Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Зондирование дна океана непрерывными колебаниями

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Зондирование дна океана непрерывными колебаниями"

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНСТИТУТ

Г

с 7 2 Ъ ' ' ТЕОРИИ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И

2 7 ^^ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ГЕОФИЗИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ФЕДОРОВ ВЛАДИМИР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ЗОНДИРОВАНИЕ ДНА ОКЕАНА НЕПРЕРЫВНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ

Специальность 04.00.22 - Физика твердой Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

'У

Москва 1997

Работа выполнена в Международном институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН.

Научный руководитель доктор физико-математических наук В.М. Маркушевич

Официальные оппоненты:

доктор физ-мат наук Б.Ф. Курьянов доктор физ-мат наук С.М. Зверев

Ведущая организация - Кафедра сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ им. М.ВЛомоносова

Зашита состоится ^С-У 1997 Года в ^на заседании диссертационного совета Д 200.49.01 при Международном институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН по адресу 113556, Москва, Варшавское ш. 79/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН по адресу 113556, Москва, Варшавское ш. 79/2.

Автореферат разослан /¿5 ¿><^/1997

года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

П.Н.Шебалин

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

Успехи, достигнутые сейсмологией и сейсморазведкой в изучении строения Земли и при поиске полезных ископаемых основаны, в основном, на использовании импульсных источников сейсмических колебаний и на анализе времен прихода объемных и поверхностных сейсмических волн и их амплитуд.

1. Существует, однако, целый класс источников, в основном, искусственных, излучающих сейсмические колебания непрерывно. К ним относятся суда, буровые установки, турбины электростанций и другие машины, механизмы и оборудование. Сейсмические колебания являются побочным результатом их работы. Особый интерес представляют собой суда как мощные непрерывные мобильные источники широкополосного шума на акваториях.

2. Основная часть сейсмической энергии, излучаемая такими неспециальными источниками колебаний, распространяется в виде поверхностных сейсмических волн. Поверхностные волны, используемые в целях восстановления строения упругой среды, обладают рядом преимуществ по сравнению с объемными. Хотя глубина их проникновения, на что указывает их название, не столь велика, как у объемных волн, по их характеристикам возможно определять строение среды даже при наличии волноводов. Это невозможно сделать однозначно по годографам объемных волн, как было показано в работах МЛ.Гервера и В.М.Маркушевича 1965 года.

3. Знание скорости поперечных волн в среде необходимо для детального представления о ее структуре и свойствах. При использовании традиционных сейсмических методов на акваториях, когда колебания излучаются в воде, определение скоростей поперечных волн в дне затруднительно, поскольку они не возбуждаются акустическими источниками в жидкости. Кроме этого, в водонасыщенных породах дна по значениям скоростей продольных волн практически невозможно оценить скорость поперечных волн. В верхних слоях дна скорость продольных волн может меняться

незначительно, оставаясь близкой скорости звука в жидкости, тогда как значения скорости поперечных волн могут изменяться в несколько раз. Даже дорогостоящие методы определения скорости поперечных волн в образцах, извлеченных из дна при помощи бурения, не могут считаться достаточно надежными, поскольку скорость поперечных волн в образцах гораздо больше, чем скорость продольных волн зависит от окружающих условий.

Все перечисленные выше проблемы весьма актуальны; они вызывают в последнее время большой интерес и привлекают внимание многих авторов, изучающих их теоретические и прикладные аспекты. В качестве примеров можно упомянуть:

• изучение шумов буксируемых сейсмокос и определение положения судов по его низкочастотным шумам;

• теоретическое и экспериментальное изучение свойств волны Стоунли, распространяющейся на границе жидкой и упругой среды;

• разработку и применение донных источников поперечных колебаний и донных трехкомпонентных сейсмокос с целью определения скоростей поперечных волн в дне.

Предлагаемая вниманию работа пронизана единой идеей -определения скоростей поперечных волн в дне по характеристикам сейсмических поверхностных волн от источников, излучающих непрерывные колебания. Отличительной чертой ее экспериментальной части является вынужденный отказ от специальных технических средств возбуждения и регистрации колебаний и использование только шумов судна-буксировщика сейсмокосы в качестве источника и стандартного сейсморазведочного оборудования.

