.В., Кветинский С.И., Опыт и результаты экспериментального изучения высокочастотных сейсмических шумов // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1989, с. 99-109

14. Гринченко В.Т., Мелешко В.В., Гармонические колебания и волны в упругих телах. Киев: Наукова думка, 1981

15. Гурвич И.И., Боганик Г.Н., Сейсмическая разведка. М: Недра, 1980

16. Гольдштейн М.Н., Механические свойства грунтов. М: Стройиздат, 1971

17. Далматов Б.И., Механика грунтов, основания и фундаменты. JI: Стройиздат, 1988

18. Динариев О.Ю., Николаевский В.Н., Колебания с высокой добротностью в слоистой упругой среде // Акустический журнал, 2005, т. 51, № 5, 623-627

19. Добеши И., Десять лекций по вейвлетам. Ижевск, 2001

20. Ерофеев В.И., Кажаев В.В, Семерикова Н.П., Волны в стержнях. Дисперсия. Диссипация. Нелинейность. М: Физматлит, 2002

21. Железняков В.В., Комаровский В.В., Кочаровский Вл.В., Линейное взаимодействие электромагнитных волн в неоднородных слабоанизотропных средах// Успехи физических наук, 1983, № 141, с. 257

22. Завадский В.Ю., Вычисление волновых полей в открытых областях и волноводах. М: Наука, 1972

23. Зайцев В.Ю., О «неклассических» проявлениях микроструктурно-обусловленной акустической нелинейности на примере контакто-содержащих сред // Нелинейные волны 2006, под ред. Гапонов-Грехов А.В., Некор-кин В.И. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2007, 170-190

24. Зайцев В.Ю., Гурбатов С.Н., Прончатов-Рубцов Н.В., Нелинейные акустические явления в структурно-неоднородных средах. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2009

25. Заславский Г.М., Мейтлис В.П., Филоненко Н.Н., Взаимодействие волн в неоднородных средах, Новосибирск: Наука, 1982

26. Заславский Г.М., Сагдеев Р.З., Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса, М: Наука, 1988

27. Каляшин С.В., Изменение спектрального состава поверхностной упругой волны в грунте // Технологии сейсморазведки, 2008, № 1

28. Каляшин С.В., Особенности спектрального состава поверхностной сейсмической волны при возбуждении и распространении // Геофизика, 2008, №4

29. Каляшин С.В., Взаимодействие компонент поверхностной сейсмической волны // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции преподавателей, студентов, аспирантов и молодых ученых. Дубна: Университет «Дубна», 2009

30. Каляшин С.В., Эффект волнового взаимодействия, наблюдаемый при 3-компонентной регистрации и моделировании поверхностной волны в грунте // Геофизика, 2010, № 2

31. Каляшин С.В., Изменение характеристик сейсмических волн при многократном воздействии ударного источника на грунт // Электронное научное издание «ГЕОразрез», 2010

32. Кауфман А.А., Левшин А.Л., Акустические и упругие поля в геофизике: Введение в теорию геофизических методов. Том 5, М: Недра, 2006

33. Ковалевский В.В., Исследование акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами // Акустический журнал, 2005, т. 51, 104-114

34. Крауклис А.П., Крауклис П.В., Фатьянов А.Г., Резонансные волны в средах с ослабленными границами // Записки научных семинаров ПОМИ, 2008, т. 354

35. Кузнецов В.В., Сильные движения грунта при взаимодействии поверхностных и акустических волн вблизи мощного сейсмовибратора

36. Кузнецов O.JI., Графов Б.М., Сунцов А.Е., Арутюнов С.Л., Технология АНЧАР. О теории метода // Геофизика, 2003, Спецвыпуск, 103-107

37. Кузнецов O.JL, Чиркин И.А., Курьянов Ю.А. и др., Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред. Том 2. М: ВНИИгеосистем, 2004

38. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю., Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. М: Физ-матлит, 2001

39. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теория упругости: Теоретическая физика. Том 7. М: Наука, 1987

40. Лиит Л.Д., Сейсмические явления при испытании атомной бомбы // Успехи физических наук, 1947, т. XXXI, вып. 2, 264-277

41. Митлин B.C., Николаевский В.Н., Нелинейные поверхностные волны в средах со сложной реологией // Собрание трудов. Геомеханика. Земная кора. Нелинейная сейсмика. Вихри и ураганы. Том 2, М: НИЦ РХД, 2010

