Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование процессов нелинейного деформирования земных пород при естественных и искусственных воздействиях

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование процессов нелинейного деформирования земных пород при естественных и искусственных воздействиях"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФЙЗШШ ЗЕМЛИ им. О.В.ПВДДТА

На правах рукописи УДК 550.344.094

Павленко Ольга Витальевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕЛИНЕЙНОГО ДМОРМИРОВАНИЯ ЗЗШХ ПОРОД ПРИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических: йаук

Москва - 1994

Работа выполнена в Ордена Ленина Объединенном Институте физики Земли им. О.Ю.Шшдта

Научные руководители:

доктор физ.-мат. наук член-корреспондент РАН

А.В.Николаев канд. физ.-мат. наук А.П.Яковлев

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук

С.Л.Гнга канд. физ.-мат. наук в.Б.СмиРНРв

Ведущая организация: Институт динамики геосфер РАН

Защита дисертации состоится 26 мая 1992 г. в 14 часов на заседании Специализированного Совета К.002.08.04 Ордена Ленина Объединенного Института ^зики Земли РАН им. О.В.Швдта (123810, Москва, Д-242, Б.Грузинская, 10).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 01Ш. Автореферат разослан 26 апреля 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физ.-мат. наук А.Д.Завьялов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Геофизические среды далеки от идеальности в физическом смысле. Эксперимента показывают, что земные порода имеют высокие модули упругости третьего порядка; нелинейность упругих свойств - фундаментальное свойство земных пород, проявляющееся в широком диапазоне интенсивностей и частот сейсмических воздействий.

Использование нелинейных волновых эффектов - перспективное направление в геофизике. Мекду тем, экспериментальные исследования в этой области малочисленны, фрагментарны и непредставительны. Параметр нелинейности земных пород оценивается лишь приблизительно, и разброс полученных оценок очень велик. Существуют разногласия относительно характерных пространственных масштабов развития нелинейных процессов, а также относительно роли нелинейности, дисперсии и поглощения в формировании волнового поля. Процессы, индуцированные сейсмическим воздействием на земные породы, изучались лишь в сравнительно узком сейсмическом диапазоне частот. Экспериментальные исследования нелинейных свойств земных пород в широких диапазонах интенсивностей и частот сейсмических воздействий необходимы и актуальны.'

Цель работы. Экспериментальные исследования нелинейных волновых эффектов, которые являются опредэляхщиш или могут оказать существенное влияние на формирование волнового поля в различных диапазонах сейсмических частот. Основные задачи:

1. Исследование в сейсмическом диапазоне частот интегральной картины деформаций, возникавших в среде в ближнем поле монохроматического вибрационного источника, и нелинейных эффектов, окагь'ва?чщих существенное влияние на волновое поле: действующих в

среда постоянных сил и нелинейной генерации волн комбинационных частот.

2. Определение параметра нелинейности верхних слоев разреза по полю статических деформаций и по скорости нарастания в среде высших гармоник.

3. Исследование нелинейных эффектов в сейсмическом диапазоне частот, индуцированных распространением в среде интенсивных сейсмических вот.

Научная новизна. Выявлены ноше, неизвестные ранее черты нелинейных сейсмических эффектов:

1. Постоянная составляющая поля деформаций, создаваемого в среде монохроматическим вдброисточником, зарегистрирована на больших удалениях от источника (до 500 ы).

2. Обнаружены временные вариации параметра нелинейности верхних слоев разреза, которые происходят синхронно с изменениями квазистатических деформаций после интенсивного двухчасового вибровоздействмя. Сделаны оценки параметра нелинейности верхних слоев вдоль радиального профиля на различных базах, от 10 до 500 м.

3. Выдвинута гипотеза об определяющей роли аффектов нелинейного взаимодействия сейсмических волн э формировании волнового поля микросейсм на частотах выше 0.5 Гц.

4. Предложен механизм нелинейных исквкещй! оикросейсм интенсивным низкочастотным сигналом посредством воздействия на среду (изменение текущих параметров среды) или на область среды, которая является источником микросейсм; сделаны количественные оценки тензочувствигельности интенсивности микросейсм на с/ст. Боровое.

5. Для регистрации нелинейных волновых эффектов в сейсмическом поле . применен широкополосный высокочувствительный портативный

деформомэтр новой конструюрм с оптоэлектронным преобразователем

перемещений Показана эффективность использования

деформометрического метода регистрации для исследования нелинейных волновых явлений в сейсмическом поле.

Практическая ценность. Параметр нелинейности, Наряду с плотностью, скоростями сейсмических £ож и модулями упругости - важная характеристика земных пород; как показали наши эксперименты, очень чувствительная к изменениям их напряженно - деформированного состояния. Аномалия параметра нелинейности долю» бить связаны со структурными неоднорояносгями среды (разломными зонами, нефтйшми коллекторами, и др.), что может лечь в основу новйх методов сейсмической разведки (по параметру нелинейности), сейсмического тхрорайопироватй - прогноза движений грунта при сильных землетрясениях (с учетом высокой нелинейности приповерхностных слоев), сейсмического мониторинга (временные изменения параметра нелинейности). Использование для регистрации прецизионной деформометрической аппаратура позволит сделать 9тй метода одними йз наиболее точных.

