Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Обработка и интерпретация поверхностных волн Стоунли, регистрируемых в ходе инженерно-геологических исследований на акваториях

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Обработка и интерпретация поверхностных волн Стоунли, регистрируемых в ходе инженерно-геологических исследований на акваториях"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ'им.П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи.

Ковалевский Евгений Валерьевич

ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН СТОУНЛИ, РЕГИСТРИРУЕМЫХ В ХОДЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКУК ИССЛЕДОВАНИЙ НА АКВАТОРИЯХ

11.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

Работ выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте морской геологии и геофизики ВНИИморгео, г.Рига

Научный руководитель профессор, доктор физико-математических наук,[С.С.Войт!

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.Л.Левшин кандидат физико-математических наук М.А.Дцанов

Ведущая организация - Акустический институт им. академика Н.Н.Андреева, г.Москва

Защита состоится "¿f " Ad^ 199/г. . в чъъ.&У мин. на заседании Специализированного совета К-002.86.02 в Институте океанологии АН СССР (II72I8, Москва, ул.Красикова, 23)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии АН СССР

Автореферат разослан Ученый секретарь Спец кандидат теографическ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Особенностью морских инженерно-геологических исследований, в сравнении с аналогичными исследованиями на суше, является относительно более широкое использование дистанционных геофизических методов. Это обстоятельство имеет под собой объективную основу, поскольку покрывающая водная толща серьезно затрудняет проведение исследований традиционными для суши геотехническими методами, такими квк бурение, статическое зондирование и т.п., и, напротив, почти всегда благоприятствует применению геофизических методов. Не трудно также предвидеть дальнейшее усиление данной тенденции по море смещения районов исследований во все более глубоководные зоны шельфа.

Одним из проявлений отмеченной тенденции, в частности ее стороны, связанной с расширением арсенала инженерно-сейсмических методов, является разработка исследований физических свойств морских грунтов методом поверхностных волн Стоунли. Возникновение идеи использования поверхностных волн релеевского типа, распространяющихся вдоль границы жидкой и упругой среды и называемых в этом случае волнами Стоунли, в морской инженерной сейсморазведке нельзя назвать случайностью. Напротив, имеет место закономерное и своевременное заимствование метода, глубоко разработанного и хорошо зарекомендовавшего себя в сейсмологии. Привлекательность исполь-

зованля метода поверхностных волн при морских инженерно-геологических исследованиях основывается на возможности получения с его помощью исключительного по своей информативности физического параметра морских грунтов - скорости распространения в них поперечных волн. Названный параметр заключает в себе большую часть сведений об упругих свойствах донных грунтов, а также в наибольшей степени позволяет приблизиться к прогнозу их прочностных характеристик.

В нестоящее время уже показана возможность возОуадения и регистрации волн Стоунли в различных сейсмо^-геологических условиях, пока в основном на мелководных участках шельфа с глубинами моря 10 - 30 м. Имеется большое количество натурных записей, среди которых есть и высококачественные. Вследствие этого данная работа, в которой рассматриваются вопросы обработки и интерпретации волн Стоунли, становится вполне актуальной.

Цели настоящей работы таковы:

1. Анализ возможности и целесообразности определения скорости поперечных волн в морских грунтах in situ для решения инженерно-геологических задач на основе обработки и интерпретации волн Стоунли;

2. Выбор и необходимая доработка теоретического подхода к интерпретации дисперсии волн Стоунли, удовлетворяющего условию возможности построения на его основе производительной технологии;

3. Создание на основе выбранного теоретического подхода технологии обработки и интерпретации волн Стоунли и демонстрация ее работоспособности на модельных и полевых материалах;

4. Анализ информативности получаемых значений скорости поперечных волн относительно определения строения, состава и свойств донных грунтов.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые удалось совместить в виде технологии высокое качество обработки и интерпретации поверхностных волн, достигнутое в сейсмологии, с одной стороны, и высокую производительность, необходимую при обработке инженерно-геологических данных, с другой. В процессе опробования технологии обработки и интерпре-' тации но реальных полевых материалах получен ряд разрезов скорости поперечных волн у5<х,*:> в различных сейсмогеологи-ческих условиях.