42. Монахов Ф.И., Низкочастотный сейсмический шум Земли. М: Наука, 1997, с. 96

43. Николаевский В.Н., Геомеханика и флюидодинамика. М: Недра, 1996

44. Новацкий В., Теория упругости. М: Мир, 1975

45. Оден Дж., Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М: Мир, 1976

46. Озеров Д.К., Волин А.П., Теоретико-экспериментальное исследование волн Лява // Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Под ред. Петрашень Г.И, Сборник 2, 1959

47. Павленко О.В., Самомодуляция сейсмических волн в приповерхностных грунтах // Доклады Академии наук, 2007, т. 414, № 5, 676-682

48. Петрашень Г.И, Решетников В.В., Разработка инженерных подходов к изучению интерференционных волновых полей, возбуждающихся в пачках тонких упругих слоев // Записки научных семинаров ПОМИ, 1999, т. 253

49. Петрашень Г.И, Распространение сейсмических волновых полей в слоистых средах // Записки научных семинаров ПОМИ, 2000, т. 273

50. Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Вторая региональная научно-техническая конференция. Петропавловск-Камчатский, 2009. Тезисы докладов. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН, 2009

51. Руденко О.В., Солуян С.И., Теоретические основы нелинейной акустики, М: Наука, 1975

52. Савиных Ю.А., Музипов Х.Н., Кузнецов О.Л., Создание помехозащищен-ного канала для передачи забойной информации с помощью подавления шумов стоячими звуковыми волнами // Нефтяное хозяйство, 2007, № 1

53. Самарский А.А., Введение в теорию разностных схем, М: Наука, 1971

54. Смирнова Н.С., Сурков Ю.А., Классическая и обобщенная задачи Лява в области низкочастотных интерференционных волн сигнального типа // Записки научных семинаров ПОМИ, 1999, т. 253

55. Сурков Ю.А., Решетников В.В., Численное исследование свойств квазилокальных плоских волн модального типа в случае тонкого низкоскоростного упругого слоя, контактирующего с упругим полупространством // Записки научных семинаров ПОМИ, 2004, т. 308

56. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г., Барабошкина Т.А. и др., Трансформация экологических функций литосферы в эпоху техногенеза. М: Ноосфера, 2006149

57. Хмелевской В.К., Попов М.Г., Калинин А.В. и др., Геофизические методы исследования. М: Недра, 1988

58. Шагинян А.С., Циммерман В.В, Гинзбург B.C., Развитие методов теоретического анализа динамики процесса излучения сейсмических волн вибрационным источником // Нефтегазовая геология и геофизика, 1983, № 10, 14-15

59. Шнеерсон М.Б., Майоров В.В., Наземная невзрывная сейсморазведка, М. Недра, 1988

60. Яновская Т.Б., Методика поверхностно-волновой томографии, основанная на использовании данных от удаленных землетрясений // Физика Земли, № 3, 2009, 50-55

61. Al-Eqabi G.I., Herrmann R.B., Ground Roll: A potential tool for constraining shallow shear wave structure // Geophysics, 1993, № 58, 713-719

62. Allen R.L., Mills D.W., Signal analysis. Time, frequency, scale and structure. Wiley, 2004

63. Azimi Sh.A., Kalinin A.V., Kalinin V.V., Pivovarov B.L., Impulse and transient characterictics of media with linear and quadratic absorption laws // Isvestia Physics of the Solid Earth, AGU, 1968, 88-93

64. Badri M., Mooney H.A., Q measurements from compressional waves in unconsolidated media// Geophysics, 1978, № 52, 772-784

65. Berenger J.-P., A perfectly matched layer for absorption of electromagnetic waves // Journal of Computational Physics, 1994, № 114

66. Bukchin B.G., Yanovskaya T.B., Montagner J.-P. et al., Surface wave focusing effects: Numerical modeling and statistical observations // Physics of the Earth and Planetary Interiors, № 155, 2006, 191-200

67. Dorman J., Ewing M., Numerical inversion of seismic surface wave dispersion data and crust-mantle structure in the New York-Pennsylvania area // J. Geo-phys. Res., 1962, № 67, 5227-5241

