Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Возбуждение сейсмоакустических полей дискретными, распределенными и движущимися источниками

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Заславский, Юрий Михайлович

I. ВВЕДЕНИЕ (Общая характеристика работы).

II. ВВЕДЕНИЕ (Перечень рассматриваемых задач).

1. ТРАНСПОРТНАЯ СЕЙСМИКА.

1.1. Теоретические оценки спектра и уровня сейсмоизлучения, порождаемого движущимся транспортным средством.

1.2. Лабораторное физическое моделирование генерации сейсмических колебаний движущимися транспортными средствами.

1.3. Об оценке возможности применения транспортного средства, как источника колебаний при сейсмическом зондировании верхней части разреза.

1.4. О возможности существования и применения в сейсмопрофилировании грунта так называемых "рельсовых" поверхностных волн.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

2. ДВИЖУЩИЕСЯ ИСКУССТВЕННЫЕ И ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ И УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ.

2.1. Некоторые особенности возбуждения и излучения волн Рэлея осциллирующим силовым источником, движущимся вдоль границы полупространства.

2.2. Сейсмоакустическое излучение в одной из моделей вспарывающейся трещины.

2.3. Циклически перемещающаяся нагрузка на поверхности полуограниченной среды как источник сейсмических волн-гармоник.

2.4. Возбуждение ледяного покрова движущимся материальным телом. Реакция торможения излучением изгибно-гравитационных волн.

2.5. Сейсмоизлучение при прохождении гидроакустического импульса давления по водозаполненной скважине.

2.5.1. Вывод основных соотношений.

2.5.2. Энергетические оценки мощности, уносимой конической Р-волной.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

3. ИЗЛУЧАЮЩИЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ.

3.1 Волновая структура и энергетический баланс упругих волн, генерируемых в полупространстве виброисточниками.

3.1.1. Поверхностный источник осциллирующей силы с вертикальной и горизонтальной поляризацией и равномерным распределением по кругу.

3.1.2. Источник вертикальной силы с непрерывным распределением по бесконечно тонкому кольцу.

3.1.3. Многоэлементная излучающая сейсмическая антенна (группированный источник - набор осциллирующих силовых вибраторов).

3.1.4. Параметрический излучатель Р-волн низкой разностной частоты в грунте.

3.2. Заглубленные сейсмические излучатели. Пространственная структура и взаимный энергетический баланс (Источники типа центр расширения и осциллирующая сосредоточенная сила).

3.3. Сейсмическая излучающая антенна на поверхностных волнах с управляемой характеристикой направленности.

3.4. Побочное излучение инфразвука в атмосферу, порождаемое работой сейсмических источников.

3.4.1. Характеристики инфразвука в атмосфере, вызванного сейсмическими сотрясаниями земли при воздействии поверхностного виброисточника.

3.4.2. Пространственно-угловые характеристики акустического поля в воздухе, создаваемого вибросейсом, установленным на льдине.

3.4.3. Излучение звука в атмосферу при подводном землетрясении.

3.4.4. Об использовании функции передачи звука приземного атмосферного волновода в задаче зондирования земной поверхности.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

4. МИКРОСЕЙСМОРАЗВЕДКА.

4.1. Импедансный метод поиска неоднородностей в грунте.

4.1.1. Влияние соотношений акустических параметров поверхностного пласта и нижележащей среды на форму профиля Р-волны в дальнем поле импульсного источника.

4.1.2. Экспериментальные результаты по регистрации АЧХ и ФЧХ ближней зоны импульсного сейсмоисточника, работающего на поверхности грунта.

4.1.3. Некоторые экспериментальные результаты по регистрации рассеянных ближних и дальних сейсмических полей.

4.1.4. Спектральные особенности ближнего сейсмического поля, рассеянного поверхностной неоднородностью, имеющей правильную форму.

4.2. Эхо локационный метод зондирования неоднородностей в грунте на Р-волнах.

4.2.1. Короткоимпульсное эхозондирование естественных границ раздела верхней части разреза на отраженных Р-волнах.

4.2.2. Импульсное зондирование искусственных подпочвенных неоднородностей (применение корреляционной обработки или эхолокация миллисекундны-ми акустическими импульсами).

4.2.3. Использование нелинейного рассеяния S-волн остаточными деформациями среды для зондирования аномальных зон в недрах Земли.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

5. НЕЛИНЕЙНЫЕ И ДИСПЕРСИОННЫЕ СЕЙСМО АКУСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ КОРОТКОИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ В ГРУНТЕ.

