Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности распространения сейсмических волн в пористых насыщенных средах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Особенности распространения сейсмических волн в пористых насыщенных средах"

с ^

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ ИМ.О.Ю. ШМИДТА

На правах рукописи УДК 550.834

БЫКОВ ВИКТОР ГЕННАДИЕВИЧ

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ПОРИСТЫХ НАСЫЩЕННЫХ СРЕДАХ

04 00.22-геофизика А ВТОР ЕФЕРА Т

диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1991 Г.

раооти выполнена в Институте тектоники и геофизики дао ДН СССР и в Институте физики ¿Земли ДН СССР

Научный руководитель: /.октор технических наук, профоссор

Б • Н. Шшолае в скмй Официальные оппоненты; доктор физико-математических наук

Д.Ь.Каршош

доктор физико-математических наук, профессор в.ГЬТр.уСицын Ведущая организация: Институт проблей нефти и газа ДН СССР и

Гособраэования СССР

Защита состоится »А Н ОС^ргЯ 1991. Г. в 40 часов .

на заседании Специализированного совета К 002.06.02 при ИЗЗ АН СССР в конференц-зала.

С диссертацией ыошо ознакомиться в библиотеке ИШЗ АН СССР.

Автореферат разослан " Я " 1995 г.

Отзывы, заверенные печатью учреждения, яросим направлять в одной экземпляре по адресу: 123810. Ыосква Д-242» Б.Груадаская ул., 10, Институт физики Бйыли АН СССР, ученому секретарю Спецсовета К 002»08.02 Дубровскому В.А.

Ученый секретарь Специализированного совета д.ф.-ы.н.

В.А.Дубровский

';:; шря ХАРЖШРИСТША РАБОТЫ

Актуальнос'Я..

Изуче ие физических особенностей распространения с ¿йсни-Ческих воли в пористых насыщенны.. средах г^обходимо для решения многих практических задач ыорской, нефтяной и нелинейной сейсморазведки, сейсмологии, геодинамики. Одним из основных направлении сейсмических и сейсмологических исследований является установление взаимос! 1зи измеряемых дин^лмческих характеристик волн и реальных физико-механических свойств морсь.л осадков и горных пород, насыщенных различными флюидами, при соответствующих температурах и давлениях. Именно эти исследования представляют наибольший . ятерес для акустиков, океанологов, геофизиков, геологов потому, что они позволят определять тип глубинных Геоматериалов и их геодинамические свойства в условиях Естественного залегания. Большая Часть исследований -натурные измерения, в результате которых получают эмпирические соотношения, связывающие сейсмоахустические й физические параметры геоштериалов. Наряд;/,, с этим проводятся лаборатирные и теоретические исследования* основной целью которых является изучение физических механизмов распространения сейсмических волн. Поскольку адекватные модели процесса динамического деформирования Геоматериалов иключшот ряд трудно определяемых в натурных условиях величин, оказалось необходимым прибегнуть к чи ленным методам апробации существующих моделей и определении пределов их применимости» а такзэ введения в модели новых элементов.

Цель и задачи работы.

Цель)" работы являлось исследование физических особенностей распространения продо..->ншс сейсмических аолн в пори-тых средах, математически" моделирующих реальные геоштериалы. А ^той связи решались сльду.ддие задачи:

I. Получить систему уравнений, описыващуа продольные сейс-мичзские волны в порист"й вязкоуаругой среде с частичным водо-насыщением, соответствующей морским донным грунтам. Установить зависимость скорости и поглощения учад гих волн от степени насыщения пор жидкостью, температуры, давления, пронгдаемости матрицы и частоты колебаний. Выявить изменения фот"н сейсыическо-

го щщудьса яри различном газосодераания е среде.

2. Составить систему уравнений, учитывающую вяэкоинерцион-дай эффект, сдвиговую и объемную вязкость насыщающей иидкости, а такке вяэиость матрица, обусловленную наличием аморфной пленки в контактах зерен пор! ¿той среды, и иоиользовать ее для исследований сейсмических ьодн а частило расплсзленных горных породах и двухфазной астеносфере.