Исследования низкочастотных деформационных проявлений релаксации среды после интенсивного сейсмического воздействия, определение функций отклика могут дать полезные характеристики среды я, возможно, прогностические! признаки нефтяных месторождений.

Исследование эффектов взаимодействия сейсмических воЛн приводя к гипотезе об определяющей роли нелинейной эволюции сейсмических Волн в формировании волнового поля микросейсм.

исследование изменений параметров высокочастотных сейсмических шумов в результате интенсивных низкочастотных сейсмических воздействий может дать информацию о среде, ее структурном составе и аномалиях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,

заключения и приложения. Содержит 155 страниц, вклвчая 36 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 140 названий. Апробация работа и публикации. По вопросам, изложенным в диссертации, опубликована 1 печатная работа и 1 научный отчет. 3 работы находятся в 'печати. Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции молодых ученых в г. Суздале в 1992 г. и на научных семинарах Института Экспериментальной Геофизики ОИФЗ РАН.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описаны нелинейные волновые эффекты, которые наиболее ярко выракены в сейсмических полях. Нелинейные волновые эффекты в сейсмическом поле - результат изменения свойств' среда, которое вызвано распространяющейся волной н влияет на распространение самой волны (самовоздейсгвш) или на распространение других сейсмических возмущений (взаимодействие). Рассмотрена задача о нахождении нелинейных поправок к закону Гука в общей физической постановке. В поле распространяющихся монохроматических волн эффект нелинейности приводят к появлению вековых членов комбинационных частот, в том числе волн с удвоенными частотой и волновым вектором и постоянной составлявдей волнового поля. В случав, когда число взаимодействующих волн произвольно, ни одна из волн имеет очень малое волновое число и малую частоту, условие резонанса соответствует совпадению групповой скорости высокочастотного пакета и фазовой скорости низкочастотных волн.

В общем случае произвольных ыноговолновых процессов для описания ' обмена энергией используют статистический подход, позволяющий определить результирующий вид спектра. В частности, в среде без дисперсии спектральная плотность энергии акустического шума в инерционном интервале частот зависит от частоты как Е*

Г2. В среде с дисперсией спад функции спектральной плотности с частотой происходит быстрее. Энергия сейсмического шума в среднем на земном иарэ спадает с частотой по аналогичным законам: Е^ ^-<4.-<.з> д^д континентальных и ^ " для донных

сейсшгческих шумов на частотах / .> 0.5 Гц. Эффекты нелинейного взаимодействия сейсмических волн, излучаемых различными источниками, могут играть определяющую роль в формировании волнового поля шшросейсм на этих частотах.

Наиболее ярко выраженными нелинейными свойствами обладают рыхлые приповерхностные грунта. Дан подробный обзор экспериментальных фактов нелинейного поведения рыхлых грунтов (сильного нелинейного отклика на сильное воздействие). Модель рыхлой среды, девдая объяснение этих экспериментальных данных, предложена в работе А.В.Николаева. В.В.Гущин и Г.М.Шалашов показали, что при деформациях, имеющих место в большинстве случаев возбуждения сейсмических волн вибраторами и сильными землетрясениями, необходимо учитывать нелинейные свойства реальных сред; в верхних выветренных слоях земных пород возможны аномально высокие значения парзметра нелинейности ^ 10?-104. Непосредственные измерения и исследования постоянной составляющей сейсмического поля - сейсморадиационного напряжения в грунтах под плитой вибратора и вблизи от нее (до 17 м) впервые провели Ю.И.Васильев, Н.А.Видмонт, А.А.Гвоздев, О.Б.Хавропкян и В.В.Цыплаков. Приводятся необходимые сведение о сейсморадиационных напряжениях и о динамике спектра поверхностных немонохроматических волн конечной амплитуды б рыхлых средах - диссипативных средах с дисперсией.

В сейсмологии накоплено также немало свидетельств взаимного влияния сейсмических процессов, осуществляемого через изменение напряженно-деформированного состояния среда. Под руководством

А.Г.Гамбурцева ведутся многолетние исследования вариаций скоростей сейсмических волн вследствие изменения напряженного состояния среда. Дан обзор работ, посвященных взаимному влиянию сейсмических процессов, принадлежащих к разным частотным диапазонам, и научной дискуссии, развернувшейся в 80-х годах, об эмиссионном отклике среды на интенсивные длщжапэриадные воздействия. Воздействие длиннопериодных деформационных процессов вероятно не ограничивается сейсмической эмиссией. Основную роль могут играть другие процессы, например, нелинейные искажения микросейсм.