Цели работы.

1. Изучить закономерности распространения интерференционных поверхностных волн и их дисперсию в среде, состоящей из однородного жидкого слоя, лежащего на упругом полупространстве.

2. Изучить поведение всех корней дисперсионного уравнения для колебаний однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве.

3. Изучить возможность возбуждения сейсмических поверхностных волн судами.

4. Проверить возможность применения шумов судов и сейсмических методов регистрации для определениях характеристик поверхностных сейсмических волн, распространяющихся в океане.

5. Выяснить возможность восстановления характеристик поверхностных волн по экспериментальным данным.

6. Определить возможность получения характеристик дна по дисперсионным кривым поверхностных волн.

7. Разработать методику зондирования дна с использованием судна в качестве излучателя сейсмических волн и стандартных сейсмических средств регистрации колебаний.

8. Осуществить эксперимент по проверке разработанной методики.

9. Сделать практические выводы по использованию сейсмических колебаний от судов и другах источников непрерывных колебаний в целях изучения строения Земли и применения в морской сейсморазведке.

Научная новнзна работы.

Научная новизна работы основана, прежде всего, на идее применения сейсмических колебаний от непрерывных неспециальных источников для целей определения строения и свойств упругой среды. Обоснование и практическая реализация этой идеи потребовали решения целого комплекса теоретических и практических задач в

различных областях. Помимо достижения главной цели - разработки и проверки методики зондирования дна океана шумами судов, был получен ряд новых результатов:

1. В теории колебаний. Детально исследована классическая задача о колебаниях жидкого слоя на упругом полупространстве, поведение корней соответствующего дисперсионного уравнения на всех листах Римановой поверхности. Получены аналитические формулы для асимптотики корней на нефизических листах.

2. Доказано отсутствие комплексных корней на физическом листе поверхности Римана в задаче о колебаниях однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве.

3. В эксперименте. Автор принимал участие в планировании и проведении эксперимента с использованием шума судна-буксировщика и регистрацией колебаний при помощи буксируемого приемного устройства с группированием датчиков (НИС "Академик Ферсман", начальник экспедиции Л.И.Коган, 1989 год).

4. В обработке экспериментальных данных. Применен Фурье анализ в широком диапазоне частот и получена картины частота-волновое число по морским экспериментам с судном как источником колебаний.

5. В интерпретации экспериментальных данных. Расширен диапазон изучаемых пространственных частот (волновых чисел) за счет использования представления о характере колебаний и устранения таким образом наложения пространственных частот. Восстановлены некоторых ветвей дисперсионных кривых по участкам, полученным в эксперименте.

6. По источникам. Исследовано использование широкополосного шума судна в качестве источника непрерывных сейсмических колебаний.

7. В обратной задаче. Выяснена возможность восстановления различных характеристик упругого дна по поведению ветвей дисперсионной кривой. Определены скорости поперечных волн в верхних слоях дна по характерным участкам дисперсионных кривых методом подбора.

Практическая ценность работы.

1. В работе получены новые теоретические результаты, которые могут быть полезны при проведении экспериментальных исследований и при дальнейших теоретических рассмотрениях. К таким результатам следует отнести изучение колебаний жидкого слоя на упругом полупространстве и корней дисперсионного уравнения, закономерностей и особенностей восстановления скорости поперечных волн в дне, разработку методики проведения экспериментов и обработки данных.

2. В ходе исследований осуществлен и в работе подробно описан полевой эксперимент с использованием судна в качестве источника сейсмических колебаний и стандартных средств их регистрации. Созданы и отработаны программы восстановления дисперсионных кривых по экспериментальным данным.

3. На основании программ решения прямой задачи, созданных другими авторами и модифицированными в работе, применен метод подбора для определения скорости поперечных волн в верхних слоях дна по полученным экспериментальным дисперсионным кривым.

4. На основе проведенных теоретических и экспериментальных работ сделаны выводы о возможностях использования непрерывных колебаний в конкретных сейсмологических и сейсморазведочных задачах на акваториях.