3. встроить нелинейное эволюционное уравнение для двухфазной пороупругой среди при учете старших временных производных в выражении доя сил меэлфааового взаимодействии, использовании метода малых возмущений и введении медленно изменяющихся координат. Цршенцть полученное уравнение при анализе слабо нелинейных волновых процессов в морских осадках.

Научная новизна»

1. В уравнениях динамики пористых насы^-нных сред Френкеля - Био - Николаевского конкретизирован модельный элемент вязкоупругости матрицы, рассмотрено совместное влияние трения на границах ае^ >н и перетоков вязкого флюида н^. скорости и поглощение сейсмических волн,

2. Щтем подбора эффективных значений плотности, сжимав- ' мости и вязкости смеси шдкгсти и газа получено удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных донных дри водонасыщеннастя пор от 40 да 70 %-

3. Введение в теорию насыщенных оред линейной вдакоупрогости матрицы открыло возможность динамического моделирования частично расплавленных горных поро., при сохранении вязкайне1^-ционного эффекта, причем, учитывались вязкие ,.зформации матрицы, объемная и сдвиговая вязкости внутридорового расплава.

4. Доказана др .нципиальная возможность определения эффективной вяакости астеносферы по поглоще'мю сейсмических волн. Установлено, что при определенном сочетаний параметров, астеносфера, несмотря н; ее физическое существование, не всегда ыоже-" быть выявлена этим методом.

5. При сохранении нелинейных членов в уравнения.. Френкелями - "чколаевского, использовании метода малых возмущений, введении медленно иь. .енящихся координат и с учетом старших производных в выражении длн сил мех'^азового взаимодействия сос тавлено обобщенное эволюционное нелинейное,уравнение Кортеве-

га - де Фриза - Бюргарса, соответствующее волнови процессам

в морских осадках. На защиту выносятся:

1. Возможность использоиания системы уравнений фр<;Нкеля-Био - Николаевского длн описания волн в и ристых насыщенных средах с частичный гизовым заполнением и вязкоупругой матрицей, двухфазной частично расплавленной кристаллической породе с аморфной прослойкой между зернами И в морских грунтах

2. Результаты теоретических исследовании многофакторного влияния физико-механических свойств реальных геоматериалов на скорости и поглощение продольных упругих волн.

Г. Эффекты влияния поглощения, вызываемого движением флюида (кидкостй, сме^и жидкости и газа, расплава) отн зительно Твердой матрицы, трением между зернами, внутрипороеымн тесаниями, вязкостью матрицы, в процессе распространения сейсмических волн.

4. Геофизические приложения предложенных динамических иоде; з А.

Практическая ценность. ®

Результаты расчетов динамических характеристик по трехфазной модели, учйтыьаш/й движение гаэожидкостной смесч относительно твердой матрицы и взаииодеиствие между зернами, могут быть использованы для оценки по сейсмическим данным степени насыщения пор газон и геолого-геофизической интерпретации вре • ценных разрезов. Изучение физических особенностей распространения сейсмоакустичсскях гчпульсов в иористых Геологических средах необходимо для прямых поисков и разведки водоносных коллекторов и залежей углеводородов.

Установление зависимости параметров сейсмических волн от фиоико-механических свойств частично расплавленных .'арных пород необходи!о при интерпретации геофизических дамдч и оценки возможностей сейсмологии до изучению тектонически активных регионов, определения эффективной вязкости слоев верхней мантии, решения вопросов о детг )ьнои распределении расплава в астеносфере.

Учет нелинейных искажений сейсмических волн позволит болев точно определ: ть значения их скоростей и коэффициентов поглощения. Анализ эволюционного уравнения указывает на возможность дистанционной классификации морских осадков по характерно-

тикам отраженных днси гасжкустических волн. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на конференциях молодых у оных и специалист*- э ИТнГ ДВО АН СССР (1985-1986), I Всесоюзной конференции по морской геофизика "Проблемы геофизики океанского дна" (Баку. 1986 г.), семинарах ИТиГ и отдела физики недр земли и плане? Ш>3 Ш СССР. Публш. ."ИИ.

Основное содержание работы . зложено в 7 публикациях {список в гонце автореферата). Структура -И объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 95 страницах машинописного текста, работа содержит 24 рисунка, 2 таблицы, список литературы. Всего 135 страниц.