Вывода:

1. Рассмотрена задача о нахождении нелинейных поправок к закону Гука в общей физической постановке. В сильных сейсмических шлях наиболее ярко выражены нелинейные эффекты возникновения постоянной составлявшей волнового поля, генерации высших гармоник и взаимодействия сейсмических волн.

2. Эффекты нелинейного взаимодействия сейсмических волн могут играть определяющую роль в формировании слабых сейсмических полей, в том числе, волнового поля микросейсм на частотах выше 0.5 Гц.. Такое предположение позволяет объяснить наблюдаемую для этих частот зависимость функции спектральной плотности энергии сейсмического шума от частоты, а таете более крутой спад функции спектральной плотности для донных шумов, чем для континентальных.

3. Для методов исследования нелинейных волновых эффектов в сейсмическом поле чрезвычайно важным является исключение нелинейных искажений в любой части излучающего и приемного трактов, кроме искажений в среде.

4. Нелинейные волновые эффекты, сопровождающие распространение .сейсмических волн, проявляются в широком диапазоне частот, и наглядное представление о явлении дает лишь их наблюдение с помощью

широкополосных регистрирующих устройств.

5. В задачах нелинейного распространения упругих волн исключительно важны абсолютные измерения и сравнение с теорией.

Во второй главе исследуются возможности деформометрической аппаратуры в регистриции нелинейных волновых . эффектов. Описан деформометрический метод регистрации сейсмических процессов, исследуется влияние различных факторов (неоднородностей среды, вариаций метеорологических параметров и др.) на регистрируемые сигналы. Дается краткий обзор развития существувдих типов деформометров и их использования для решения различных задач геофизики. Традиционно деформометрический способ регистрации сигналов применялся для решения следующих классов геофизических задач:

- изучения длиннопериодных сейсмических и тектонических деформаций:

- приливных деформаций;

- деформаций, предваряющих и сопровождай®!* местные землетрясения и ■ извержения вулканов;

- собственных колебаний Земли.

Многокомпонентные системы сейсмометров и деформометров использовались для получения дополнительной информации о сейсмических волнах, для улучшения отношения сигнал/шум, выделения Р-волнн и улучшения направленности приема, для разделения типов волн при регистрации одной станцией без пространственного группирования сейсмометров. Характерные особенности деформометрической регистрации используются для решения различных специальных задач.

Дано описание конструкции и основных технических характеристик аппаратура, используемой в экспериментах: лазерного деформометра, созданного совместно ИРЭ АН СССР и 1'ФЗ АН СССР с длиной измерительной Оазы Тми штангового деформометра с оптоэлектронным

преобразователем перемещений и длиной измерительной базы 2 м, разработанного на кафедре радиофизики Российского Университета Дружбы Народов.

Вывода:

1. Использование деформомегров для регистрации сейсмических процессов открывает исключительные возможности измерений сейсмических полей. Современные деформометры обладают линейной частотной характеристикой в широком частотном диапазоне, от 0 до сотен Гц, имеют большой динамический диапазон, высокую чувствительность и возможность абсолютной калибровки регистрируемых сигналов. Создание в последнее годы высокочувствительных компактных деформометров, способных раскатать в полевых условиях, позволяет существенно расширить класс геофизических задач, для решения которых применяется деформошгрическая регистрация.

2. Деформометрический метод регистрации удовлетворяет всем требованиям к регистрации нелинейных волновых эффектов, перечисленным в пунктах 3, 4 и 5 выводов к первой главе. Кроме того, высокочастотные компоненты сигналов при деформометричаской регистрации усиливаются, > что 'является преимуществом при исследовании нелинейных эффектов в высокочастотной области. Использование • деформометров в экспериментальных исследованиях нелинейных волновых эффектов в сейсмических полях представляется очень перспективным.

3. Регистрируемое пола деформаций может отличаться от истинного, поэтому всегда следует учитывать условия установки прибора. Если прибор устанавливается в туннеле, нужно избегать измерений в вертикальном и горизонтальном направлениях, перпендикулярных .направлению туннеля. В некоторых случаях можно определить поправку за неоднородности, если использовать для регистрации группу

деформомегров.

В третьей главе описан эксперимент по регистрации нелинейных волновых эффектов в ближнем поле вибрационного источника, проведенный на полигоне Узноя в Белоруссии. Геологичпское строение верхней части разреза в районе работ горизонтально-слоисто: преимущественно песчало-глинистый разрез, в котором первая скоростная граница проходит на глубине 120 м. На глубине 2-3 м проходит уровень грунтовых вод. Регистрировались линейные деформации приповерхностных слоев при вибровоздействии. Для регистрации использовался дэфэрмометр с оптоэлектронным преобразователем перемещений и длиной измерительной базы 2 м (разрешение 10"lo-10"nm в полосе частот 0-100 Гц).

На первом этапе эксперименте был проведен сеанс двухчасового непрерывного вибровоздействия с максимальной нагрузкой вибратора. После выключения вибратора были зарегистрированы затухающие в течение !6 часов квазипериодичесниэ вариации квазистатических деформаций с начальной амплитудой •«• б мкм и начальным периодом 5 часов. Точка приема находилась в 40 м от вибратора, который был расположен нэ одной прямой с осью диформометра.