5. Разработанные программы и методы могут быть полезны при проведении аналогичных экспериментов; они могут быть использованы для получения новых данных по уже существующим записям сейсмических колебаний от судов и других непрерывных источников на акваториях.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на научных семинарах различных лабораторий Объединенного института физики Земли РАН, Международного института теории прогноза землетрясений РАН, Института океанологии РАН, Кубанского

государственного университета, ВНИИ Геофизики, Акустического института РАН, Горьковского государственного университета, СКТБ Сейсмической техники. Конференциях молодых ученых ВМК МГУ и ОИФЗ РАН.

Публикации.

Основные научные положения диссертации и результаты исследований освещены в 5 печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, трех глав, заключения, списка литературы со 139 наименованиями и содержит 129 страниц машинописного текста и 100 рисунков.

Содержание работы.

Введение.

Во введении определяется класс непрерывных колебаний как колебаний у которых невозможно определить ни момент возникновения колебаний, ни момент их окончания. Выделяются проблемы, требующие решения при их изучении как с теоретической точки зрения, так и для их практического применения. Обосновываются необходимость детального исследования непрерывных колебаний и возможности их использования. Указываются источники таких колебаний. Их особая привлекательность для морской сейсмологии и сейсморазведки состоит в том, что они позволяют:

• использовать судов в качестве источников;

• восстанавливать скорости поперечных волн в дне.

В последующих разделах введения раскрывается актуальность работы, целей исследования, новизны и практической ценности

работы. Говорится о научных истоках этой работы и перспективах исследований в данном направлении.

Обзор литературы.

Поскольку настоящая работа автора состояла как из теоретической, так и из экспериментальной частей, подробный обзор литературы состоит из шести разделов:

1. Характер колебаний.

2. Проблема комплексных собственных значений.

3. Теория и эксперименты.

4. Источники.

5. Приемные системы.

6. Обращение.

В каждом из разделов описаны результаты полученные в классических, фундаментальных работах и последние достижения в этих областях. Изучен опыт предшественников и возможности применения их результатов в работе автора.

Глава 1. Колебания жидкого слоя на упругом полупростра нстве.

В первой главе аналитически и численно решаются задачи, возникающие при рассмотрении распространения поверхностных волн в системе, состоящей из жидкого слоя на упругом полупространстве.

1.1. Постановка задачи. Дисперсионное уравнение лля однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве.

В этом разделе описывается постановка классической задачи о колебаниях жидкого слоя на упругом полупространстве и получение дисперсионного уравнения для указанной среды. Особое внимание уделено действительным корням дисперсионного уравнения, отвечающим поверхностным сейсмическим волнам и поведению ветвей дисперсионной кривой для двух характерных случаев: высокоскоростного и низкоскоростного упругого полупространства. Получены новые факты, не отмеченные предыдущими исследователями.

1.2. Комплексные корни. Доказательство их отсутствия на физическом листе.

Функция, соответствующая дисперсионном уравнению, полученному в первом разделе, является многозначной. Строится четырехлистная поверхность Римана, на которой функция однозначна. Только корни, находящиеся на одном из ее листов, называемом физическим листом, связаны с колебаниями, убывающими с глубиной в упругом полупространстве. Если на этом листе существуют комплексные корни, то им могут соответствовать колебания тоже убывающие с глубиной в полупространстве. Такие колебания должны экспоненциально убывать не только с глубиной, но и в направлении своего распространения. Для некоторых сред, например, Рэлеевских волн в упругом полупространстве, было доказано, что таких решений нет. Для слоистого полупространства такие корни были найдены численно. Вопрос об их существовании для однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве оставался открытым в течении 50 лет. Приведено доказательство их отсутствия на физическом листе поверхности Римана.

1.3. Поведение действительных и комплексных корней на всех листах в задаче о колебаниях однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве.

Как известно, вдоль свободной границы однородного упругого полупространства могут распространяться поверхностные волны Рэлея. Если рассматривать более реалистичную задачу о волнах, распространяющихся вдоль границы Земля-атмосфера, то результат, полученный Стоунли, говорит, что в этом случае на физическом листе лежит лишь корень, соответствующий поверхностной волне Стоунли, скорость которой меньше, чем скорость звука в воздухе. Наш опьгг, однако, показывает, что волна Рэлея со скоростью большей скорости звука в воздухе тоже распространяется вдоль границы. Корень Рэлея в этом случае не лежит на физическом листе поверхности Римана и энергия, хоть и незначительно, но излучается в атмосферу. Этот пример говорит о важности изучения корней не только на физическом листе.