5.1. К оценке эффективности генерации различных типов объёмных упругих волн в газонасыщенной рыхлой среде (почвенный грунт ) акустическим вибратором.

5.2. Нелинейная трансформация спектра миллисекундных акустических импульсов при распространении в рыхлом грунте (Нелинейная трансформация спектра - естественный ограничитель передаваемой мощности миллисекунд-ных акустических импульсов при эхолокации неоднородностей в грунте).

5.3. Нелинейное рассеяние упругой рэлеевской волны - как классификационный признак локализованной поверхностной неоднородности.

5.4. Дисперсионные эффекты при распространении поверхностных сейсмических волн импульсной формы (Дисперсионные искажения профиля волны -критерий оценки глубины залегания границы раздела и акустических импедансов граничащих сред).

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Возбуждение сейсмоакустических полей дискретными, распределенными и движущимися источниками"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Формулировка проблемы.

Диссертационная работа посвящена исследованию проблем, относящихся к быстро развивающемуся разделу сейсмики, изучающему характеристики сейсмоакустических полей, излучаемых невзрывными источниками и рассеянных локальными или дискретными неоднородностями.

Главной проблемой, решаемой в диссертации является: Комплексное исследование характеристик упругих полей, как собственно сейсмических в грунте, так и акустических в атмосфере, порождаемых работой вибрационных сейсмоисточников, или действием вторичных источников - локальных (дискретных) неоднородностей, создающих рассеянные поля, либо аналогичными физическими факторами, воздействующими на пограничные геофизические среды.

Такое исследование с одной стороны расширяет теоретические представления о взаимодействии в системе источник-грунт-атмосфера, а с другой вносит конкретные уточнения в вопросы, ранее не принимавшиеся во внимание, но рассматривающие практически полезные свойства упругих полей, использование которых необходимо в перспективных разработках нового поколения средств сейсморазведки, предназначенных для решения задач поиска резко выделенных неоднородностей в недрах и как частный случай, в самых верхних слоях - в грунте.

Цели, поставленные в диссертации, следующие:

1 - Разработка физических подходов, указывающих пути повышения эффективности излучения сейсмических полей с заданными свойствами и параметрами, обеспечивающими повышенное разрешение по глубине и углу по сравнению с известными.

2 - Отыскание особенностей структуры и спектра сейсмоакустических полей, рассеянных локальными малоразмерными подповерхностными неоднородностями в грунте и аномалиями искусственного происхождения в грунте и природными аномалиями в земных недрах, несущих в себе физические признаки неоднородностей.

3 - Исследование возможности привлечения дополнительных, например, акустических полей в атмосфере (акустический импеданс границы земля-воздух) для идентификации самих неоднородностей в приповерхностной области зондируемых участков территории.

Кроме основных целей и задач, существует ряд других, могущих иметь прикладное значение, либо промежуточных, взаимосвязанных с перечисленными и направленных на выполнение основных.

Например, важное значение имеет проблема исследования нелинейных явлений, сопровождающих распространение мощных акустических (высокочастотных сейсмических) импульсов в глубину, другая интересная проблема -анализ принципиальной возможности использования акустической Р-волны второго рода в газонасыщенной пористой среде для целей сейсмозондирования. Интерес вызывает возможность привлечения в качестве сейсмовибраторов движущихся источников колебаний, исследование характеристик порождаемых ими сейсмических полей, поиск методов оптимальной регистрации и обработки сигналов, несущих информацию о свойствах сейсмической среды, обеспечивающих лучшее разрешение по пространственным координатам, чем у традиционно применяемых и повышающих надёжность выделения структурных или иных (плотностных, упруго-механических) аномалий вблизи земной поверхности. Важными являются исследования, анализирующие пути получения прямых классификационных признаков, указывающих на наличие подповерхностных локальных неоднородностей и на их местоположение (глубина, эпицен-тральная точка и т.д.).

Актуальность проблемы и решаемых задач.

Анализ и оценка эффективности генерации сейсмических волн вибрационными сейсмоисточниками вызваны неудовлетворительным состоянием теоретических разработок в этой области. Одиночные поверхностные силовые вибраторы низкоэффективны как в отношении полной излучаемой ими мощности упругих волн, так и относительно объемных Р-волн, рассматриваемых как наиболее важные для приложений разведочной геофизики. В этой связи интерес приобретает исследование способов повышения эффективности возбуждения и оптимизации перераспределения баланса энергии излучения по разным типам упругих волн. Не обосновано утверждение, на которое опираются сейс-мики-практики, при оценках мощности, излучаемой вибратором в сейсморазве-дочном диапазоне частот, выражаемое эмпирическим правилом: одна тонна виброусилия обеспечивает один киловатт мощности упругих волн.