ОДШШ РАКДЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, зред-ставлящей предмет исследования, в кратко ощеано содержание диссертационной работ.'.

Ь первой главе проводится обзор наиболее вша.-ас теоретических и экспериментальных исследований г.л теме диссертации, а также краткий анализ механизмов поглощения сейсмических волн в пористо-трещиноватых насыщенных средах,

К настоящему времени предлогеьо большое количество м^челей и соответствую^* иы уравнений, пригодных дг т описания распространения сейсшчесних волн в .Геоматериалах. В их число входят как модели не -.он реи:аируюцна механизмы аатухания, так и подели учитывающие поглощение, обусловленное трением частиц, г э- -таряыи при движении флюзда относительно твердой матрица, дина-ыикой. флюида в ког-т^ах зерен» наличием пузырьков газа в насыщающей поры жидкости, частичным плавлением, рассеянием и др. Модели второго типа представляют собой интерес потс-^у, что да-I. ппкнципиальную возможность для нахождения, рзаишсвязи физи-ко-ь'вхаиических ларкметро^ геоыатериалов и поглощения сейсмических воли, т.е. связь диалогического состава, типа пор< т~ шшштеля, микроструктуры с динаиичоскиык характеристиками сей-

- о -

смических волн, что необходимо д^я адекватной интерпретации сейсмических данных.

допросы распространения упругих води в пористых насыщенных средах рассматршали Я.И.$рр-нкель (1944), М.Био (1~5б), ДО.Гиртсыа и д.Смит (1961). В.Н.Николаевский (1962.1970 1984), Л.Л.Золотарев (1963)» ВЛЬСт^-ланов (196^), Л.М.Дорогиницкая с соавторами (1964). Г»¡Сустер и М.Токсоа (1974), К-Макканк и Д.Маккаян ,1969,1965), Р.И.Нигматулин (1978), В.П-Гороатоиц (1969), С.До-мнчко (1974,1976), ДО.Уайт (1975), ЬП.Оибиряков с соьлораш (197В), Р-Столл (1970,К79,1980), Г.Ы.Лнхов (1982), Г.Иавко и д.аур (1975,1979), Т.З.Вербицкий (1975,1977), Л.П-Хо-рошун (1980), С-Ночизуки (1982), У.Мерфи с соавторами (1982, 1944), Б.п.Гдашч и С.Л.Л^патчиков (1985,1966), 0.К.Кондратьев (1966), Ф.Ц.Ляхошцкай (1988), М.Г.Марков и А.Ю.Юматов (1984), В.И.КР^ин, Ц.Г.Марков и А-Ю-Юматов (1984,198В), Ь.Е-Донцов, 0.В.Кузнецов и В.Ы.НакоР«к°в (1987,1988) и многие другие.

В пионерской раОта Я.¡{.Френкеля, а затеы з серии работ М»Био и В.Н.Ни«олаэвского оыла развита общая теория распространения норо^прурих волн, согласно которой допускается движение жидкости относительно тваадоц катри^, в результате чаго становится возможным учесть вазиие потери из-за фильтрационных перетоков. Вязкие потери наиболее сильно зависят от структурного параметра, связанного с размерами пор, и от проницаемости патрицы. Поэтому основная трудность состоит в определении реальных значении этих величян для насыщенных геоматариалов,

К.Ховем и Г-И^грем (1979). при исследовании вязкого поглощение в водоиасьщенноы п ска ввели частично зависимый структурный параметр, что позволило а опраделеннац --аоготном диапазоне добиться неплохого согдасия расчетов ^ экспериментом, Канн и Д.Макканн (1985) модифицировали теорий для неконсодиди-ровамних осадкоц, предполагая, что размеры 1. /р при перехода ;т одной выделенной области к другой изменяются, но пористость при это... остается постоянной. Сравнение результате т расчетов с экспериментальными данным., показало, что На '/льтразвучовых частотах такое введение сблшает теорию и эксперимент. Д.Л.ДОоисои с соавторами (1987) попользовали новый параметр, характеризующий динаыпку связанных пор на высоких частотах а получили фор-

- € -

цулы для частотно зависимых динаыическои проницаемости и структурного параметра, Дж.Берриман (1968) в ходе лабораторных экспериментов пришел к выводу, что локальная проницаемость, учитываемая в теории, всегда больше глобальной проницаемости -проницаеаости геологической неограниченной среды в естественных условиях. Заметим, что зги расхождения мо*ут быть одной из причин несовпадения результатов натурных измерении и теории.