На втором этапе эксперимента, спустя 4 часа после выключения вибратора были проведены измерения поля 'деформаций при монохроматическом виСровоздеЯсгБип с частотой 12 Гц при максимальной нагрузке на различных удалениях от вибратора, от 10 до 500 м. Вибратор перемещался по прямой, совпадающей с осыэ дефсрмометра. Сигналы виброколебаний, зарегистрированные деформсметром, содержат статическую составляющую В таблице

также приведены амплитуды колебаний частиц среды Ао при вибровоздеЯствии и лилейные деформации, разные числам Маха.

Расстояние А О ,м и, отн.ед. п п*

10 М 2.94 10'* 2.42 10"7 6.05 10"7 6.52 10* 6.52 104

20 м 2.40 10"' 1.63 10"7 4.80 10"7 7.20 104 4.45 10*

40 м 0.83 10"' 0.36 Ю-7 1 .65 10"7 13.45 10" 6.55 10*

60 м 0.88 10"5 ' -0.49 10~т 1.76 10~7 16.36 10" 7.20 10*

80 м 0.35 Ю-6 0.43 ю-7 0.70 10"7 90.05 1 04 30.60 10*

100 м 0.38 10-« -0.11 10"7 0.76 10~7 18.95 10* 7.25 10*

150 м 0.27 10"6 0.03 10'7 0.54 10"7 10.80 10* 4.45 10*

200 м 0.26 10"4 -0.02 10° 0.52 1С"7 6.65 10* 3.95 10*

300 м 0.17 10"« 0.09 Ю-• 0.34 10"7 8.40 10* 6.05 10*

400 м 0.15 10"5 0.07 ;о-& 0.30 10"7 5.50 10* 5.60 10*

500 м 0.04 10-* .0.05 10"® 0.08 10~7 4.80 10* 4.70 10*

Знакопеременное распределение статических деформаций является результатом прогиба верхнего упругого слоя (2-3 ы над уровнем грунтовых вод), т.к. оно согласуется с решением задачи о вертикальных смещениях плоской упругой пластины, лежащей на вязком полупространстве, под действием поверхностной нагрузки: за пределами области приложения нагрузка существуют решения вида в со&зуХэ, соответствующие затухающим гармоникам с длиной волны, определяемой параметрами слоя: его мощностью, плотностью, модулем йнга и коэффициентом Пуассона. Для определения параметра нелинейности верхних слоев разреза по полю статических деформаций исключается влияние верхнего слоя. Поле статических деформаций, пересчитанное для однородного полупространства, представляет собой деформации растяжения, величина которых быстро спадает с удалением от вибрагора. Параметр нелинейности рассчитывался по формуле:

„ , ЗаД^ „ ^рал^

2р/>> ао(г) 2к '

где Орад и сейсмор'адаациошые напряжения и статические

деформации, пересчитанные для однородного полупространства, ро и 7о -плотность среды и амплитуда колебательной скорости частиц среда. Значения п изменяются от точки к точке и имеют максимум в точке, соответствующей расстоянию вибратор-приемники 80 м.

Существенным в эксперименте оказалось то обстоятельство, что измерения статических деформаций проводились на фоне релаксации среды после двухчасового вибровоздействия. Параметр нелинейности изменяется во времени синхронно с изменениями фоновых квазистатических деформаций. Как известно, наиболее вероятной причиной вариаций . геофизических полей после вибровоздействия являются процессы флшдодинамики. Сейсморадаационнне силы, действующие в среде в окрестности вибратора, могут быть причиной того, что при вибровоздейсгвии подземные вода вытесняются из ближней зоны источника. При выключении вибратора действие сейсморадиационных сил прекращается, и возникает обратный флшдодинамический поток. Неясно, с чем связаны временные осцилляции кввзистатических деформаций. Возможно, в силу инерционности системы колебания около положения равновесия какое-то время продолжаются. Параметр нелинейности среды связан с ее водонасшценностыо и уплотненностью; при разрежении среды он возрастает, а при сжатии и в обводненных грунтах уменьшается, что мы и видим в эксперименте.

Поле статических деформаций очевидно, как и параметр нелинейности, изменяется во времени. В значения статических деформаций вводится компенсирующая поправка, и рассчитываются статические деформации и параметр нелинейности п* при постоянном значении фоновой статической деформации (см. табл.). На удалениях свыше 100 м в волновом поле присутствует значительная доля объемных волн, прошедших глубокие слои разреза, и значения п* несколько

шке. Если исключить аномальную точку на удалении 80 м (она соответствует минимуму фоновой деформации), получим среднее значение п* = (6.5i1.0) 1Q4 в 953S-m доверительном интервале.