В составе технологии новым является предложенный численный метод решения прямой задачи, т.е. расчета дисперсии поверхностных волн по слоистооднородаой модели дна на основе использования ленточного вида матрицы определителя в дисперсионном уравнении.

Кроме того, новыми и, может быть, дискуссионными являются изложенные в заключительной части работы подхода к комплексной интерпретации инженерно-геологических данных на основе технологии экспертных систем.

Практическая ценность работы. Созданная технология об-3

работки и интерпретации поверхностных волн позволяет расширить использование метода поверхностных волн в морской инженерной геологии (при инженерно-геологических изысканиях и при инженерно-геологической съемке), а также для решения некоторых других задач (при инженерно-геологических исследованиях в отдельных случаях на суше, для исследования зоны малых скоростей в поисковой сейсморазведке). Комплекс программ "{шь.", являющийся математическим обеспечением технологии, работает на ЕС ЭВМ под управлением сейсмической обрабатывающей системы СЦС-3, прошел приемочные испытания и может быть передан в заинтересованнее научные и производственные организации.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались ив семинарах отдела инженерной геофизики ВНИИмор-гео. Научно-технических конференциях и конференциях молодых ученых и специалистов НПО "Союзморинжгеология" (1985-1989 гг.), на региональных конференциях молодых ученых по геологии и освоению шельфа в гг. Алуште (1986 г.) и Мурманске (1988 г.), на Всесоюзной школе по техническим средствам освоения океана, г. Геленджик (1989 г.). Подробные сообщения по работе делались на семинарах теоретического отдела АКИНа (6 января 1989 г.), кафодры геоакустики и сейсмометрии факультета геологии МГУ (28 теераля 1989 г.), отдела сейсмологии ИОАНа (1 июня 1990 г.). Часть результатов работы опубликована в трудах У1 Международного конгресса по инжонорной

геологии, г. Амстердам, 1990 г.

Структура и оОьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Изложение занимает 118 страниц, в том числе 76 страниц машинописного текста и 42 рисунка. В тексте приведены 2 таблицы. Список литературы включает 65 наименований.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в пяти работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении заимствование метода поверхностных волн из сейсмологии в морскую инженерную сейсморазведку раскрывается как одно из проявлений общей для морской инженерной геологии тенденции - постепенного возрастания в полном обьоме выполняемых исследований относительного веса дистанционных геофизических методов. При этом даются ссылки на классические работы, описывающие использование поверхностных волн в сейсмологии. Анализируются причины ограниченного успеха первого опыта применения поверхностных волн при инженерно-геологических исследованиях на суше и выводятся предпосылки, позволяющие рассчитывать на больший успех использования метода в ходе изучения морских осадков. Далее указывается на противоречивый характер задач, стоянии перед исследованием,и форму-

лирутася его цели. В конце разделе "Введение" кратко излагается содержание глав диссертации и обосновывается необходимость включения в нее заключительной, IV главы, несколько выходящей за пределы, оговоренные в названии всей работы.

В первой главе диссертации рассматриваются теоретические основания обработки и интерпретациии поверхностных воля. В самом ее начале (§1) приводятся наиболее выразительные сейсмограммы поверхностных волн Стоунли и анализируются особенности зарегистрированной на них волновой картины. Показано, что на высококачественных сейсмограммах можно выделить целый веер годографов поверхностной волны, соответствующих не только главной, но и высшим ее гармоникам (модам). Наблюдаемая скорость поверхностной волны Стоунли возрастает с номером гармоники от 100-200 до примерно 400-Б00 м/с в зависимости от конкретных сейсмогаологических условий, основная частоте также обычно несколько возрастает, от 5-10 до 15-30 гц. Динамическая выразительность гармоник с ростом их порядкового номера,как правило,ухудшается. Приведены рассчитана.а по модели дна распределения смещений и напряжений в первых трех гармониках волны Стоунли, позволяющие судить о передаче смещений и напряжений из упругой среды в жидкость и о скорости затухания волны Стоунли в жидкости при удалении от границы вода-дно. Для главной и высших гармоник двукратное ослабление интенсивности происходит при удалении от границы на расстояние примерно х/ю, где х - длина поверхностной волны.