В третьем разделе изучено поведение действительных и комплексных корней на всех листах поверхности Римана и аналитически получены их асимптотические оценки.

1.4. Дисперсионные кривые пля некоторых характерных

В данном разделе по программам, разработанным самим автором, и программам M.Sato DISPER80 рассчитаны дисперсионные кривые для некоторых характерных разрезов дна океана с особым вниманием к случаю мелкого моря. Изучались следующие среды: жидкий слой - упругое полупространство; жидкий слой - упругий слой - упругое полупространство.

Глава 2. Эксперименты.

Вторая глава посвящена проведению морских экспериментов и обработке полученных результатов.

2.1. Проблемы экспериментального исследования непрерывных колебаний в жидком слое на упругом полупространстве. Первые

В разделе говорится о проблемах, возникших из-за недоступности монохроматических источников колебаний в воде с нужными характеристиками, описаны первые попытки использовать звук вращения винта судна как источник сейсмоакустических колебаний, и полученные результаты, не внушающие особого оптимизма.

2.2. Эксперимент на НИС "Академик Ферсман". Описание оборудования и условий провеления эксперимента.

Описано проведение эксперимента по использованию шумов судна для определения характеристик дна в случае мелкого моря.

Эксперимент был проведен в 1989 году в Черном море западнее мыса Тарханкуг (п-ов Крым). Глубина моря составляла 52 М. Судно-источник "Академик Ферсман" буксировало 48 канальную

приемную косу ( Рис. 1). Производилась многократная регистрация сигнала с косы в течении 3 с при помощи сейсмостанции Прогресс-2. В разделе также приводятся другие подробные данные об условиях эксперимента, оборудовании и характеристиках судна-буксировщика.

2.3. Первичные данные и их вид. Тестирование системы регистрации.

Приведена структура и вид первичных данных с различных канаддв-.« результаты тестов системы регистрации. Выявлен возможный диапазон сигнала и работоспособные каналы.

2.4. Первичная обработка. Частотный анализ Фурье на каждом

канале,

Описан способ разложения в ряд Фурье по частоте и использованная программа. Представлен вид сигналов с некоторых характерных каналов и амплитудные спектры этих каналов в различных диапазонах частот. Спектры проанализированы. Отмечен широкополосный характер шума судна (до 200 Гц) и его сложный состав. На спектрах можно выделить вальную и лопастную частоты судна, однако множество отчетливых пиков не поддается идентификации в качестве высших гармоник звука вращения винта.

2.5. Анализ Фурье по расстоянию пля каждого положения косы на заданной частоте.

Полученные в предыдущем параграфе частотные спектры для каждого положения косы и для каждого из 45 каналов (два канала были исключены) были разложены в ряд Фурье по расстоянию для каждой частоты. Иными словами было сделано двумерное преобразование Фурье по времени и по расстоянию, или еще -разложение колебаний по плоским волнам. Результаты анализируются для некоторых частот. В амплитудном спектре разложения Фурье по расстоянию обнаружены отчетливые пики на частотах от 2 до 200 Гц. Эти пики должны соответствовать модам поверхностных волн. Определены фазовые скорости этих мод на различных частотах. На некоторых частотах для некоторых пиков они выглядят разумно, иногда же фазовые скорости столь велики, что напрашивается вывод о

г

ПЬЗ

Од Ко -Б У КС И РовЦи К

и ^ь о о о ' V_

—®—о—о—о—о.

Рисунок 1.

Схема эксперимента на НИС "Академик Ферсман" в Черном Море.

перенесении высоких пространственных частот в низкочастотную область (наложении частот). Из-за слишком большого расстояния между каналами - 25 м - волна, длина которой меньше 25 м, будет восприниматься как волна с длиной большей 25 м. Это классический эффект дискретизации сигнала по расстоянию.