68. Dorman J., Ewing W. M., Olivier J., Study of the shear-velocity distribution in the upper mantle by mantle Rayleigh waves // Bulletin of the Seismological Society of America, 1960, 50, 87-115

69. Drijkoningen et al., The usefulness of geophone ground-coupling experiments to seismic data // Geophysics, 2000, v. 65, № 6, 1780-1787

70. Drijkoningen et al., A new elastic model for ground coupling of geophones with spikes // Geophysics, 2006, v. 71, № 2, Q9-Q17

71. Ewing W. M., Jardetzky W. S., Press F., Elastic waves in layered media, New York: McGraw Hill, 1957

72. Goforth Т., Hayward C., Seismic reflection investigations of a bedrock surface buried under alluvium//Geophysics, 1992, №57, 1217-1227

73. Havskov J., Alguacil G., Instrumentation in Earthquake Seismology // Modem Approaches in Geophysics, 2004, № 22, Springer

74. Hoover G.M., O'Brien J.T., The influence of the planted geophone on seismic land data // Geophysics, 1980, № 45, 1239-1253

75. Huerta-Lopez C.L., Shin Y., Powers E.J., Roesset J.M., Time-Frequency analysis of earthquake records // 12th World Conference on Earthquake Engineering, 2000

76. Jongmans D., Demanet D., The importance of surface waves in vibration study and the use of Rayleigh waves for determining the dynamic characteristics of soils // Engineering Geology, 1993, № 34, 105-113

77. Jones R., Surface wave technique for measuring the elastic properties and thickness of roads: Theoretical development // British Journal of Applied Physics, 1962, № 13,21-29

78. Knopoff L., Observation and inversion of surface wave dispersion // Tectono-physics, 1972, № 13, 497-519

79. Krohn Ch. E., Geophone ground coupling // Geophysics, 1984, № 49, 772-731

80. Lacoss R.T., Kelly E.J., Toksoz M.N., Estimation of seismic noise structure using arrays // Geophysics, 1969, № 34, 21-38

81. Lamb H., On the propagation of tremors over the surface of an elastic solid // Phil. Trans. R. Soc., 1904, v. A203, 1-42

82. Leet L.D., Empirical investigation of surface waves generated by distant earthquakes // Publications of the Dominion Observatory, Ottawa, 1931, v. 7

83. Li Y., Zheng X., Wigner-Ville distribution and its application in seismic attenuation estimation // Applied Geophysics, 2007, v. 4, № 4, 245 254

84. Love A.E.H., Some problems of geodynamics, Cambridge: University Press, 1911

85. Matthews M.C., Hope V.S., Clayton C.R.I., The use of surface waves in the determination of ground stiffness profiles // Proc. Instn. Civ. Engrs. Geotech. Engng., 1996, № 119, 84-95

86. Miller G.F., Pursey H., On the partition of energy between elastic waves in a semi-infinite solid // Proceedings of the Royal Society, 1955, v. A233, 55-59

87. Milsom J., Field geophysics. Wiley, 2003

88. Nazarian S., In situ determination of elastic moduli of soil deposits and pavement systems by spectral-analysis-of-surface-waves method. Ph.D. Dissertation, 1984, The University of Texas at Austin

89. Park C.B., Miller R.D., Ivanov J., Filtering surface waves

90. Park C.B., Miller R.D., Xia J., Multichannel analysis of surface waves // Geophysics, 1999, № 64, 800-808

91. Pelton J.R., Near-Surface Seismology: Surface-Based Methods // Near-surface Geophysics, 2005, № 13, 242-247

92. Plona T.J., Observation of a second bulk compressional wave in a porous medium at ultrasonic frequencies // Appl. Phys. Let., 1980, № 36, 259

93. Rayleigh J.W., On waves propagated along the plane surface of an elastic solid // Proc. Lond. Math. Soc., 1885, 17, № 253, 4-11

94. Richart F.E., Hall J.R., Woods R.D., Vibrations of soils and foundations, Prentice-Hall, 1970

95. Saenger E.H., Gold N., Shapiro S.A., Modeling the propagation of the elastic waves using a modified finite-difference grid // Wave motion, 2000, № 31152

96. Sezawa К., Dispersion of elastic waves propagated on the surface of stratified bodies and on curved surfaces // Bull. Earthquake Res. Inst. Tokyo, 1927, v. 3, 1-18

97. Socco L.V., Strobbia C., Surface-wave method for near-surface characterization: a tutorial //Near Surface Geophysics, 2004, № 2,165-185

98. Stokoe К. H., Rix G. J., Nazarian S., In Situ Seismic Testing with Surface Waves // In Proc. XII Intl. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1989,331-334

99. Stoneley R., Elastic waves at the surface of separation of two solids // Proc. Royal Soc., 1924, vol. A106, 416-428 .