Таким образом, в числе факторов, препятствующих качественной регистрации волны Стоунли, основным является чрезмерное удаление приемного устройства от границы вода-дао (обычно должно быть не более 2-3 м).

Обработка поверхностных волн (§2) по существу представляет собой расчет дисперсии их фазовой скорости. Задачей обработки является получение дисперсионных кривых фазовой скорости как можно большего числа гармоник, начиная с главной, по возможности более протяженных в сторону низких частот. Основой обработки является двумерный пространственно-времшшой спектральный анализ сейсмограмм поверхностных волн с последущим пересчетом модуля двумерного спектра |з<к,ш>| с плоскости к, и на плоскость v, т, где v - фазовая скорость, т - период волны. Дисперсионные кривые фазовой скорости поверхностных волн проводятся интерпретатором как линии гребня рельефа |зсу/г>| на плоскости v, т. Наибольшая сложность, возникающая в ходе обработки, состоит в точной идентификации элементов рельефа двумерного спектра (и, перед этим, волн на сейсмограмме) с гармониками поверхностной волны.

Далое, в §3 рассматриваются возможные подходы к интерпретации дисперсионных кривых и делается вывод, что наиболее конструктивным является вариационный подход, используемый при решении аналогичных задач п сейсмологии.

В §4 и его подпунктах описывается' вариационный подход к 7

интерпретации дисперсионных кривых. В начале излагается решение прямой задачи, которое производится в классе слоисто-однородных моделей морского дна. Дисперсионное уравнение при этом имеет вид

с1еЪ СМСУг,ы>1 - О

где м - матрица коэффициентов системы уравнений, описывающих непрерывность смещений и напряжений на границах в среде. В случае модели, включающей водный слой и п упругих слоев на упругом полупространстве, матрица м имеет порядок 4п+4. Расчет ее определителя был бы трудновыполним для сколько-нибудь больших п, если бы но одно существенно облегчающее его обстоятельство - матрице м является ленточной. Отличными от нуля являются только лишь элементы, стоящие на одиннадцати ее центральных диагоналях, включая главную. Последнее позволяет численно решать вышеприведенное дисперсионное уравнение простым перебором по узлам сетки на плоскости v, о (или v, т, т - период волны). При этом время рэсчита для 10-ти слои-ной модели на сетке, содержащей 1000 узлов, составляет около 1Ь мин на ЭВМ ЕС 1055. Во время тестирования программы были повторно рассчитаны сейсмологические модели, относительно которых имеются сведения о дисперсии фазовой скорости поверхностных волн релеевского тала - двухслойные модели В.И.КеЭлис-Борока и В.Б.Гласно, сомислойяая модель Ф.Пресса и 24-х слойная модель Земли Гутенберга. Во всех случаях были

Получены результаты, совпадающие с приведенными в „ .ературе с точностью до Ш8га расчетной сетки.

Решение обратной задачи находится на основе вариационного метода, т.е. исходя из положения о линейной связи малых вариаций фазовых скоростей гармоник волны Стоунли с малыми вариациями параметров среды. Уравнения связи выводятся из условия стационарности лагранжиана l относительно малых возмущений существующего движения (К.Аки, П.Ричарде, 1983.). Переходя от вариаций параметров Ламе <s\, <5м и плотности &р с учетом принятой модели среды к вариациям пластовых скоростей продольных и поперечных волн 6vP, svs и полагая svP~&p=о, получаем систему уравнений

i5vr - a<5vs

где ¿vr-<<5vri,...,6vr™>, 6v»<5v3i,...,6vjn>, а - матрица размера mxn. возможно m*n. Таким образом, обладая полученным тем или иным способом■предварительным разрезом vs<z> и рассчитанным по нему набором модельных дисперсионных кривых, можно пересчитывать различия натурных кривых с модельными в поправки к предварительному разрезу vscz>. Исключение из процесса интерпретации скорости продольных волн vP и плотности р нэ вносит больших ошибок, поскольку модельные расчеты (в частности, приведенные во второй главе) и некоторые ссылки (Gabriels Р. et al., 1987.5 укаЗЫПЭЮТ НЭ ТО, ЧТО 3TII П3~ ряметры слабо влияют на скорость распространения поверхност-

ных волн.