Обсуждается также группирование гидрофонов в канале и связанное с этим подавление поверхностных волн в определенном диапазоне длин волн. Говорится о проблемах восстановления амплитуды колебаний по записям с группированием.

На основании предыдущего параграфа делается вывод о целесообразности рассмотрения одновременно широкого диапазона пространственных частот и широкого диапазона временных частот. Строится поверхность амплитуды двумерного преобразования Фурье над плоскостью частота-пространственная частота (волновое число). От пространственной картины переходят к плоской - к картам

рельефа или к картам линий уровня (изолиниям) поверхности. Приведены такие графики частота-волновое число для различных положений судна вдоль профиля в различных диапазонах частот. Приведен график в координатах частота-фазовая скорость.

На всех графиках отчетливо выделяются наклонные линейные структуры, соответствующие дисперсионным кривым поверхностных волн. Эти структуры, однако, часто смещены в низкочастотную пространственную область из-за слишком большого расстояния между каналами. Далее объясняется, как избавиться от наложения пространственных частот, используя представления о характере колебаний. Таким образом из графика в диапазоне Р=0-200 Гц и к=0-40 1/км получают трафик Р=0-200 Гц и к=0-120 1/км. Здесь Р -частота, к - величина, обратная длине волны.

Однако не для все полученные участки ветвей дисперсионной кривой возможно однозначно сопоставить диапазону волновых чисел. Это связано, прежде всего, с наличием полос подавления, связанных с группированием гидрофонов, в которых ветви дисперсионной кривой вообще не восстанавливаются.

На рисунке 2 приведен график частота-волновое число, на котором сохранены участки дисперсионной кривой, которые нельзя сопоставить однозначно ни одному диапазону волновых чисел только по данным эксперимента.

Для проверки метода, предложенного в предыдущем параграфе для расширения диапазона по волновым числам, проведено математическое моделирование эксперимента, которое продемонстрировало обоснованность такого расширения диапазона.

2.8. Анализ результатов эксперимента.

Здесь вкратце сформулированы главные достижения, полученные при проведении эксперимента на судне "Академик Ферсман" и в ходе последующей обработки экспериментальных результатов.

1. При использовании буксируемого многоканального приемного устройства и цифровой системы регистрации были

Y

240' 230; 220 2Ю 200 190 180 170 160 150 140 130| 120 110 100 901 80 70 <50 50 40 30 20 101

--jf^ -"--ssi?". JP

■ J^:

, -СТ! О'"

-if.

11J1111Г i I 111111 > г 11111111111 |Ч*Г ITI M11ГI n 111111T1 i'l 11 > 11111JIJ11111J111 t't IT IT1111111111111111 |'l 1111 < 111! 11111111111 |"l 11J i 11111 IT

240 230 220 210 200 190 ■180 170 160 150 140 130 120 ■110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

X

о

CN

О

О 43

О CO

О

о

X - l/(Wave Length) in 1/km; Y - Frequency Hz; Levels: 0.04; 0.06; 0.08

Рисунок 2. Дисперсионные кривые. Запись N 52.

i

получены записи шума длительностью 3 с, излучаемого судном-буксировщиком в широком диапазоне частот.

2. В ходе частотного анализа было выяснено, что шум, записанный с приемной системы, широкополосный и сложный по спектральному составу, содержит выделяющиеся линейчатые компоненты, части из которых можно сопоставить известные источники излучения, связанные с работой двигательной установки судна, однако общая спектральная картина гораздо богаче.

3. При последующем спектральном анализе по расстоянию были получены графики пространственного спектра на некоторых фиксированных частотах. Некоторые пики на этих графиках соответствовали колебаниям на данной частоте, скорости распространения которых не противоречили нашим представлениям о среде, в которой они распространяются, некоторые же имели слишком высокие фазовые скорости. Этот факт привел к заключению о переносе высоких пространственных частот в низкочастотную область.

4. Рассмотрение в совокупности временных частот и пространственных частот и построение графиков частота-пространственная частота выявило наличие специфических наклонных линейных структур на графиках.