Как известно, инженерная и иные виды сейсморазведки практически полностью ориентируются на различные конструкции вибрационных или импульсных источников переменной силы. Однако, как показано в наших работах, альтернативным вариантом может служить источник типа центр расширения (центр давления), заглубление которого на четверть длины волны под поверхность позволяет не только превзойти все выше указанные аналоги по общей излучаемой упругой мощности, но и по уровню только Р-волны, а также сканировать диаграмму направленности волны этого типа в угломестной плоскости.

Продемонстрированная в наших работах возможность электрического управления угловыми характеристиками многоэлементной излучающей антенны показывает сохраняемость фазовых волновых соотношений сейсмоизлуче-ния по мере удаления от источника в пределах не слишком больших по площади участков. Это свидетельствует о сравнительно высокой степени коррелиро-ванности зондирующих сейсмоколебаний и незначительной роли паразитного рассеяния и трансформации сейсмических волн даже в наиболее неблагоприятных сейсмогеологических условиях - в самой верхней части глубинного разреза среды.

Излучатели сейсмических волн в области низких частот представляют собой плохо перестраиваемые, очень громоздкие устройства, требующие значительных затрат по обслуживанию. В подтверждение сказанного можно обратиться к нашей работе, в которой исследуется и подтверждается низкая эффективность и слабая направленность излучения статической нагрузки значительной величины, периодически перемещаемой по границе. Однако теоретический анализ и проведенные оценки показали, что направленность параметрического источника Р-волн в грунте, как и в гидроакустике, более высокая, чем у традиционных, а эффективность генерации не уступает последним. В связи с этим, теоретическое рассмотрение параметрической схемы генерации представляет собой важный этап по исследованию принципиальной возможности практического использования этого типа источников наряду с традиционными. Следует заметить, что параметрическая схема генерации Р-волн разностной частоты практически не обсуждается в литературе по сейсмическим источникам, хотя обобщенный коэффициент нелинейности мягкого грунта по величине больше, чем у воды на два порядка.

Неудовлетворительный уровень разработок в области создания сейсмических фазированных излучающих антенн например, по сравнению с аналогичными гидроакустическими, имеет следствием необходимость многократного повторения этапов излучения с переносом источника вдоль профиля, что практикуется и в современных условиях. Проведенные исследования особенностей сейсмоакустических полей, создаваемых движущимися источниками, указывает один из путей, в котором движение следует рассматривать как самостоятельный физический фактор, позволяющий улучшить условия раздельного приема волн, преломленных разными границами раздела. Этому посвящены исследования частотного сдвига поверхностных и преломленных волн, в которых дан детальный расчёт, показывающий влияние всех факторов движения и структуры среды. Очевидно также, что с помощью движущегося и вместе с тем когерентного источника может быть обеспечена более высокая оперативность при проведении инженерных сейсморазведочных работ.

Как пример движущегося сейсмоисточника, но в условиях превышения скоростью его движения скоростей распространения волн сжатия и сдвига в околоскважинном пространстве, нами рассмотрен гидроакустический импульс давления, бегущий по водозаполненной скважине. При распространении со скоростью, превышающей скорость либо Р, либо 8-волн в околоскважинном пространстве, он будет источником «вытекающих» волн указанных типов, эффективность и угловые характеристики которого являются предметом обсуждения нашей работы. Рассмотренный механизм излучения известен и именуется как черенковский механизм излучения. В акустической литературе он обсуждается редко, также как и в литературе по проблемам сейсмики, хотя основанные на его использовании источники генерации сейсмических волн могли бы быть реализованы в местах, имеющих густую сеть скважин. Это позволило бы выполнить зондирование представляющих практический интерес областей среды в непосредственной близости от углеводородной залежи.

Экспериментальные и теоретические работы по рассеянию сейсмических волн локальными поверхностными и подповерхностными неоднородностями составляют самостоятельное направление. В нём можно порознь выделить задачи с линейной и нелинейной постановкой. Поскольку эти исследования в плане практического применения соответствуют исследованиям традиционно сейсмическим, отвечающим тематике, или проблеме поиска аномалий в верхней части глубинного разреза, то как и в традиционной сейсмике они подразделяются по подходам, в той или иной мере приемлемым в различных условиях, а также отвечающим реализации разных целей. В одних условиях развивается эхолокационный принцип, в других - импедансный. Данный цикл работ выполнен для обоснования возможностей сейсмолокации малоглубинных локальных неоднородностей в грунте. В развитие прикладного аспекта в изучении процессов рассеяния сейсмических волн, а также для практической иллюстрации выводов теории были выполнены работы по дистанционному зондированию локальных неоднородностей в грунте, залегающих на разных глубинах.