100. Stumpel H., Kahler S., Meissner R., Milkereit В., The use of seismic shear waves and compressional waves for lithological problems of shallow sediments // Geophysical Prospecting, 1984, № 32, 662-675

101. Tokimatsu K., Kuwayama S., Tamura S., Miyadera Y., Vs determination from steady state Rayleigh wave method // Soils and Foundations, 1991, v.31, № 2,• 153-163.

102. Van der Poel C., Dynamic testing of road constructions // J. appl. Chem., 1 July, 1951

103. Van Vossen R., Curtis A., Laake A., Trampert J., Surface-consistent deconvolu-tion using reciprocity and waveform inversion // Geophysics, 2006, № 71, 1930

104. Virieux J., P-SV wave propagation in heterogeneous media // Velocity-stress finite difference method // Geophysics, 1986, № 51, 889-901

105. Willis D.E., DeNoyer J.M., Seismic attenuation and spectral measurements from the Lake Superior experiment // Am. Geophys Union. Geophys Monogr., v. 10,218-226

106. Winkler K.W., Murphy W.F., Acoustic velocity and attenuation in porous rocks // Rock physics and phase relations, ed. Ahrens T.J., AGU, 19951. Условные обозначения1. Обозначение Наименованиеt Время

107. X Горизонтальная координата, расстояние

108. У Горизонтальная координатаz Вертикальная координата, глубинаh Толщина слояf Частотасо Угловая частота1. X Длина волныи Вектор смещения частиц

109. V Вектор скорости смещения частицр Плотность1. К ц Постоянные Ламе

110. В Модуль объемной деформацииц Модуль сдвига1. V Коэффициент Пуассона1. Vp Скорость Р-волны1. Vs Скорость S-волны1. Vr Скорость волны Рэлеяvsx Скорость волны Стоунли

111. V Вертикальная компонента ЗС-записит Поперечная компонента ЗС-записи

112. R Продольная компонента ЗС-записиfd Доминантная частота

113. Pd Доминантный пространственный период1. Подписи к рисункам

114. Рисунок 1. Динамические диаграммы для суглинка (по 9.).24

115. Рисунок 2. Взаимодействие волн на границе полупространства.30

116. Рисунок 3. Зависимость коэффициента отражения Р-волн на свободной границепо 10.).32

117. Рисунок 4. Амплитуды смещений в волне Рэлея (по 14.).35

118. Рисунок 5. Зависимость средней по времени плотности энергии в волне Рэлеяот глубины (по 14.).36

119. Рисунок 6. Слой на полупространстве.37

120. Лява на границе твёрдое полупространство твёрдый слой.39

121. Рисунок 8. Пересечение решений (по 26.).42

122. Рисунок 9. Блочная схема построения измерительной системы.49

123. Рисунок 10. Спектральные искажения при измерении: а — спектр источника, б, в, г передаточные функции среды, датчика и регистратора, д — спектрпринятого сигнала.511. Рисунок 11. Источник.52

124. Рисунок 12. Амплитудный спектр источника S0.53

125. Рисунок 13. Устройство датчика.54

126. Рисунок 14. АЧХ сейсмодатчика.55

127. Рисунок 15. ФЧХ сейсмодатчика.55

128. Рисунок 16. АЧХ для среды.57

129. Рисунок 17. ФЧХ для среды.57

130. Рисунок 18. Влияние контакта на АЧХ датчика.59

131. Рисунок 19. Влияние контакта на ФЧХ датчика.59

132. Рисунок 20. Электрическая схема регистратора.61

133. Рисунок 21. Состав верхнего слоя грунта: А почвенный слой, Б - слойподзолов, В слой суглинков.64

134. Рисунок 22. Схема проведения эксперимента.64

135. Рисунок 23. Стэк из 10 последовательных импульсов источника, измеренных вертикальной (V), поперечной (Т) и продольной (R) компонентами датчика прих = 1 м.67