Решая обратную задачу, необходимо иметь ввиду, что малость исходных вариаций <5УГ вовсе не гарантирует малости рассчитываемых вариаций svs, в то время как последнее является, необходимым условием применимости вариационного принципа. Для обеспечения устойчивости-решения вышеуказанной системы уравнений применяется регуляризация по А.Н.Тихонову, приводящая к следующему выражению для рогуляризованного решения

<5у; = ьбуг

ь - <а*а + ое>_1а*

где <5УГ - исходные значения, отягощенные случайными ошибками, а*- матрица, эрмитово сопряженная с а, е - единичная матрица, а - параметр регуляризации.

Погрешность решения оценивается по диагональным элементам ковариационной матрицы, которая может быть представлена как

<ДУ;,ДУ5> - »гЬЬ*

где <4 - среднеквадратичная погрешность определения фазовых скоростей поверхностных волн. Разрешающая способность в пространстве решений и в пространстве исходных данных характеризуется соотношениями

¿Уд - L^6VS

6УС » аь<5уг

Столбцы матрицы ьа представляет собой реакцию решения на единичные приращения скорости ^ в отдельных слоях истинного разреза. Точно так же столбцы матрицы аь показывают изменения в "предсказанных" данных при единичных изменениях в отдельных значениях.из числа исходных.

Реализация вариационного подхода к интерпретации предполагает использование некоторого предварительного разреза ч.сяу. в заключительной части §4 описывается построение такого разреза на основе упрощенной интерпретации дисперсионной кривой главной гармоники волны Стоунли.

Вторая глава диссертации отведена описанию построеной на основе изложенных подходов технологии обработки и интерпретации поверхностных волн и результатов опробования ее на модельных материалах. Технологию составляют следующие процедуры:

1. Демультиплексация полевых записей.

2. Визуализация (полная или выборочная) сейсмограмм.

Процедуры I и 2 выполняются средствами обрабатывающей

системы СЦС-3.

3. Двумерный пространственно-временной спектральный анализ. Выполняется программой кеьшбр.

По визуализированным сейсмограмма?,: и результатам спектрального анализа производится выделение и идентификация гармоник волн Стоунли и определение дисперсии их фазовых ско-

ростей.

4. Запись точек т., ун' всех идентифицированных гармо-

' ник поверхностных волн в набор данных на магнитный диск. Выполняется программой гах2АР.

проведение дисперсионных кривых по рельефу двумерного спектра и занесение их точек в поле параметров программы ыхгдр являются единственными ручными операциями технологии обработки и.интерпретации, выполняемыми относительно каждого физического наблюдения (сейсмограммы поверхностных волн). Процедурой записи дисперсионных кривых заканчивается этап обработки поверхностных волн. Последующие процедуры составляют этап интерпретации дисперсионных кривых.

5. Расчет предварительного разреза у5<2> и построение предварительной слоисто-однородной модели среды. Выполняется программой ггЕЬУЗРй. Предварительная модель строится одна на весь профиль или, по крайней мере, на его достаточно протяженный участок.

6. Решение по предварительной слоисто-однородной моде, л среды прямой задачи, т.е. расчет соответствующих ей дисперсионных кривых фазовой скорости поверхностных волн. Выполняется программой яеьеу.

7. Расчет уточненных разрезов Выполняется программой яЕьузит. Считываемый с магнитного диска очередной набор натурных дисперсионных кривых сравнивается с заданными в поле параметров программы кЕЬУэит дисперсионными кривыми

предварительной модели. Различия в фазовых скоростях 6уг пе ресчитываются в поправки к пластовым скоростям <5Ув. Устойчивость решения обеспечивается регуляризацией. Одновременно, исходя из точности определения фазовых скоростей рассчитываются возможные погрешности в значениях пластовых скоростей V . При необходимости на печать может быть выведена вся ковариационная матрица <лv^,лv*>, а также матрицы ьа и аь, характеризующие разрешающую способность обратного опрератора в пространстве решений и в пространстве исходных данных.