Актуальность разработки эхолокационного принципа в инженерной сейсморазведке (например, в задачах поиска малоразмерных неоднородностей, для прослеживания границ раздела пластов и т.д.) связана со значительным снижением эффективности работы сравнительно недавно внедрённых радиолокационных устройств (пикосекундная техника) обнаружения при работе в нередко встречающихся на практике неблагоприятных геологических или погодных условиях. Хотя с помощью указанной техники удается добиться в некоторых случаях значительного прогресса и получить хорошие показатели обнаружения неоднородностей в грунте, а также проводить высокоточное профилирование, но в случаях появления на земной поверхности влажного покрова, или при наличии на обследуемом участке территории одного, либо нескольких водоносных горизонтов, создается резкий фон отражения, маскирующий любые аномалии, расположенные глубже этих горизонтов или вблизи них. Таким образом, поскольку сейсмические средства поиска не подвержены отрицательному влиянию влагонасыщенности верхних слоев, они имеют определенное преимущество перед остальными. Кроме того, к настоящему времени в зарубежной инженерной сейсморазведочной практике уже существуют малогабаритные переносные вибросейсмические устройства типа -"пшиБоигсез", однако ни отечественных, ни зарубежных систем со стабильными и регулируемыми в широких пределах параметров сигналами пока не создано. Также небезынтересно отметить, что проведенная в наших работах апробация импедансного принципа в задачах «микросейсморазведки» показала принципиальную и техническую возможность достижения точности (~0.1 м) локализации малоразмерных неоднородностей, практически не уступающую радиолокационным средствам.

Следует специально подчеркнуть важность экспериментальной части работы, требующей повышенной тщательности при реализации импедансного метода. Здесь существенную роль играют измерения амплитудно-фазовых соотношений в сейсмоотклике, а также их детальное исследование при помощи тонкого спектрального анализа в процессе вторичной обработки. Теоретически невозможно выделить и исчерпывающе описать большое количество факторов, существенно влияющих на качественный результат анализа фазо-частотного хода сейсмоотклика, зафиксированного вблизи или вдали от локальной неоднородности. К настоящему времени в литературе практически отсутствуют исследования, относящиеся к указанной области.

Цикл работ по исследованию особенностей возбуждения волн в почвенных слоях грунта и ряда характерных эффектов при распространении мощных высокочастотных сейсмоакустических импульсов вглубь земли и параллельно границам земных слоев выполнен с целью анализа и оценок предельно достижимого разрешения по углу и глубине в процессе зондирования на самых высоких - килогерцовых частотах.

Поясняя причину повышенного интереса к распространению Р и Б-сейсмоакустических волн килогерцового диапазона, следует сказать, что интервал глубин 1-7 м остается плохо доступным для сейсморазведки. Ввиду быстрого спада с глубиной ближних упругих полей, устройства, базирующиеся на импедансном методе, теряют отмеченную выше точность, а для систем, использующих эхолокационный принцип, указанный интервал, как правило, является «мертвой зоной». Вышесказанное и послужило причиной перехода на эхолокацию в диапазоне килогерцовых частот. Однако эксперименты по возбуждению и распространению в грунте мощных короткопериодных сейсмоакустических импульсов килогерцовых частот показали присутствие эффектов, значительно затрудняющих выполнение достаточно жестких требований к точности, необходимой для реализации сейсмолокации с повышенным разрешением по глубине и углам. Требующиеся высокие уровни мощности зондирующих сейсмоакустических полей связаны с необходимостью превышения уровнем полезного сигнала, отраженного неоднородностью к приемной антенне, над шумами. То есть в условиях сильного затухания и рассеяния при распространении необходимо превысить уровень шума и помех реверберации, что вынуждает прибегать к использованию высоких уровней амплитуды зондирующих посылок. Но при этом возникают параметрические эффекты волнового самовоздействия и, соответственно, нелинейной трансформации спектра волны еще более ослабляющие уровень компоненты на несущей частоте. Доминирующими в спектре оказываются компоненты на частоте «огибающей импульса» - результат проявления так называемой самодемодуляции, причем высшие гармоники быстро затухают с дистанцией. Это сильно затягивает импульс по времени, не позволяя реализовать требуемые параметры разрешения. Из сказанного следует, что эти работы имеют не только прикладное значение, поскольку в них обнаруживаются эффекты, в которых проявляются необычные, новые акустические свойства геоматериала, а сами эти эффекты имеют физическую аналогию с явлениями, наблюдаемыми при распространении акустических волн конечной амплитуды в жидкостях и газах. В применение к грунтам такие исследования достаточно редки, что и способствовало проведению углублённого экспериментального и теоретического анализа.