В работах Г Щавко и А«11Ура (1975)» Р.О'Коннелла и Б.Д/Днн-ского (1977) описан тонкоструйныИ механизм поглощения, для использования которого необходимы дополнительные сведения одяи-не и толщине трещин, концентрации пор и трещин и их относительном удлинении, а также об отношении объема связанных трепан и пор.

Б.Я.Гуревичем и С.Л.Лолагниковым (1985,1986) разработана эффективная теория поглощения упругих волн, основанная на явлении трансформации волн I типа в бысл'роэатухащие водны Ц типа на случайных неоднородностях пористых сред.

Затухание сейсмических волн в водонасыщенных породах и осадках может быть обусловлено.! кже к внутренней не^пруг-стьы кристаллов и трением на границах зерен и трещин. Внутренняя неупругость по мнению Д ^иенсона и Д.Андерсона (1970), ДО.Ток-соза, Д.Джонсона и А.Тимура (1979) обычно мала и поэтоцу разумно рассматривать только поглощение за счет трения. Дк.уолш (1966) и Г.Мавко (1979) исследовали этот механизм для щ. дольных и поперечных волн, оказалось, что только трещины определенной длины и ориентации с некоторыми коэффициентами трени.. будут вносить вклад в пс яощвние. Ы.Био (1957,1963) нредлоя. л для описания вязкоупругих свойств замшить пороуиругие коэффициенты на некоторые штегродифференциальные операторы и представил частные случаи таких операторов при введении в двухфазные модели эффектов межзернового грения, вчсачивания жидкости из оС -ласти контактов зерен и др. Р.Столл (1970) при исследовании сейсмических волн в морских осадках формально ввел комплексные модули упругости, мнимая часть которых обеспечивала затухание в матрице без конкретизации физического механизма поглощения. 3 дальнейшем р.Столл (1980) учел поглощение, связанное с вы -теснением кидкости из контактов зерен, посредством введения эффективного напряжения, зависящего от размера зерен, толщины

и вязности ¡одной прослойки в местах контактов.

Насыщенна осадков смесью жидкости и газа имеет несколько эффектов: объемный модуль упругости поросого флюида уменьшается, содействуя питоку даже при небольших градиентах давления; пузырьки газа, сжимаясь и двнг:лсь, тоже дают -¿клад в увели з-н'<е поглощения.

Впервые вопрос о распространении упругих волн в горных породах, нао.ьценныл мидкостыо и газом, был рассмотрен у.Брутса-ертом (1964^- Предполагалось, что каждая пора заполнена либо газон, либо жидкостью. ПЛЬЗолата^зв, В-Н-НиколаавкиЙ и В.П» Степанов (1966) предложили .додель, ь которой при газонаскшениа аддкости менео чем на Ш ~ 20 % воздух защемлен а тонких пора^ в виде пучырькоо и совершает движение рмеатв с матрицей; давления в жидкости и газе равны.- рзконнерциошшй эффект вызывается только течением «идкооуи, присутствие пузырьков оказывало влияние ^а скиыасзмооть к температурный рекам скеси ж. дности н гага.

Дк,Уа"т (1976) I разбивая ср<_ду ячейки, и вьдадь« а лаг. • дой из них заполненную разом сферу, учитывая взаимодействие жидкости и газа, получил модезль, которая дает значительна б^'ль-Ш8в '1ату:-ан11о, чем это наблюдается в реальное!,I. Основное отличие модели Н-Дутта и д". (1979' о1? модели Дх.уайТи заключается о ином "чата явлений на границе кидкос.и и газа: падиаяь-яыб напрдае-'ия и смешения непрерывны. Задача осциллирующих сферически.: газовых включений решена строго. Г«!1авко и А-Нурш (1379' предложена модель, лнеивавда» затухание в породах с час-тичн заполненными ¡аидкостьп тонкиш порами и урщинтн эллиптической формы. Поглощение связана с концентрацией газа, вяз-кос* ою ш^кости и а формой пор» Л.Цалцар и Ц.'Граволна (1930/, используя уравнение Напье - сгонса, с ссщ.^ал» поглощение для простой куоическои упокое ;и Шарое, частично заполненной сииш-ваищш флюидам.