Для исследования нелинейной генерации высших гармоник рассчитывались спектры сигналов, по внутренним участкам записей продолжительностью около 40 сек. Источник не является чисто монохроматическим, в его спектре mosho выделить 6 гармоник основной частоты, амплитуда которых достигают 10Х амплитуда гармоники основной частоты 12 Гц. При малых числах Маха, имевших место в наием эксперимента, волна может рассматриваться как шмонохроматическая со слабо взаимодействующими гармониками. Это позволяет раздельно описывать эффекты поглощения и нелинейного искажения гармоник. Амплитуды гармоник уменьшаются с удалением от источника вследствие геометрического расхождения и дассипагиввых потерь. Коэффициенты дассшативного поглощения растут с частотой приблизительно линейно.

В интервале 20-100 м на фоне плавного спада второй и четвертой гармоник наблюдается иг некоторое возрастание, которое мокет быть связано с нелинейными эффектами в среде. Дистанции нелинейности для волны основной частоты и ее второй гармоники соизмеримы с дистанциями диссипации: нелинейность играет существенную роль в формировании поля поверхностных волн в ближней зоне источника. Рассчитана теоретические кривые второй и четвертой гармоник, распространяющихся из источника в линейной среде; отклонения экспериментальных кривых от теоретических трактовались как генерация' гармоник удвоенной частоты на нелинейности среда. Оценена доля энергии, передаваемой из первой гармоники во вторую. Параметр нелинейности определяется формулой:

е'еа^а (г-й)1 У2 и Я а-гЬ 'г)

о

где Уо - амплитуда скорости гармоники основной частоты при г = Я, с - скорость поверхностных волн в среде, а.г и - коэффициент диссипативного поглощения и амплитуда скорости гармоники удвоенной частоты, сгенерированной на нелинейности среда. Полученные значения параметра нелинейности, как и значения, определенные по статическим деформациям, изменяются во времени. После введения поправок на протекающий в среде деформационный процесс получим новые значения параметра нелинейности: а = (3.0±1.0) 10* по второй гармоника а п = (1.0±0.5) 104 по четвертой гармонике.

Из общих соображений понятно, почему оценки параметра нелинейности^по статической составляющей волнового поля могут быть выше, чем оценки по нарастанию высших гармоник: как генерация второй гармоники, так н генерация четвертой гармоники сопровождаются возникновением постоянной составляющей и дают вклад в нее. Все оценка п могут содераагь систематические ошибки, связанные с протекавдин в среде квазистатическим деформационным процессом (за невозбукденное состояние принималось состояние среда в момент начала эксперимента). Рост кратных гармоник мог такта тормозиться влиянием дисперсии, что дает заниженные значения параметра нелинейности. Условие фазового синхронизма . первой и второй гармоник в среде с дисперсией выполняется лишь на ограниченных участках пути. В нашем эксперименте длина-когерентного взаимодействия не меньше 50 м, что соответствует вполне реальной разнице фазовых скоростей первой и второй гармоник. Оценки по амплитудам четвертой гармоники не обладают достаточной надежностью из-за малых значений этих амплитуд.

Вывода:

1. Волновое поле, создаваемое в среде монохроматическим излучением вибратора, содержит постоянную составляющую, убывающую с удалением от источника как квадрат 8мшшуды скорости смещений частиц в волне. В среде в окрестности источника действуют сейсморадиациогоше силы, вызывающие дефорлацш растяжения в среде вблизи источника. Амплитуда поля статических деформаций определяется интенсивностью источника и нелинейными свойствам среды; в осадочных породах при вйбровоздействии с усилием 105 Па она имеет порядок 1СГ7 м вблизи источника (" 10Ж амплитуды колебаний частиц) и становится меньше 1СГ9 м на удалениях больше 300 м. Наблюдаемое в эксперименте знакопеременное распределение статических деформаций является результатом прогиба верхнего упругого слоя (2 - 3 м над уровнем грунтовых вод).

2. При распространении в приповерхностных слоях монохроматических сигналов (12 и 24 Гц) наблюдалась генерация гармоник удвоенной частоты (24- и 48 Гц) в ближней зоне источника. На удалениях от источника больше ^ 3-х длин волн гармоники основной частоты диссипативное поглощение и, возможно, дисперсия препятствуют развитию нелинейных явлений. Доля энергии, передаваемой из первой гармоники во вторую, составляет 1-2% энергии первой гармоники.

3. Зарегистрированы временные вариации поля статических деформаций вблизи земной поверхности после интенсивного продолжительного вибровоздействия. Процесс носит характер колебаний с затухающей амплитудой (начальная амплитуда на удалении от источника ^ 40 м имеет порядок 10"' м, начальный период ~ 5 часов, продолжительность около 16 часов). Релаксация среды после . продолжительного вибровоздействия по-видимому связана с восстановлением пластового давления, нарушенного действием сейсморадиационных сил ггри работе

вибратора.