Технология обработки и интерпретации поверхностных волн в ее действующем на настоящий момент виде завершается выводом значений в точках зондирования по профилю на печать.

Во второй половине главы (§2) приводятся примеры опробования технологии на модельных материалах. Первым приведен результат спектрального анализа модельной сейсмограммы, содержащей запись волны с заданной дисперсией. Тестирование интерпретационного участка технологии состояло в восстановлении разреза у^я) по дисперсионной кривой фазовой скорости главной гармоники йолны Релея, рассчитанной в свою очередь по модели Земли Гутенберга (К.Аки, П.Ричарде, 1983.). При этом показано, что удается восстановить основные черты разреза узсг> (ошибки не более 10%) даже в условиях грубых, до 30%, различий между истинными и принятыми в ходе интерпретации "априорными" значениями скорости продольных волн ур и плотности р.

Тестированием всей технологии в целом служила обработка " синтетических сейсмограмм, рассчитанных по предложенным нами моделям в Свердловском горном институте.Расчет сейсмограмм выполнялся методом конечно-разностной аппроксимации волнового уравнения на ЭВМ ПС-2000 под руководством В.Б.Писецкого. Результаты тестирования технологии на синтетических сейсмограммах, т.е. исходных данных такого же вида, что и натурный полевой материал, также признаны удовлетворительными.

Моделирование, выполненное в СГИ, одновременно позволило ответить на вопрос, всегда ли, т.е. при всех ли возможных в реальности видах вертикальной зависимости поверх-

ностные волны хорошо выражены динамически. В частности.показано, что в случае сильной инверсии значений поверхностные волны на модельной сейсмограмме практически не видам.

В третьей главе диссертации приведены результаты опробования технологии обработки и интерпретации поверхностных волн на реальных полевых материалах. Первыми (§1) представлены результаты обработки редких по своей выразительности волн Стоунли, зарегистрированных в ходе работ методом отраженных волн на мелководье Балтийского моря. Необходимо отметить, что в ходе выполнения вышеназванных работ задача регистрации волн Стоунли не ставилась, более того, волны этого типа рассматривались как помехи. Однако с точки зрения морской инженерной геологии записи этих волн представляют большой интерес. На сейсмограммах и спектральных картинах можно

выделить три гармоники поверхностных волн Стоунли, начиная с главной. Интерпретация полученных дисперсионных кривых позволяет восстановить разрез скорости поперечных волн на глубину местами свыше 100 м под уровнем дна. Всего было обработано 40 сейсмограмм с интервалами между точками зондирования 500 м, таким образом протяженность разреза составила

20. км. Примечательной особенностью полученного разреза являются имеющие место в начальной части исследованного профиля высокие скорости поперечных волн, свыше 1000 м/с, уже начиная с глубин 70-80 и под уровнем два.

В §2 описываются результаты обработки и интерпретации волн Стоунли, зарегистрированных в Шной части Азовского моря (В.П.Ефремов, А.А.Люманов, 1989 г.) с целью решения конкретной герлогической задачи - определения мощности гэзона-сыщенных плов. На сейсмограммах и спектральных картинах можно выделить две-три гармоники волн Стоунли, причем особенностью данных материалов является чрезвычайно слабая выразительность главной гармоники в сравнении с гармоникой первого и даже второго порядка. Последнее обусловлено тем обстоятельством, что главная гармоника распространяется почти исключительно в пределах верхнего слоя илов, в то время как гармоники высшего порядка распространяются также и по нижележащим более плотным грунтам. В результате обработки 70 сейсмограмм получен разрез скорости поперечных волн протяженностью 15 км на глубину.до 100 м под уровнем дна. Значе-

ния скорости поперечных волн в илах лежат в диапазоне. 90120 м/с. Исходя из оценки скорости поперечных волн в подстилающих глинах тугопластичной и полутвердой консистенции на уровне 180-250 м/с и выше, рекомендовано принять за ориентировочную нижнюю границу слоя илов изолинию Уа«15о м/с. Ее положение хорошо согласуется с данными инженерно-геологического бурения по двум скважинам, расположенным вблизи от исследованного профиля.