136. Рисунок 24. Зависимость нормированных волновых компонент, регистрируемых на расстоянии х = 1 м, от числа импульсов. Пунктирные линиипоказывают сглаженные значения.68

137. Рисунок 25. Стэк 50 импульсов источника (каждого 10-го из 500), измеренных вертикальной (V), поперечной (Т) и продольной (R) компонентами датчика прих = 1 м. Черным цветом выделены первые 12 импульсов.70

138. Рисунок 26. Наблюдаемые сейсмические волны: А поверхностная, В -прямая, С - преломленная, D - отраженная, Е - рефрагированная, F - каналовая.72

139. Рисунок 27. Оконное спектральное оценивание Фурье.81

140. Рисунок 28. Фрагмент ЗС-записи с сигналом от источника (1) и тот же сигналпосле накопления (2).87

141. Рисунок 29. Фильтрация по кажущимся скоростям.88

142. Рисунок 30. Сейсмограммы продольной (R), вертикальной (V) и поперечной (Т)компонент поля скорости смещений в поверхностной волне.90

143. Рисунок 31. Дисперсионные кривые волн Рэлея.91

144. Рисунок 32. Дисперсионные кривые по многоканальным данным для V-, Т- и Rкомпонент.93

145. Рисунок 33. Проникновение поверхностных волн.95

146. Рисунок 34. Вейвлетное представление импульсов поверхностной волны нарасстоянии 20 м.97

147. Рисунок 35. Полярограммы смещений в волне: а — х=1 м, t=0^50 мс, б — х—20 м, t=0-^-50 мс, в — х=20 м, t=50-H00 мс. По осям отложены относительные единицы длины. Ось х направлена вдоль профиля наблюдения, ось у поперек, ось zвверх.98

148. Рисунок 36. Амплитудные спектры компонент на расстоянии 1м от источника.100

149. Рисунок 37. Спектры компонент: 1 на расстоянии 1 м от источника, 2 — нарасстоянии 20 м.101

150. Рисунок 38. Область формирования волны.101

151. Рисунок 39. Спектры компонент на расстояниях 1, 20, 30, 40 и 50 м.104

152. Рисунок 40. Зависимость энергии волновых компонент от расстояния.106

153. Рисунок 41. Экспериментальная зависимость энергии (по данным S. Foti.). 107

154. Рисунок 42. Спектрограмма SR(f,x) продольной компоненты колебаний.109

155. Рисунок 43. Спектрограмма Sv(f,x) вертикальной компоненты колебаний. 109

156. Рисунок 44. Спектрограмма ST(f,x) поперечной компоненты колебаний.109

157. Рисунок 45. Зависимость энергии волновых компонент в полосе 50 70 Гц отрасстояния.111

158. Рисунок 46. Прямая сумма спектрограмм всех компонент.112

159. Рисунок 47. Динамика воздействия на грунт движущегося человека: а — положение центра масс, б циклограмма, в, г - опорная реакция при ходьбе ибеге (по данным Н. А. Берштейна).113

160. Рисунок 48. Спектрограмма Sv шага человека.114

161. Рисунок 49. Модель среды.119

162. Рисунок 50. Сейсмограммы компонент поля скоростей v, (а) и v2 (б).120

163. Рисунок 51. Спектрограмма ^(У,*) продольной компоненты v,.121

164. Рисунок 52. Спектрограмма S2(f,х) вертикальной компоненты v2.121

165. Рисунок 53. Зависимость fd и Pd от толщины слоя h.122

166. Рисунок 54. Принцип формирования пространственного периода.124

167. Рисунок 55. Модель среды с заглубленным объектом.126

168. Рисунок 56. Сейсмограммы вдоль профиля над заглубленным объектом: апродольной, б вертикальной компоненты.126

169. Рисунок 57. Спектрограммы для поиска заглубленного объекта: а — попродольной, б — по вертикальной компоненте.127

170. Рисунок 58. Участок охраняемой территории.137

171. Рисунок 59. Охраняемая территория.138

172. Рисунок 60. Структура пространственной вычислительной сетки: а -стандартная (по Virieux 107.), б с повернутыми осями (по Saenger [98]). 143 Рисунок 61. Применение PML к вычислительной сетке.144с/'