4. Параметр нелинейности верхних слоев разреза изменяется во времени синхронно с изменениями квазистатических деформаций после интенсивного двухчасового вибровоздействия. Оценки параметра нелинейности по статической деформации дают среднее значение п ъ (6.5 ± 1.0) 10*, по скорости нарастания в среде второй гармонию) основного тона - п * (3.0 ± 1.0) 104.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований воздействия интенсивных сейсмических волн на высокочастотный (/* > 5 Гц) сейсмический шум, проведенные на с/ст. Боровое (Северный Казахстан), которая отличается исключительно низким уровнем и минимальными вариациями экзогенных и техногенных шумов.' Сейсмостанция расположена в пределах Боровского массива лейкократовых гранитов, . занимающего площадь 16x12 кв.км и окаймленного пограничными разломами. До глубин ■>■ 5-9 км в нем отсутствуют сейсмические граница. Регистрация сейсмических событий велась в течение января, июля и августа 1991 г. тремя приборами: лазерным деформометром с базой 7 м, оптоэлектронным деформометром с базой 2 м и короткопериодным сейсмометром. Бриборы были установлены в штольне, пройденной в коренных породах, на глубине 16 м.

Фон микросейсм в сейсмически спокойные периоды представляет собой сейсмические колебания с амплитудой ~ 10"1'м в широкой полосе частот, на который накладываются квазигармонические цуги колебаний с частотами 7-10 Гц и амплитудой Ю*"и. Функция спектральной плотности энергии микросейсмического шума спадает с ростом частоты *ак /~6 в частотном интервале 0.4-2 Гц и как fг для частот 2 < / < ?5 Гц. На этом фоне выделяются два пика: 7-Ю Гц и 19-20 Гц.

С приходом сигнала от землетрясения связано заметное возрастание интенсивности высокочастотных шумов. Интенсивность шума

рассчитывалась в двух -частотных интервалах: 6-12 Гц, где сосредоточена основная доля энергии шума в отсутствие сигнала от землетрясения, и в интервале 13-25 Гц, где в отсутствие сигнала от землетрясения интенсивность шума мала. Интенсивность компоненты 6-12 Гц возрастает на вступлениях основных волн, при возрастании интенсивности низкочастотного сигнала землетрясения. Наиболее заметные изменения интенсивности высокочастотной компоненты связаны с приходом поверхностных волн. Волна MLR югославского землетрясения 18.07. 1991 г. имеет форму, близкую к синусоидальной, с периодом * 9 секунд и амплитудой 6 мкы; увеличение интенсивности сейсмического шума на частотах 6-12 Гц приурочено к экстремумам волны MLE.

Возможны три механизма, приводящие к возрастанию интенсивности высокочастотных микросейсм при воздействии на низ низкочастотных сейсмических процессов. Один механизм - сейсмическая эмиссия, активный отклик среда на воздействие. Характерными признаками эмиссии считаются широкий диапазон частот переизлучаемых волн и некоторое запаздывание относительно вызвавшего их процесса. Всплески интенсивности микросейсм на частотах выше 13 Гц могут быть указаниями на эмиссию.

Однако возрастание интенсивности микросейсм в первые вступлениях волн удаленных землетрясений происходит в основном не частотах 6-12 Гц, без • изменения частотного состава микросейсь относительно фонового, и больше соответствует другому механизму -нелинейным искажениям микросейсм интенсивным низкочастотны! процессом. Воздействие одних волновых процессов на другие чере: текущее изменение параметров среды относится к класс; параметрических явлений и мохет быть описано дифференциальным уравнениями с переменными коэффициентами. Деформации, возникавшие

p(t)— = fX(t)+u(t)Jgrad dtt) й * y(t)rot rot и + ?(t),

среде при распространении сейсмических волн, играют роль накачки -силы, модулирувдей физические параметры срада: плотность и модули упругости. Перемещения точек среда й = [u,v,ui) описываются волновым уравнением:

cf и dt

где p(t), X(t), \i(t) - плотность и коду ли упругости среды, изменяющиеся с частотой накачки _ Q по законам вида: эШ=роИ~тЛдС03(Ш+ср)]; ^ - амплитуда модулирующего сигнала, тА^ - глубина модуляции, /(И - внешнее воздействие, играющее роль модулируемого сигнала.

Зададим fit) в виде /oeiu)i, а методом возмущений находим триближенное , значение коэффициента передачи системы К(и, t), учитывая малые добавки к' решению лишь на частотах, близких к юстоте внешнего воздействия со: ш-П и оНЗ. Решение волнового сравнения ищем в виде:

u(t) = X(o,t)Me Be a°Zjet (ut-kr)^ »ассматривая проекцию u(i) на ось x, совпадающую с осью ¡еформометра. Здесь ар и аа - коэффициенты ослабления Р и S- волн с 'дубиной. При этом в спектре и имеются три частоты: ы, им-П и аьП.

Если входной сигнал /(t) - стационарный сейсмический шум, мэвдий спектральную плотность интенсивность, шумовых

олебанкй на выходе системы может быть найдена по общей фермула:

оо

<и2> = 2J|2I(U. t)i!G(u)dui s

о

1-m'Afi

-гт^дооа(Ot+cp)JsG(u)Д) * ^^co^fii^J^Giwjcidj,

,2

О О

И £ =

"сгаг (сгаг+П)

-1

ээф|ициент поглощения волн.