5. Геометрические построения, заключавшиеся в расширении диапазона пространственных частот за счет рассмотрения одного и того же графика (частота-пространственная частота), смещенного по пространственной частоте, и исключение затем дубликатов структур из графиков, основанное на простых физических соображениях, позволило получить систему линейных структур, которым можно сопоставить отдельные участки дисперсионных кривых, которые, в свою очередь, могут соответствовать реальным колебаниям, распространяющимся в слоистой среде. Диапазон пространственных частот был расширен в 3 раза.

6. Правомочность подобного расширения пространственного диапазона частот была обоснована путем численного моделирования эксперимента.

7. За счет совместного рассмотрения спектральных характеристик сигналов в зависимости от временных и пространственных частот были получены участки ветвей

дисперсионных кривых для высоких частот вплоть до 200 Гц, что ниже частоты Найквиста 250 Гц, но значительно выше частоты фильтра низких частот 125 Гц.

8. Полученные участки ветвей дисперсионных кривых, к сожалению, нельзя однозначно сопоставить единой картине ветвей дисперсионной кривой.

9. Эта неоднозначность связана с конкретной реализацией эксперимента, а именно:

• недостаточной длиной приемной системы и

• недостаточным числом каналов;

• слишком большим расстоянием между каналами;

• группированием пьезоприемников в канале;

• недостаточным временем записи сигнала.

Основным результатом эксперимента явилось получение участков ветвей дисперсионной кривой по записи шумов судна при помощи стандартной сейсморзведочной аппаратуры и простых методов обработки этого сигнала.

Глава 3. Восстановление характеристик подстилающего полупространства по колебаниям в жидком слое.

Обсуждается важность проблемы восстановления характеристик дна и сложности, возникающие из-за наличия слоя воды.

3.1. Различные пояхолы к обращению непрерывных колебаний

Рассматриваются различные возможные схемы экспериментов и получаемые в ходе их проведения данные. Исследуются сложности, возникающие при получении амплитудных характеристик мод при использовании стандартной сейсморазведочной аппаратуры и судна в качестве источника сейсмических колебаний. Делается вывод о целесообразности восстановления свойств дна только по участкам ветвей или точкам на ветвях дисперсионной кривой, что соответствует данным, полученным в ходе эксперимента.

3.2. Влияние различных характеристик упругой среды на поведение дисперсионных кривых.

Рассмотрены простейшие модели, состоящие из однородного жидкого слоя, лежащего на однородном упругом полупространстве. Исследовано изменение положения ветвей дисперсионной кривой при изменении какого-либо из параметров полупространства: скорости продольных волн, скорости поперечных волн и плотности. Выяснено, что изменение скорости поперечных волн в полупространстве наиболее сильным образом влияет на поведение ветвей дисперсионной кривой. Гораздо меньше влияние скорости продольных волн и плотности. На основании этого делается вывод о перспективности восстановления именно скорости поперечных волн в полупространстве по ветвям дисперсионной кривой. Рассматриваются также другие характерные особенности поведения ветвей дисперсионной кривой в связи с восстановлением характеристик полупространства.

3.3. Связь между различными ветвями дисперсионной кривой.

Число ветвей дисперсионной кривой на каждой

фиксированной частоте для колебаний в однородном жидком слое, лежащем на однородном упругом полупространстве конечно. Это число возрастает при увеличении частоты. Оказывается, что ветви не независимы и по поведению двух из них можно восстановить поведение всех остальных. Таким образом, новые ветви не несут информации о строении полупространства. Для более сложных сред этот результат требует более детального исследования.

3.4. Обращение данных эксперимента.

Рассматривается проблема восстановления среды по

результатам проведенного эксперимента. Поскольку технические средства, использованные при его проведении не позволили определить однозначно поведение ветвей дисперсионной кривой во всем диапазоне волновых чисел из-за наложения пространственных частот, то восстановление характеристик дна изучается в тесной связи с восстановлением однозначного поведения дисперсионных кривых во всем диапазоне волновых чисел. При этом выясняется особенная значимость первоначального приближения. Задача восстановления

характеристик дна ограничивается восстановлением скорости поперечных волн и глубин слоев. Используется метод подбора в котором ветви дисперсионной кривой рассчитываются по программе DISPER 80 M.Sato, модифицированной автором. В результате по экспериментальным участкам дисперсионной кривой определяется скорость поперечных волн в верхнем слое дна и его толщина, а также скорость поперечных волн ниже этого слоя. Обсуждается сравнение полученных данных со строением среды по скважинным измерениям, которые, однако, не содержат информации о скорости поперечных волн, поэтому возможно лишь косвенное, качественное сравнение.