В модели С.Мочиг ни (1582) принималось, что смесь жидносга и г>аза те*"1т таи, как еелк би она обгчдала аффективной ьсцвиа-ностью, отражающей пористую структуру и взаимодействие флюида с зернами. Поглощение, связанное с неупругостью матрицы, не у итьшалось. Вели ша затухания, предсказанная теорией, оказалась намного меньше экспериментально наб ведаемой. Применяя ва-

- о -

риационный принцип Гамильтона, А.БцДфорД и М.Штерн (1983) составили уравнение движения для газонасыщенных донных осадков. В модель включен резонансный уффист газовых пузырьков и потери но трение в контактах зерен. Р.И.Нигматулин {1978) и многие другие рассматривали звуковые и ударные ыяш в жидкостях с газовыми пузырьками, в том числе в режиме кипения.

В работах У.Мерфи с соавторами (1984»1986) представлена модель поглощения и дисперс".. скорости сейсмических волн в осадочных породах, учитывается релаксация гидродинамического напряжения, адсорбция молекул на поверхности зерен, степень насыщения пор флюидами, а также гидродинамический эффект вытеснения жидкости из контактов зерен. В.Е.Донцов, В-В-Кузнецов и В.Е.Накоряков (1907>» используя гомогенное приближение, получили систему уравнений, в которой была учтена нелинейность» вносимая пузырьками газа, вязкое радиальное движение жидкости в порах вблизи осциллирующих Пузырьков и мекфазное тренио.П.О. Горбачев, Б.Я.Гуревич и С-Л-Допатняков (1990) исследовали влияние случайно-неоднородного распределения газа на скорость ц поглощение продольной волны I типа.

Поглощению сейсмических ьолн в частично расплавленных горных породах, т.е. насыщенных расплавом пористы): сродох, посвящено несколько работ.

Дк.Уола (1968,1969), применяя вязкоупругую аналогию, определял значение эффективных модулей упругости и добротности среды с жидкими сферическими включениями. Главно и Д.Нур (1975) модифицировал»: теорию Да.Уолта применительно к включениям в виде трещин и рассматривали струйный механизм поглощение. А.О.Глм-ко (1976) на основе метода Хашина получил выражения для граничных .шачений эффективных модулей сдвига, добротности неупругой матрицы, содержащей кидкие включения, и рассмотрел случай, когда тонкие жидкие пленки окружают сферические зерна матрицы, А.О.Глико и В.Н.Еарковым (1У77) проведен критический анализ результатов работы Дх.Уолта и представлена исправленная формула для вычисления поглощения в случае эллипсоидальных виш-чений. с

Э.Кьяртанссок (1978) использовал механизм поглощения, связанный с фазовыми переходами между матрицей горной породы и расплавом. р.о'Коннелл и В.Будянский (1977), Г.Мавко и А-Нур

(1980) проводили исследования поглощения и дисперсии скорости упругих волн для мучая размещения расплава в контактах зерен в виде пленок и трубок. Х>Ы»елинг (1985) развил подход своих Предаественнаков для изолированных и связанных включений различной формы в виде эллипсоидов, сфероидов, трубок, пленок и показал, что поглощение и фазовая скорость зависят от линейных размеров и геометрии размещения расплава.

Несмотря на существование большого числа теорий ч важность проблемы, вопрос о преобладающих механизмах затухания упругих волн в различ)1ых типах горных пород остается пака открытым, диализ теоретических и экспериментальных исследований показывает, что относительно простая модель пористых насыщенных сред, имеющая в своей основе теорию Френкеля - Био - Нико аевского, способна отразить совокупность свойств реальных геоиатерк. нов. Поэтому в последующих главах для описания сейсмических волн в насыщенных горных породах н морских осадках конкретизируются и используются различные модификации теории Френкеля - Био -Николаевского.