Теоретические исследования коснулись также вопросов рассеяния поверхностных сейсмических волн на неоднородностях, расположенных неглубоко под поверхностью. Были проанализированы как линейные эффекты дифракции поверхностных волн Рэлея, так и эффекты нелинейного рассеяния этих волн, позволяющие при совместном их использовании указать физические признаки, могущие служить основой поиска и обнаружения локальной неоднородности, присутствующей вблизи свободной поверхности. При этом в качестве физического механизма нелинейности нами рассмотрена так называемая би-модульная упругость участка, соответствующего контактной зоне неоднородность - вмещающая среда.

Привлечение нелинейного механизма рассеяния сейсмических 8-волн на остаточных деформациях среды в земных недрах позволило теоретически рассмотреть возможность регистрации обратно рассеянных волн на разностной частоте в условиях бигармонического режима их возбуждения двумя сейсмои-сточниками на земной поверхности с отличающимися рабочими частотами.

Были найдены условия, подобные условиям т.н. брэгговского рассеяния (совпадение длины волны разностной частоты с удвоенным значением пространственного периода неоднородности), при которых обратное рассеяние будет наиболее эффективным.

Важными в настоящее время представляются работы по использованию эффектов излучения в атмосферу, сопутствующих основному сейсмоизлуче-нию в грунт. Как показано в наших работах, путем численного моделирования распространения инфразвука в приповерхностном атмосферном волноводе спектральный состав принимаемого акустического сигнала в значительной мере зависит от импедансных характеристик границы грунт-атмосфера на участке возбуждения и распространения. Вследствие этого, представляется перспективным использование такой интегральной характеристики как акустический импеданс, осредненный по границе земля-атмосфера, сочетающий в себе данные о жесткости и о поглощающей способности этой границы. Традиционная сейс-мика, как правило, до недавнего времени не принимала во внимание попутно излучаемого инфразвука, порождаемого работой сейсмоисточников, безвозвратно теряя очень существенную информацию о среде. Таким образом в наших работах сформировалось и получило некоторое развитие определенное направление, посвященное анализу излучаемых в атмосферу и гидросферу акустических полей, порождаемых работой сейсмоисточников или аналогичными физическими факторами естественного происхождения. Работы этого направления косвенным образом могут иметь отношение к области инженерной сейсморазведки, а предлагаемый информативный параметр - акустический импеданс границы земля-атмосфера может оказаться полезным как для некоторых фундаментальных вопросов распространения, так и для прикладных задач поиска приповерхностных неоднородностей в грунте на участке источник-приёмник.

При сейсмолокации упругими импульсами, распространяющимися вдоль границ раздела земных пластов могут возникать эффекты затягивающие их длительность, но обусловленные сильной частотной дисперсией поверхностных волн. В инженерной сейсморазведке до сих пор не существует регулярных методов, базирующихся на применении данного физического явления хотя бы с целью уточнения, или проведения экспресс анализа, предваряющего осуществление традиционного профилирования. Нами предложен алгоритм по оценке глубины залегания границ раздела ближайших слоев с использованием дисперсионных свойств поверхностных волн.

Задачи, рассмотренные в диссертации, объединены единой целью анализа некоторых дополнительных возможностей, полезных для решения как традиционных проблем, например, глубинного сейсмозондирования, так и могущих найти применение в сравнительно новых, смежных, быстро развивающихся областях, таких как технологическое вибровоздействие на углеводородную залежь при активизации дебита скважин.

В литературе этим вопросам уделяется незначительное внимание. Кроме того, при самом беглом обзоре публикаций по современному состоянию методов и средств вибрационной техники, как уже используемых, так и всё шире внедряемых в инженерную и другие виды сейсморазведки, выясняется, что за рамками исследований по данной тематике пока что остаются многие вопросы, связанные с попутно излучаемыми полями, с ранее не принимавшимися во внимание способами генерации сейсмических колебаний, с неучитываемыми искажениями, вносимыми в характеристики сейсмического излучения за счет движения источников и их распределённости по пространству, а также за счет своеобразных нелинейных и дисперсионных эффектов при распространении волн. Однако, большинство поставленных здесь вопросов при своём разрешении могут быть обращены на пользу исследователям как в их практической поисково-геофизической деятельности, так и в качестве дополнения к уже известным теоретическим основам, заложенным интерпретаторами в их представления о взаимодействии в системе: сейсмоисточник-земной грунт-атмосфера.