Получены скорости поперечных волн в верхнем слое дна и в следующем слое, а также толщина верхнего слоя (рисунок 3), оценена.- ■ точность полученных результатов.

подстилающего полупространства по дисперсионным кривым.

Обсуждается ограниченность экспериментальных данных и высказываются предложения по проведению более точных экспериментов и достижению большей глубины восстановления свойств дна. Получение амплитудных характеристик мод может позволить восстанавливать не только скорость поперечных волн, но и скорость продольных волн в дне и его плотностной разрез, а также диссипативные свойства. Выясняется масштаб предполагаемой в исследовании горизонтальной однородности среды.

Заключение.

В заключении говорится о перспективах использования непрерывных колебаний в морской сейсморазведке и для изучения строения Земли.

1. Использование непрерывных колебаний п морской

Перспективы использования описанного подхода при морской сейсморазведке основаны на следующих соображениях:

У

X - l/(Wave Length) in 1/km; Y - Frequency Hz; Levels: 0.04; 0.06; 0.08

Рисунок 3.

Теоретические и экспериментальные ( N 52 ) дисперсионные кривые.

1. Восстановление скорости поперечных волн в упругом дне традиционными методами затруднительно. Скорость продольных волн в дне может меняться весьма незначительно из-за водонасышенности пород. При этом скорость поперечных волн может изменяться в несколько раз;

2. Использование непрерывных колебаний позволяет накапливать сигнал и использовать неспециальные источники сейсмоакустических сигналов;

3. Результаты восстановления скорости поперечных волн в дне могут быть использованы для эффективного подавления многократных мешающих отражений, особенно в случае мелкого моря;

4. Описанный подход позволяет использовать уже существующие данные, полученные при проведении морских экспериментов, это в первую очередь относится к записям донных станций. Таким образом, при обработке существующих записей есть возможность получить совершенно новые результаты по скорости поперечных волн в верхних слоях дна;

5. Использование метода позволяет проводить непрерывный мониторинг, например, состояния верхних слоев дна (что может быть особенно актуально для рек и водохранилищ) и нефтяных и газовых резервуаров.

6. Метод также может применяться в арктических районах с использованием шумов ледоколов и подводных лодок.

7. Актуальным может быть использование метода в сложных погодных условиях и при большой скорости судна, если шум судна записывается донными станциями.

Естественно, описанный подход не претендует на всеобщность и при его помощи можно решать определенный круг задач. В морской сейсморазведке он может стать дополнением существующих методов, которое позволяет без больших затрат и усилий получать качественно новые результаты. В таком случае возможно определять скорость продольных волн и положение границ глубоких слоев традиционной сейсмикой, а скорость поперечных волн и положение мелких границ в дне при помощи анализа поверхностных волн от непрерывных источников.

Обсуждаются также ограничения метода и его другие применения.

2. Использование непрерывных колебаний лля изучения строения Земли и при решении других фундаментальных задач.

Использование непрерывных колебаний для изучения строения Земли может быть перспективным в задачах, в которых традиционные методы не приносят удовлетворительных результатов, или использование поверхностных волн от непрерывных источников проще или дешевле; в задачах, в которых требуется непрерывный мониторинг состояния среды, в особенности ее верхних слоев; в условиях, когда существуют мощные непрерывно действующие источники колебаний.

К таким задачам можно отнести следующие:

1. Определение скорости поперечных волн в верхних слоях дна океана в связи с изучением процессов осадконакопления и их консолидации, например, в эстуариях и дельтах рек;

2. Определение строения среды в случае наличия приповерхностных волноводов, например, в районах вечной мерзлоты;

3. Изучение и мониторинг состояния дна водохранилищ с помощью сейсмических колебаний, излучаемых турбинами электростанций;

4. Мониторинг напряженного состояния в районах сейсмической активности;

5. Изучение влияния дна на сверхдальнее распространение звука в океане;

6. Изучение строения среды, главным образом, скоростей поперечных волн, при использовании в качестве источников буровых установок, в особенности производящих глубокое бурение;

7. Определение скорости поперечных волн в верхних слоях дна в морях, покрытых льдом;

8. Зондирование земной коры при помощи сейсмических колебаний, излучаемых турбинами тепловых, атомных и гидроэлектростанций.