Во второй глава исследовано совместное влияние неполного насыщения пор жидкостью и трения в контактах зереь на поглощенно,скорости продоль.;лс сейсмических волн. При математической описании динамической подели учитывалось движение неоднородной снеси «идкости и газов относительно матрицы и взаимодействие цезду зернами, слагающими матрицу. Предполагалось, что дйаызтр пузырьков газа, насыщаацего жидкость, меньше размеров пор твердой матрицы. ¡длагаемая модель является некоторой комбинацией модели С-Чочизуки, учитывающей неоднородность флюида, и модели р.Столла, включающей поглощение в матрице. Однако, в от-.ичин от р.Столле, использоьавазго для учета поглощения в матрице обычный формальный переход к комплексным модулям упругости, что по сути включает любые причины пригодящие к затуханию, в описанной модели получены выражения дл" коэффициентов упругости, позволяющие выявлять конкретные физические механизмы поглощения. Л следущей главе рассматривается вязко-упругая модель другого типа, в которой попощение сейсмических волн связано уяе с объемной ¡> сдвиговой вязкостями Матрицы насыщенной пористой среды,а не с трением по границам зерен, и частотно зависимым является только одан упругий коэффициент.

При использовании соотношения Що'черта, связывающего радиус пузырька с резонансной частотой, установлено, что вклад поглощения, обусловленного переходом анергии упругих волн в энергию колебания пузырьков газа, в общее затухание при выбранных параметра г среды в }' шлг. .она частот до I Мгц практически равен нулю, поэтому резонанс внутрлпороцых пузырьков, в отличии от модели А.Бедоорда и Ы>Штерна, не укатывается. Кроме этого проведено обоснование выбора значений некоторых параметров, уходящих в полученную систему ураеде. ли. Введение вязких потерь в модель о.Ыочиэуки приблизило коэффициенты поглощения и наблюдаемым в реальных средах величинам, Для сравнения предложенной модели с моделями. М.Бно, р.Столла, р.Ночизукн в таблице прире-дены значения некоторых коэффициентов, ьхсдпщих $ соответствующие уравнения.

На основе полученных уравнений бдои раг-лдтшц дннаыйчоо-кие характер« тнин »одонасыщешшго песчаника Циссилон с час -тичным заполнением врэдухои к ик авшисимочгч» от степени насыщения пор родел, температур«, дерленпя, ирсшмяиостк матрицы и чостоты колебаний. При и том ксдодьэоеадиоь знс.чшщ« ф. зг.чзс-ких папаматров реальных сред на ребо® рьСтодли й С,(4лчйзуки. Расчеты показали удовллгдо] :«еяьНсо орвиадешш теоретической кривой поглощения с акерёримантадьными данннуи при ».лсшнвн^и пор водой от 40 до А) р< расчетные значены скорости иродоль- • ных волн при Еодонасьадений на 40 - 100 % ь среднем на 25 7» бодыае аврперимент&дьцых й 'точно совпадают при полном насыщении песчаника водой, усгайовленд, что наличие г&аошх включений приводит к значительному увеличении вазк^лнерцгюннаго поглощения продольных волн к дисперсия скорости, При П013Ы4ШНИИ температуры я давл-ния слияние степени водонасш;аняя па поглощение ослабевает. Погдощ-знда более чу зрительно к изменена. РТ - параметров» цеы спорость; при увеличении глубины от 1СОО до 4000 метров коэ^")иц 'ект поглощения '^шьщаетея в Ю раз, а ■ скорость увеличивается только у 1,7 раза» "

Рассмотрен вопрос об изменении формы сейсмического импульса, рппространявщегося в пористой вяэкоуппугой среде, насыщен-^ ион водой и воза.,хоы. Доказано, что при прохождении череа по-ри«.1ую насыщенную среду импульс претерпевает значительные ,.з~ шишки», а увеличение газсодержания приводит к существенному

уменьшению амплитуды импульса.

В третьей гладе на основе теорий Френкеля - Био - Николаевского и линейной вязкоупругости рассматривается расп, острано-ние продольных волн в двухфазно: астеносфере и вулкяни ¿ских областях. Исследуется связь поглощения сейсмических волн с значениями физико-механических параметров кристаллических пород при их частичном плавлении, причем, в отличии от ранее пополненных работ, учитывается объемная и сдвипл 1й вязкости расплава (что очень вакно для таких сильновязких жидкостей как расплавы горных пород) и изменение структуры норового пространства в процессе плавления. Получены формулы для вычисления коэффициентов погло1! ^ния продол1 1Ых волн, обусловленного внутри-поровыми течениями, и обсуждены пределы их применимое?! .