, с - скорость Р или S- волн в среде, а

Зависимость дисперсии от времени говорит о том, что, сейсмический шум в такой системе - нестационарный случайный процесс.. Нестационарность имеет периодический характер: статистические параметры шума изменяются во времени с периодом, равным периоду накачки. Воздействие низкочастотного сигнала выражается в модуляции высокочастотного шума по интенсивности с

оо

глубиной модуляции 2тЛ^£С(о>)(±о и в увеличении интенсивности шума в о

результате взаимодействия с каждой гармонической составляющей

00

сигнала пропорционально сЬ), что и наблюдается в

о

эксперименте.

Если представить сигнал землетрясения на некотором временном интервале в виде ряда Фурье:

N *=1

то интенсивность сейсмического шума нэ этом временном интервале будет выражаться формулой:

а

« <х}>о (1 - я2 \ Ак\),

Г сгаг(сгаг+£П

где <г?> = 2рМО), ек = I—--——

0 „ й [&гП2 (4иг-сга2

-I

- -1 )

о

Глубина модуляции интенсивности микросейсм поверхностной .волной по нашим оценкам имеет порядок 1. Величина пЫд -максимальное изменение плотности при прохождении поворхностног

со

волны. Множитель /е5(ш)<3ы, зависящий от скоростей волн в среде, о

коэффициентов поглощения и спектральных составов сигнала и шума, представляет собой коэффициент тензочувствитальности интенсивносп микросейсм. Он имеет порядок Ю'-Ю8, Эти оценга

тензочувствительности согласуются с оценками, сделанными другими авторами по вариациям параметров верхних 5-10 км горных пород под действием лунно-солнечных приливов.

Третий возможный механизм, объясняющий вариации интенсивности микросейсм, связан с воздействием низкочастотных деформационных процессов на источник микросейсм. Спектральные максимумы шума на частотах 7-10 Гц и 19-20 Гц (2-я гармоника) могут указывать на резонансный слой или волновод, возмошо приуроченные к разломным зонам и имеющие собственнее частоты 7-ГО Гц. В этом случае найденный коэффициент тензочувствительности характеризует область среды, которая является источником микросейсм.

Вывода:

1. Спектральная плотность энергии шкросейсмического шума на с/ст. Боровое в сейсмически спокойные периоды спадает с ростом частоты как Г5 в частотном интервале 0.4 - 2 Гц и как /"2 для частот 2 < / < 25 Гц. Зависимость Е Г& иоаэг свидетельствовать о нелинейном механизма перераспределения энергии сейсмических возмущений по спектру при статистическом взаимодействии большого числа волн.

2. По обобщенным данным интенсивность высокочастотных микросейсм на с/ст. Боровое возрастает в моменты вступлений Р, Э и поверхностных волн телесейсмических землетрясений, при этом частотный состав микросейсм не изменяется относительно фонового. Зарегистрирована модуляция интенсивности микросейсм поверхностной волной, имеющей амплитуду 10~5 м и период 9 секунд.

3. Предложен механизм нелинейных искажений микросейсм интенсивным низкочастотным сигналом посредством изменения текущих параметров среды. Параметрическое воздействие низкочастотного сигнала должно выражаться в модуляции высокочастотного шума по мощности и в увеличении интенсивности шума на постоянную величину в результате

взаимодействия с каадой гармонической составляющей низкочастотного сигнала, что и наблюдается в эксперименте.

4. Коэффициент тензочувствительности интенсивности микросейсм имеет порядок 10~7- IGT®, что согласуется с оценками, полученными другими авторами по вариациям параметров верхних 5 - 10 километров осадочных и консолидированных пород под действием лунно-солнечных приливов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено экспериментальное исследование нелинейных волновых эффектов, наиболее ярко выраженных в сейсмических шлях: возникновения постоянной составляющей поля, генерации высших гармоник и взаимодействия сейсмических волн. Для регистрации нелинейных волновых эффектов использовалась деформометрическая аппаратура.

Основные результаты работы следующие:

1. Поле деформаций, возникающих в приповерхностных слоях вблизи интенсивного сейсмического источника содержит посгояннух составляющую, обусловленную действием сейсморадиационных сил. Ohe может достигать десятков процентов амплитуда колебаний частиц средь вблизи источника и убывает с удалением от источника как квадраз амплитуда колебательной скорости частиц в волне. Сейсморадаационные силы вызывают деформации растяжения в среде в окрестноси источника. При распространении в приповерхностных слоя? ■монохроматического сигнала в бликней зоне источника наблюдает« генерация гармоник удвоенной частоты. На удалениях более нескольким длин волн от источника дассипативное поглощение и, возможно, дисперсия препятствуют развитию нелинейных явлений. Доля энергии, передаваемой из первой гармоники во вторую 1-2$.