В третьем, последнем параграфе главы приводятся результаты обработки поверхностных волн Релея, зарегистрированных на Юльевской площади Днепровско-Донецкой впадины (Украина) с целью исследования зоны малых скоростей (материалы В.Н.Донского, КТО УКРНйГРИ). В результате обработки 37 сейсмограмм, содержащих записи двух гармоник релеевских волн (главной и . первой из высших), получен разрез скорости поперечных волн на глубину около 16 м общей протяженностью 2160 м. Особенностью разреза является его сложный инверсный характер в диапазоне глубин м и последующий довольно резкий скачок скорости поперечных волн от 150-200 м/с до 500-600 м/с при увеличении глубины с 10 до 16 м.

Выполненный сотрудниками КГ0 УКРНШ'РИ в двух скважинах на иследованном профиле мдаросейсмокеротаж на поперечных волнах позволил заверить получаемые методом поверхностных волн значения ^ данными прямых измере!мй. Результаты микро-сойсмокуротажа в ос ювном подтверждают получошшо значения

vscz>; вместе с тем нельзя не отметить, ^то выделенный методом поверхностных волн скачок скорости v^ по данным каротажа лежит на большей глубине, начиная не с II, ас 15-16 м. Анализируя отмеченное расхождение с привлечением характеристик разрешающей способности интерпретации дисперсии поверхностных волн, можно установить, что ого причиной является чрезвычайно слабоопределенное значение vs в предпоследнем слое на глубине 11-14 м.

В четвертой, заключительной главе диссертации проводится анализ информативности получаемых значений скорости поперечных волн в часта определения строения, состава и свойств донных грунтов. Возможности определения строения массива грунта ясны из полученных в предыдущей главе разрезов vs<x,z> и Достигнутой при этом вертикальной и горизонтальной разрешающей способности. Так, из приведенных примеров следует, что метод поверхностных волн не в состоянии отобразить тонкие детали вертикального (менее 5-20 м в зависимости от частотного диапазона волн и глубины от поверхности) и горизонтального (менее 50-300 м в зависшюсти от базы наблюдения) строения осадков и позволяет воспроизвести на получаемых разрезах vs<x,z> лишь основные его черты.

Информативность получаемых сведений о скоростях поперечных волн в отношении определения состава донных грунтов оценивается с помощью таблиц» значений скоростей поперечных волн в различных грунтах (Горяинов H.H., Ляховицкий Ф.М.,

1979 г.). Из представленных в ней данных следует, что. возможности непосредственного определения вида грунта по скорости поперечных волн не столь уж велики. Однако недооценивать их также не следует, особенно учитывая крайне ограниченные возможности в атом отношении любого другого дистанционного метода.

Третий аспект информативности получаемых значений касается определения упругих и прочностных свойств донных грунтов. Показано, что при равном относительном изменении всех определяющих упруию свойства среды параметров, а именно плотности р, скорости ^ и скорости чв, вклад изменений последней в суммарные изменения модуля Юнга е модуля сдвига о и коэффициента Пуассона я составляет соответственно примерно 66% и 50%. Полученные оценки свидетельствуют о том, что скорость поперечных воли являеус.я самым информативным из всех определяющих параметров в части получения сведений о комплексе упругих свойств, донных грунтов.

Вопрос относительно прогноза^прочностных характеристик грунтов, к числу которых относят модуль общей деформации Едеф, угол внутреннего трения *> и сцепление с, является значительно более трудам. Имеющиеся здесь возмо:кности связаны пока только с установлением корреляционных связей названных параметров с упругими характеристиками грунта. Однако для использования, в частности, уже «ынсдпшшх соотношений такого рода (Бондарев в.И., 1978 г., Миндгии, ИЛ'., 1975 г.) по-

мимо упругих свойств -требуются сведения о виде грунта. По

деформационных и, о той последней причине задача нрогшзгГ'ггрочнбстных свойств

Д01шых грунтов может быть решена только на основе комплексной интерпретаций данных различных геофизических и геотехнических методов.