Установлена зазисимость поглощения сейсмических волн от температуры, давления, объема, плотности,Вязкости расплава, ра-мера кристаллических зерен и модулой упругости частично расплавленных горных пород. Из расчетов следует, что при вязкости расплавов - Ю и 10 - ЮЗ® пуаз вычисленные коэффициенты поглощений низкочастотных сейсмических волн совпа/адт по порядку величины с Данными натурных измерении. В первом интервала преобладающие значение имеет вязкоинерционнии з(ррект, во втором - внутрипоровые течения. Показано, что пренебрежение объемной вязкостью расплава приводит к занижению конфидентов П( глощения в 2-5 - 10 раз.

Проводится построение системы уравнений ерэды с упруговяз-кодеформируемой иатрицеи. Для этого тензор аф^ктивного напряжения гаписывается в виде сукмы упругой и вязкой частей, вследствие чего система уравнений включает вязкость матрицы и ^яэ • кгггь расплава, и со.прамг коэффициенты упругости существенно отличающиеся от коэффициентов оязкоуПругоД модели, описанной в предыдущей .'л"ве. Полученная система уравнений применена для расчета поглощения продольных сейсмических волн такяе в двух-фрэной астеносфере, но уяе с частично поставленной матрицей. При этом предполагалось, что вязкость матрицы обусловлена наличием меаду зернами аморфной фазы, которая служит "смазкой" при движении ; >рен относительно друг друга и обеспечивает полау-честь геонагериала.Цоры заполз.¡ны расплавом,вязкость которого на много яорядкоз меньше вязкости вещества аморфной прослойки.

Дня коэффициентов эффективной сдвиговой и объемной вязкости среди использовались формулы А-В-Каракина и Л.И-Лоб.-овского (1985). Ья хость вещества мегзерновой пленки по косвенны»! оценка!,! составляет величину порядка Ю® - гуаз. Показано,что при ьяжости внутрииорового расплава Ю - пуаз, определяющее влияние ^ поглощение в астеносфере оказывает вязкость ее матриц! .

Установлены значения коэффициентов поглощения характеризующие определенные состояния астеносферы. Поглощение порядка

см-*, соответствующее шь.,ости матрицы астеносферы Ю^ пуаз, с. ззано, по-видимому, с возведенным состоянием астеносферы, Ног; зщение - 10""^ характеризует спокойную (слабо ризогретую) астеносферу, осладающ/ю вязкостью а ¡о*^ -пуаз. Вязкость Ю*® - Ю п;чз» для которой предложенная модель дает поглощение (2-5 - 7-5) 10"^ сы' *, определяет промежуточное состояние.

Вьнвле 1а принципиальная возможность определения эффективней вязкости астеносферы по сейсмическим данным. Представленные результаты расчетов звидетельстеуют в пользу современной точки зрения о повсеместном присутствии астеносферы на Земле. Но при определенном сочетании ее параметров, астеносфера, несмотря на ее физическое существование, на всегда ма-ет быть обнаружена сейсмологическими методами.

В четвертой глава лосгхлена обобщенное нелинейной эволюционное уравнение Кортевега - де ¿»риза - Бнргерса, соответствующее сис/еме уравнений динамики пор.шт :х насыщенных сред. Для зтогс в модели взаимопроникающих континуумов сохранены нелинейные члени и учтены старшие производив в выражении ,цяя сил межфазового взаимодействия; использован дацее метод ыаяьхе возмущение с введением медленно изменяющихся координат и времени. Нелинейность полученного уравнения определяется именно двухфаз-ностью ерэды. Проведены анализ дисперсионного соотношения и проверка решения нелинейного уравнения на устойчивость. Найдена зг эиеммость поглощения от частоты колебаний и физических свойств морских осадков дяя си.абых возмущений ».алинейних волн.