Научная новизна и практическая значимость результатов

1. Получены характеристики энергобаланса и пространственной структуры упругого излучения широкого класса сейсмоисточников, применяемых при зондировании недр, дающие основу для оптимизации излучающих систем по частотному диапазону, направленности и преобладанию различных волновых типов сейсмических полей для ряда моделей верхней части разреза земной среды.

2. На основе лабораторного и теоретического моделировния сейсмоакустиче-ских полей, возбуждаемых заглубленными и группированными когерентными источниками, показана принципиальная возможность поиска локальных неод-нородностей в грунте эхолокационным и импедансным методом, а также возможность формирования и управления направленным когерентным сейсмическим излучением, применяемым при зондировании дискретных неоднородно-стей.

3. В натурных экспериментах продемонстрирована практическая реализуемость достижения точности сейсмозондирования малоглубинных неоднородностей, соизмеримой с глубиной их расположения под поверхностью, импедансным методом.

4. В натурных экспериментах продемонстрирована практическая реализуемость эхолокационного принципа сейсмоакустического зондирования - однопозици-онная эхолокация. Измерения проведены на малоразмерных подповерхностных локальных неоднородностях, на неоднородностях типа «карстовые полости» и применительно к зондированию границ раздела естественно залегающих в верхней части разреза земных слоев вплоть до глубин в сотню метров, причем в последнем - точность зондирования по глубине измеряется единицами метров.

5. Экспериментально установлено, что при распространении акустических импульсов миллисекундных длительностей с амплитудой в несколько килопа-скаль вглубь влажного грунта наблюдается трансформация спектра вниз по частоте, связанная с параметрическим самовоздействием акустической волны, аналогичная известному в нелинейной гидроакустике явлению самодемодуляции огибающей высокочастотного импульса.

6. Теоретически показана возможность использования нелинейно-акустических эффектов рассеяния в сейсмической эхолокации локальных неоднородностей в грунте и для мониторинга состояния горных пород:

- резонансного параметрического взаимодействия двух сдвиговых волн близких частот на остаточных деформациях недр с периодической пространственной структурой, вызывающего обратное рассеяние на разностной частоте при соблюдении условия «брэгговской» дифракции,

- нелинейного рассеяния рэлеевской волны на локальной поверхностной неоднородности, имеющей в области контакта с вмещающей средой разномодуль-ную характеристику в диаграмме напряжение-деформация для положительных и отрицательных значений этих параметров.

7. Теоретически установлены характерные особенности доплеровского смещения частоты поверхностной волны Рэлея и нелучевой преломленной волны, создаваемых движущимися (дозвуковой режим) перпендикулярно и параллельно границе сред осциллирующими источниками, показывающими существенные отличия от обычного в акустике доплеровского смещения и углового амплитудного распределения. Показано, что расщепление линии движущегося осциллирующего источника при приёме преломленных и поверхностных - интерференционных волн, бегущих в различных по жесткости нижележащих слоях, может служить физическим признаком при оценке упругих параметров зондируемых участков земной среды.

8. Предложен формализм, описывающий пространственную структуру и дисперсию так называемой «рельсовой» волны. Указанная волна, моделируется поверхностной волной, существующей в области жёсткого контакта стержень-упругое полупространство. Её использование наиболее целесообразно для мониторинга среды под путепроводами и железнодорожными магистралями при условии сравнимых масштабов полуволны и поперечника неоднородности.

Возможность эффективного зондирования локальных нарушений, расположенных в указанной области пространства, связана с преимущественной концентрацией волновой энергии в окрестности контакта полуограниченной среды с упругим элементом. Характерна близость её волновой дисперсии с дисперсией изгибно-гравитационных волн в структуре - водный слой, содержащий сверху плавающую ледовую пластину.

9. Теоретически показано и подтверждено в натурном эксперименте, что сейс-мовибратор, работающий на поверхности земли и на ледовом покрытии водоёма, наряду с сейсмическим и упругим излучением, порождает низкочастотный звук (инфразвук) в атмосфере, как уходящий вверх, так и захватываемый приземным акустическим волноводом. Общая излучаемая мощность инфразвука на два порядка уступает мощности Р-волн, уходящих в грунт.