Указывается на необходимые технические средства регистрации колебаний.

Результаты работы.

1. В теории колебаний. Детально исследована классическая задача о колебаниях жидкого слоя на упругом полупространстве, поведение корней соответствующего дисперсионного уравнения на всех листах Римановой поверхности. Получены аналитических формулы для асимптотики корней на нефизических листах.

2. Доказано отсутствие комплексных корней на физическом листе поверхности Римана в задаче о колебаниях однородного жидкого слоя на однородном упругом полупространстве.

3. В эксперименте. Автор принимал участие в планировании и проведении эксперимента с использованием шума судна-буксировщика и регистрацией колебаний при помощи буксируемого приемного устройства с группированием датчиков.

4. В обработке экспериментальных данных. Применен Фурье анализ в широком диапазоне частот и получена картина частота-волновое число по морским экспериментам с судном как источником колебаний.

5. В интерпретации экспериментальных данных. Расширен диапазон изучаемых пространственных частот (волновых чисел) за счет использования представления о характере колебаний и устранения таким образом наложения пространственных частот. Восстановлены некоторые ветви дисперсионных кривых по участкам, полученным в эксперименте.

6. По источникам. Исследовано использование широкополосного шума судна в качестве источника непрерывных сейсмических колебаний.

7. В обратной задаче. Выяснена возможность восстановления различных характеристик упругого дна по поведению ветвей дисперсионной кривой. Определены скорости поперечных волн в верхних слоях дна по характерным участкам дисперсионных кривых методом подбора.

8. Разработана целостная методика виброзондирования дна океана с использованием непрерывных колебаний от неспециальных источников (шумов судна), все составляющие которой обоснованы и прошли проверку в эксперименте.

Список трудов по теме диссертации.

1. Маркушевич В.М., Новикова Н.Н., Повзиер Т.А., Савин И.В., Федоров В.Е., Метод определения акустического профиля по нормальным монохроматическим волнам, ВИНИТИ N 2294-В86, с. 1-30.

2. Маркушевич В.М., Новикова Н.Н., Повзиер Т.А., Савин И.В., Федоров В.Е., Метод определения акустического профиля по нормальным монохроматическим волнам, Выч. сейсмология, Вып. 19, М., 1986, с. 135-145.

3. Маркушевич В.М., Коган Л.И., Федоров В.Е., Новикова Н.Н. а/с 1469486. Способ зондирования водной среды. Бюлл. изобретений N 12, 1989 г., с. 217.

4. Маркушевич В.М., Федоров В.Е. Волновые числа в задаче о колебаниях жидкого слоя на упругом полупространстве. Выч. сейсмология. Вып.22, М., 1989, с. 146-152.

5. Бродов Л.Ю., Локцик В.В., Маркушевич В.М., Новикова Н.Н., Синюхина С.В., Федоров В.Е. Опыт монохроматического зондирования верхней части разреза с помощью горизонтального вибратора. Выч. сейсмология. Вып. 24, М., 1991 г., с. 171-185.

6. V.E.Fedorov and V.M.Markushevich. Wavenumbers in the Problem of Vibrations of a Liquid Layer on an Elastic Half-Space. //Computational Seismology and Geodynamics, Vol.1. Selected papers from volumes 22 and 23 of Vychislitel'naya Seysmologiya. American Geophysical Union. 1994. p.74-79.

7. L.Yu.Brodov, V.V.Loctsic, V.M.Markushevich, N.N.Novikova, V.E.Fedorov, and S.V.Sinjukhina. Monochromatic Sounding of the Upper Part of a Velocity Profile by a Horizontal Vibrator. //Computational Seismology and Geodynamics, Vol.2. Selected papers from volumes 24 and 25 of Vychislitel'naya Seysmologiya. American Geophysical Union. 1994. p. 150-155.