Анализ отдельных аспектов информативности метода поверхностных волн позволяет наилучшим образом определить его место в составо комплексе геофизических и геотехнических методов, привлекаемых для выполнения инженерно-геологических исследований. Верно и обратное,т.е. что исчерпывающая оценка информативности получаемых значений возможна только лишь после определения принципов комплексной интерпретации разнородных геофизических и инженерно-геологических данных. Рассмотрению доследних' вследствие названной необходимости отведена дальнейшая часть IV главы.

За основной принцип комплексной интерпретации принимается агрегирование даваемой различными методами нечеткой информации о виде грунта до степени, позволяющей делать определенные выводы если и не во всех, то в большей части точек исследуемой среды. При этом конструктивным оказывается подход, базирующийся на технологии экспертных систем (ЭС), формальной основой которого является теория нечетких множеств Заде. На множестве значений каждого измеряемого параметра грунта (скорости продольных волн V скорости поперечных волн коэффициентов поглощения продольных и поперечных

волн avp, удолыюй электропроводности с, нормальдого и тангенциального сопротивления вдавливанию при статическом зондировании т'п, т^ и т.п.) задаются так называемые функции принадлежности (Поспелов Д.А., 1986 г.) различных видов грунта, после чего по любому конкретному значению параметра с учетом 01-0 погрешности можно рассчитать набор вероятностей принадлежности грунта к каждому из возможных его видов. Тем самым разнородные, трудно сопоставимые между собой данные приводятся к единому формальному представлению, и несмотря на то, что в каждом отдельном случае определенность полученной информации в отношении прогноза вида грунта может быть очень низкой, открывается возможность ее повышения посредством суммирования одних слабоопределенных данных с другими по формуле сложения условных вероятностей Байеса. (Аналогичный подход предлагается при интерпретации геофизических дан- ' ных в работе Ю.Д.Зыкова, Н.Ю.Рождественского, 1988 г.).

Вторым принципом комплексной интерпретации является экстраполяция данных точечных геотехнических методов, и прежде всего бурения, в пространство, окружающее точку зондирования (скважину). В основу формального описания процесса экстраполяции закладывается аналогия с диффузией красителя в заполненном водой высоком и узком сосуде. Пусть в середину такого сосуда с помощью шприца аккуратно введен небольшой обьем жидкого красителя, имеющего ту же самую плотность. Можно считать, что изменение определенности полученных в розуль-

тате бурения сведений о грунте при удалении от скважины на расстояние х происходит так же, как и изменение концентрации красителя в описанном выше опыте с течением времени «.. Например, если в результате бурения со всей определенность» установлено, что в интервале глубин присутствует грунт

вида 1, то экстраполяция этих данных в окружающее пространство может быть произведена в соответствии с решением уравнения

а2 „

" 0 ~2 С1 ах егл

1. 215г<22 х-о I о, ,

где с 4 - функция принадлежности грунта к виду 1, о - коэффициент диффузии, выбор которого оставляется за инженерным геологом.

Проведенная аналогия может быть продолжена несколько двльше. В том случае, когда с помощью сейсмоакустшси на разрезе прослежены границы внутри осадочной толщи Г1, Г2,..., последние могут быть введены в указанное выше уравнение с условием вертикальной "непроницаемости" для функции с1

- о

<*2

гГ Г1<х-2>

Граничные условия такого рода препятствуют диффузии функции принадлежности с и тем самым позволяют ей сохранять в пределах слоя величину, близкую к исходной.

Формализация процесса экстраполяции данных инженерно-21

геологического бурения и других точечных геотехнических.методов позволяет комплексно интерпретировать эти данные как-совместно друг с другом (две скважины - уже комплекс), так я совместно с данными профильных геофизических наблюдений. Вместе с тем необходимо оговорить, что результаты единичной экстраполяции (как результаты всякой экстраполяции) не могут рассматриваться как абсолютно достоверные и не должны использоваться вне комплексной интерпретации сами по себе. Рисунки, иллюстрирующие высказанные положения, представлены в тексте главы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показана возможность и целесообразность определения скорости V; поперечных волн в толще грунтов морского дна для решения задач морской инженерной геологии на основа обработки и интерпретации поворхностных волн Стоунли.