10. На основе численного моделирования установлена существенная зависимость от жёсткости материала упругой среды на границе в точке воздействия функции передачи звука на километровых дистанциях источник-приемник, установленных на границе земля-атмосфера. Обнаружен характерный минимум в её усредненной амплитудно-частотной характеристике. В случае "мягкой" границы земля-атмосфера экстремум функции передачи приходится на частоты 10-20 Гц, в случае "жёсткой" - на 70-80 Гц, что дает возможность рассматривать его как физический признак при оконтуривании зон повышенной или пониженной жёсткости земной поверхности.

Новизна и практическая значимость исследований характеристик упругого излучения не ограничивается результатами в области пульсирующих и осциллирующих источников. Их результаты применимы для описания сейсмических полей большинства физических механизмов возбуждения, в том числе естественного происхождения - порождаемых очагом землетрясения или активными центрами, инициирующими горные удары в шахтах и выработках.

Впервые рассмотрен способ генерации низкочастотных сейсмических 8-волн путём периодического перемещения по земной поверхности статической нагрузки (100 или даже 1000-тонные вибраторы на диапазон 2-4 Гц).

Более детально, чем в работах предшествующих исследователей, изучен параметрический способ генерации сейсмических Р-волн, широко перестраиваемых по низкочастотному диапазону (2-20Гц). Его отличает отсутствие скачков амплитудной и фазовой характеристик излучения и более узкая диаграмма направленности, чем у силового низкочастотного сейсмовибратора.

Не только однородная упругая среда, заполняющая полупространство, рассмотрена при анализе характеристик излучения. Исследована работа источника на поверхности газонасыщенных грунтов, где применима модель БиоФренкеля, причём показано преобладание в уровне Р волны 1-го рода над Р волной 2-го рода.

Впервые рассмотрен физический механизм, связанный с черенковским излучением. При распространении в скважине гидроакустического импульса волны давления в околоскважинном пространстве может создаваться махов-ский конус, например, 8-волн, отходящий от ствола и распространяющийся далее по среде независимо. Найдена эффективная длина (апертура источника), на которой происходит полное «высвечивание» акустической энергии первичного возбуждающего волнового импульса.

Впервые в натурных условиях исследовано поле группированного когерентного источника в высокочастотном сейсмическом диапазоне. Экспериментальная демонстрация показала возможность построения излучающих антенн для формирования управляемого по углу поля «подсветки» по поверхностным волнам и волнам сжатия и сдвига в различных геологических условиях. В этих экспериментах, таким образом, апробирована реализуемость когерентных первичных полей с заданными характеристиками, необходимыми в эхолокацион-ном способе зондирования грунта.

Теоретический анализ выполнен для обоснования импедансного метода сейсморазведки локальных неоднородностей. Так, взаимовлияние ближних полей зондирующего источника и вторичных источников-неоднородностей моделируется на основе рассмотрения энергетических характеристик излучения группы силовых вибраторов. Отыскание условий максимизации уровня излучения при совместной работе активного и пассивного излучателей является основой, на которой базируется импедансный метод поиска дискретных неоднородностей.

Исследованный нелинейный параметрический эффект низкочастотной трансформации спектра интенсивных упругих импульсов показал необходимость применения специальных подходов для формирования коротких по длительности сигналов. Для достижения повышенного пространственного разрешения может быть использован частотный синтез или применены сложные сигналы невысокой амплитуды с последующей их вторичной обработкой. В качестве обработки предлагается суперпозиция принимаемых сигналов с сохранением информации о фиксированной начальной фазе каждого из волновых цугов, составляющих исходный широкополосный набор.

Впервые предложены движущиеся силовые воздействия, в частности, транспортные средства - как источники сейсмоизлучения. Указаны условия, при которых спектр и уровень сейсмоколебаний таких источников близки к аналогичным параметрам сейсмосигналов, соответствующих специализированным сейсмическим вибраторам, преедназначенным для разведки недр. Впервые проанализированы доплеровские частотные смещения и пространственно-угловые искажения в сейсмическом поле излучения быстро движущихся источников, позволяющие их использовать для получения данных о скоростном разрезе среды.

Впервые предложен алгоритм экспресс-оценки глубины залегания границы, отделяющей верхний резко контрастирующий по упругим свойствам слой от нижележащего массива пород с использованием дисперсии интерференционных поверхностных волн.

Личный вклад автора. Автору принадлежит:

1). Анализ особенностей поверхностных рэлеевских волн, излучаемых равномерно движущимся осциллирующим воздействием и циклически перемещающейся статической силовой нагрузкой.

2). Лабораторное моделирование сейсмических колебаний, порождаемых движущимся городским транспортом.

3). Теоретический анализ частотной дисперсии так называемых «рельсовых» поверхностных волн.