2. Зарегистрированы временные вариации поля статических деформаций

вблизи земной поверхности после интенсивного двухчасового вибровоздействия. Параметр нелинейности верхних слоев разреза изменяется во времени синхронно с изменениями квазистатических деформаций. Оценки параметра нелинейности по полю статических деформаций дают среднее значение п » (6.5 ± 1.0) 10*, по скорости нарастания в среде второй гармоника основного тона - п » (3.0 ± 1.0) 104. Такие высокие значения параметра нелинейности, по-видимому, характерны для приповерхностных слабых грунтов, в которых нелинейные свойства выражены очень ярко.

3. Эффекты нелинейного взаимодействия сейсмических волн могут играть определявшую роль в форшровании' волнового шля микросейсм на частотах выше 0.5 Гц. Такое предположение позволяет объяснить наблюдаемую „для этих частот зависимость функции спектральной плотности энергии сейсмического шума от частоты, а также более крутой спад функции спектральной плотности для донных шумов, чем для континентальных.

4. Интенсивность высокочастотных ьшкросейсм на с/ст. Боровое возрастает в моменты вступлений Р, Б и поверхностных волн теле сейсмических зешетрясений; при этом частотный состав микросейсм не изменяется относительно фонового. Зарегистрирована модуляция интенсивности микросейсм поверхностной волной. Предложен механизм нелинейных искажений микросейсм интенсивным низкочастотным сигналом. Параметрическое воздействие низкочастотного сигнала должно выражаться в модуляции высокочастотного шума по .мощности и в увеличении интенсивности шума на постоянную величину в результате ■ взаимодействия с каждой гармонической составляющей низкочастотного сигнала. что и наблюдается в эксперименте. Воздействие низкочастотного сигнала может также осуществляться путем воздействия на область среды, которая является источником

микросейсм. Коэффициент тензочувствительности интенсивности микросейсм на с/ст. Боровое имеет высокие значения, ■«■ 107 - 10е. 5. Деформометрический метод регистрации позволяет детально исследовать нелинейные волновые эффекты в широком диапазоне сейсмически! частот и интенсивностей воздействий.

Проведенные исследования показали хорошее согласие теории (в основном, перенесенной из нелинейной акустики) и геофизического эксперимента. Отличительной чертой геофизических сред являются высокие значения параметров нелинейности и тензочувствительности земных пород. Как показали эксперименты, сам параметр нелинейности тензочувствителен, вероятно, в большей степени, чем линейные характеристики.

Автор надеется, что эта работа прольет некоторый свет на проблемы, касающиеся воздействия низкочастотных деформационных процессов на высокочастотный сейсмический шум, дискутировавшиеся в 80-х годах. Сложность регистрации таких эффектов связана, в одной стороны, с разнообразием механизмов воздействия, которые не ограничиваются сейсмической эмиссией; с другой стороны, маскирующим влиянием метеорологических, техногенных и антропогенных помех, которого не всегда удается изрекать.

Нелинейная геофизика развивается, подобно нелинейной акустике, не как продолжение всех задач линеййой геофизики в нелинейную область, а как исследование нелинейных эффектов, которые могут оказаться наиболее существенными в определенных условиях, и круг вопросов, которые могут быть затронуты в дальнейших исследованиях, очень велик. Деформомэ триче ский способ регистрации позволит детально исследовать нелинейные эффекты генерации высших гармоник в дальней зоне вибрационного источника, эффекты обращения волнового фронта и расщепления гармоник (эффект Ферми-Паста-Улама),

содитонныэ свойства сейсмических волн. Возмокна регистрация нелинейных эффектов в сейсмических полях, создаваемых естественными источниками - землетрясениями. Интересно установление роли нелинейных эффектов в формировании волнового поля микросейсм.

Исследование нелинейных волновнх эффектов в сейсмических полях широчайшее поле деятельности для теоретических и экспериментальных исследований.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Отчет по экспедиции ОИФЗ РАН 1992 г. Науч. рук. Собисевич Л.Е. Соавторы: Собисевич Л.Е., Яковлев А.П., Николаев А.И.

2. Iakovlev А.P., Nikolaev A.Y., Pavleiiko O.V. Quasi-static strain processes in geophysical medium caused by seismic wave propagation. Abstr., XVII General Assembly, EcLinburg 6-10 April, 1992.

3. Николаев А.В., Павленко O.B., Яковлев А.П. Квазистатические деформации земной поверхности, вызванные вибровоздействием, и нелинейные свойства земных пород. Изв. РАН, Физика Земли, 1994, (в печати).

А. Павленко О.В., Яковлев А.П. Изменение интенсивности высокочастотного сейсмического шума в поле волн телесейсмических землетрясений. Изв. РАН, Физика Земли, 1994, (в печати). 5. Iakovlev А.P., Nilcolaev А.У., Pavlenko O.V. Static surface strains caused by seismic waves as basis for seismic microzonlrg. Journal Seism. Soc. Japan, 1994, submitted.