2. Обоснован выбор вариациошюго подхода к интерпретации дисперсии фазовой скорости поверхностных волн.В его рамках предложен простой, но достаточно эффективный способ численного решения прямой задачи, основанный па использовании ленточного вида матрицы определителя в дисперсионном уравнении..

3. Обоснована аналитически и проиллюстрирована на модельных и реальных примерах допускаемая при определении ме-

тодом поверхностных волн значений погрешность и достигаемая разрешающая способность.

4. Разработана технология обработки и интерпретации многоканальных цифровых записей поверхностных волн релеев-ского типа, включая ее программное обеспечение. Доказана ее работоспособность на разнообразных модельных и полевых материалах.

5. В частности (к-последнему положению предыдущего пункта), выполнена обработка записей вода Стоунли, зарегистрированных в различных сейсмогеологических условиях па профилях в Балтийском и Азовском морях, а также записей волн Ре-лея, зарегистрированных на Пльевской площади Днепровско-До-нецкой впадины. Проведено сравнение полученных материалов с имеющимися,дашшми инженерно-геологического бурения и микро-сейсмокаротажа на поперечных волнах.

6. Проанализирована информативность получаемых значений скорости поперечных волн в части определения, строения, состава и свойств донных грунтов. Предложены принципы комплексной интерпретации геофизических и геотехнических дашшх как основа для построения инженерно-геологической экспертной системы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

I. Ковалевский Е.В. Расчет профиля скорости по дисперсии

поверхностных волн для задач морской инженерной геологии. Материалы I Республиканской школы-семинара молодых геофизиков Украины, Алушта, 26 нояб.-б дек.,1986. Киев, Ин-т геофизики АН УССР, I9ö7, с. ЬЗ - 54. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ 05.11.87, № 7768-BÖ7).

2. Харченко В.И., Ковалевский К.В. Расчет профиля скорости поперечных волн в верхней толще морского дна по дисперсии поверхностных волн для задач морской инженерной геологии. В кн.: Морская инженерная геофизика. Сб. научн. трудов. Рига:, ВНИИморгео, 1988, с. 56-63.

3. Ефремов В.П., Рубцов Э.Д., Кривенков B.C., Харченко В.И., Новосельский А.Ф., Ковалевский Е.В., Люманов A.A., Седен-ко И.И., Баранова М.М. Технологический комплекс инженерно-сейсмических изысканий на мелководье методом рефрагирован-ных и поверхностных волн. Тезисы докладов Всесоюзной школы по техническим средствам и методам освоения океана. М.: Институт океанологии, 1989. Т. 2, с. 142.

4. Харченко В.И., Ковалевский Е.В. Обработка и интерпретация волн Стоунли, регистрируемых при инженерно-геологических исследованиях на мелководье. Океанология, т.30, вып.5, 1990, с. 756-763.

5. Ковалевский Е.В., Новосельский А.Ф., Кривенков B.C., Ефремов B.I1. Определение скорости продольных и поперечных. волн в ВЧР грунтов морского дна и суши на основе обработки рефрагированных и поверхностных волн. В кн.: Морская инженерная геология. Сб. научн. трудов. Рига: ВНИИморгео, 1990» с. 19-29. 24

6. Kovaloviiky E.V., Yefromov V.P., Lumanov A.A. Application of Stoneley waves in shallow water engineering- studies. Proceedings:6th International Congress International Association of Err Sineex-irsg Geology,Amsterdam,6-10 August 1990, p.1093-1100.

Подписано в печать 15.11.90 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Офсетная печать. Усл.печ.л. 1,1. Уч.-изд.л. I. Тираж 100 экз. Заказ № 257 . Ротапринт ВНИИмор^о. Адрес: 229002, пос. Бабите Рижского р-на, ул. Смилщу, 22.