установлено, что для насиненных песков и мелкозернистнх осадков проницаемостью Ю"12 - и пористостью 0.4-0-7

оьоАщношше ¿равнение периходиг в уравнение Бюргерса, одцэ из

решений которого описывает .изменения одиночного импульса не -симметричной нолоколообразной формы. Проявление нелинейных эффектов фиксируется уме на расстоянии в 100 и и более от источника колебания.

В заключении сформулировглы основные выводы по работе.

Исследования физических особенностей распространение сей-сьических продольных волн про¿едены для трех типов моделей ге-оиатериалов: пори той среды с частичным газовым заполнением и вяэкоупругий матрицы; двухфазной частично расплавленной горной породы с амс.фной прослойкой меиду зернами; нелинейной насыщенной пористой среда. В кшадо" случав уравнения Френкеля - Био -Николаевского были модифицированы с учетом основных черт модели, и показана возможность их геофизического приложения.

Установлено, что наличие -езрезонансных газовых включений в насыщающей породу жидкости приводит к увеличению вязкоинерцн-онного поглощения продольных волн и дисперсии скороси.. Поглощение нелинейно зависит от частоты. Учет трения на границах зерен дает удовлетворительное согласие результатов расчет >в с эк спернментальныыи значениями коэффициентов поглощения. Увеличение геяосодвркания значительно уменьшает амплитуду сейсмичсз-хого ишульса.

расчеты и сравнительный анализ поглощения продольных сейсмических волн в частично расплавленных горш-х породах показывают что о ростом температуры и давления поглощение уменьшается, а увеличение доли расплава повышает затухание. При вязкости насыщающего расплава - 10 И 10® - 10^ пуаз коЕффициенты поглощения по порядку величины совпадают о данными натурных измерений.

Исследование модели J аморфной прослойкой в контактах меиду зернами и частичным расплавом вязкостью 10 - 10^ пуаз при характерных для астеносферы параметрах, показало, что определ -щее влияние на поглощение сейсмических волн низкой частоты в асте! зсфера оказывает вязкость ев матрицы. Отпадение измеренных и рассчиганны значений коэффициентов поглощения може быть пол,> <ено при вязкости астеносферы порядка Ю*® луаз. Астеносфера при определенном сочетании физико-механических ..араметров не всегда может быть выявлена по поглоще ию сейсмических волн.

Из дисгчрсионного соотношения полученного обобщенного ово-

людионного нелинейного' уравнения Кортевага - де фриза - Бюргер-оа следует, что наибольшее поглощение волн во влажных грунтах происходит пи частоте 5-60 ГЦ» а максимум поглощения достигается на частоте 150 - 160 Гц» Б песках и мелкозернистых слабопроницаемых осадках возможно возникновение импульса несимметричной колоколообразИоЙ формы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Быков В.Г., Воробьев S.A. Поглощение сейсмического импульса в пористой ьодонасьвценной среде // Изв. АН СССР. Физика зем-

• ли. - 1965. - * 2. - C-9I-95.

2. Быков В.Г.» Воробьев 5¡.¿. Поглощение сейсмоакустического импульса в газонасыщенных морских осадках // i Всесоюзная конференция по горской геофизике: Тез.докл. - Москва, 1987. -T.I. - C.IB.

3. Ьыков В.Г., Воробьев ¡S.A. распространение сейсмоакустического импульса в пористой водонасыщеь^ой среде с частичным Газовым заполнением // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1987. -»9.-C.75-79.

4. £ ков В.Г.. Туезов И.К. Q гозможностм опредэле. ля вяэно^м магматических расплавов астеносферы по сейсмическим данным // Тихоокеан. гео-агия. - 1990. - # í. - C.I05-II0.

5. Б^ков В.Г. Поглощение продольных сейсмических волн в частично расплавленных горных породах // Изв. АН СССР, физика Зачли. - 1990. - »9. - С.28-35.

6. Быков В*Г«» Николае-ский D.H. Нелинейные геоакустические волны б морских осадках У/ Акустический курнал. - I99C- -Т.Зб. - » 4. - С.60^-610.

7. Быков В.Г.i Николаевский В.Н. Поглощение сейсмических волн м вязкость астеносферы // Тихоокеак. геология, - 1991» -

» 3. - C.99-I05.