4). Теоретический анализ спектрального состава акустического излучения, порождаемого снятием хаотических, флуктуативных напряжений при продвижении кромки трещины по среде.

5). Оценка мощности излучения Р- и Б-волн, переизлучаемых в окружающий скважину грунт по мере распространения импульса гидроакустической волны давления по внутреннему её заполнению.

6). Получение частотных зависимостей эффективности излучения в грунте низкочастотных Р-волн, генерируемых параметрическим методом, и анализ их пространственно-угловых характеристик.

7). Оценка мощности излучения Р-волны как функции частоты и глубины расположения под поверхностью земли сейсмического вибратора.

8). Оценка мощности инфразвука, побочно излучаемого в атмосферу при работе вибрационного сейсмоисточника на поверхности грунта и на ледовом покрытии водоёма.

9). Расчёт энергетических соотношений, характеризующих относительный вклад в вибровозбуждение двух подсистем: скелет и флюид, при работе акустического вибратора на поверхности грунта.

В соавторском коллективе выполнены:

1). Теоретические исследования генерации сейсмического излучения движущимся городским транспортом.

2). Экспериментальные полевые измерения угловой характеристики направленности многоэлементного сейсмоисточника на поверхностных волнах.

3). Теоретическая оценка энергобаланса излучения различных типов упругих волн при синхронном воздействии на границу полупространства в дискретных близкорасположенных точках и распределённой по круговой и кольцевой областям осциллирующей силы.

4). Эксперименты по зондированию грунта импульсным сейсмическим источником на основе эхолокационного метода.

5). Прецизионные измерения и обработка данных по регистрации нелинейной энергетической перекачки в область низких частот спектра в процессе изучения эффекта самодемодуляции при распространении короткоимпульсных сейсмо-сигналов в грунте.

6). Эксперименты по зондированию подповерхностных неоднородностей в грунте по импедансному методу.

Аппробация и публикации материалов диссертации.

Результаты теоретического анализа, выносимые на защиту, как правило, получены путём применения широко известной методики интегральных преобразований к граничным задачам из области упругой волновой сейсмики, хотя и отличающихся от классических тем, что силовые воздействия в них являются движущимися. Однако и в этом случае широко распространённая, успешная практика применения интегральных преобразований с последующим использованием асимптотических оценок интегралов, служит гарантией надёжности полученных результатов. Достоверность результатов экспериментальных исследований опирается на применение современных цифровых станций и регистрирующих комплексов, позволяющих осуществлять прецизионные измерения и обработку сигналов с целью определения параметров сейсмоакустиче-ских полей. Кроме того, большинство результатов подтверждено хорошей сопоставимостью с аналогичными данными других групп исследователей, полученными впоследствии.

Результаты всех работ, составивших основу диссертации, докладывались на 40 Всесоюзных конференциях. По теме диссертации в соавторстве и лично выполнено и опубликовано 80 печатных трудов, большинство из которых - в центральной периодической печати. Полный список публикаций автора насчитывает 117 наименований.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из Введения (I, II), пяти Глав и Заключения (Выводы по диссертации). В конце каждой Главы также содержатся Выводы. По тексту диссертации имеется 71 рисунок. После Заключения представлена используемая библиография и список публикаций автора. Текст диссертации занимает 270 страниц.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Заславский, Юрий Михайлович

Общие выводы настоящей главы могут быть сформулированы в виде нескольких следующих утверждений. Построена теория генерации сейсмического излучения, позволяющая прогнозировать его уровень и спектральный состав как для нерельсового, так и, в особенности, рельсового движущегося транспорта, что имеет практическое значение для целей сейсмического профилирования грунта в густонаселённых районах. Теория показывает частотный диапазон и уровень сейсмических перемещений, следовательно, даёт ориентиры для достижимых глубин, а также разрешения по глубине, при профилировании как методом отражённых, так и преломлённых волн, модифицированных к условиям движущегося источника. Показана возможность физического лабораторного моделирования с целью оценки параметров спектра и уровня сейсмического излучения, порождаемого движущимся транспортным средством. Предложенный подход использования транспорта, как источника сейсмических колебаний, выходит за рамки ранее анализируемых возможностей такого применения. С другой стороны, хорошее совпадение спектральных характеристик модельных сигналов с экспериментально регистрируемыми сейсмическими сигналами от транспорта, а этих - с сигналами специализированных источников, позволяет заключить, что предложенный подход может рассматриваться как один из путей получения «экспресс-данных» при решении задач инженерного профилирования грунта в черте городских застроек.