Геза_СтатьяСканир - На главную страницу сайта LAVA.RU

УДК 534.222+ 534.231.1
Экспериментальное исследование мгновенных вариаций скорости и
затухания сейсмических волн в рыхлой среде in situ, подвергаемой
пульсирующей динамической нагрузке.
Геза Н.И., Егоров Г.В., Мкртумян Ю.В., Юшин В.И.
Институт геофизики СО РАН, 630090, просп. акад.Коптюга,3, Россия
ВВЕДЕНИЕ
В работе /1/, изучая процесс преобразования гармонических механических колебаний
вибрационного источника в сейсмические волны, мы обратили внимание на ряд явно
нелинейных эффектов, таких как нарушение принципа пропорциональности, зависимость
резонансной частоты системы вибратор - грунт от амплитуды колебаний и силы статического
прижима, релаксационные явления и др. В работах /2, 3/ некоторые из этих эффектов были
целенаправленно исследованы методом геоакустического просвечивания нижнего
полупространства в ближней зоне под платформой вибратора. Было установлено, что под
воздействием интенсивных сейсмических вибраций изменяется как средняя за период
низкочастотного воздействия, так и мгновенная, связанная с текущей фазой динамического
нагружения, скорость акустической волны. Изменение средней скорости происходит всегда в
сторону ее снижения и в упомянутых экспериментах достигало 5%. Значительно (до 3-5 раз)
увеличивается среднее за период вибрации затухание (соответственно, поглощение)
акустической волны и одновременно имеют место мгновенные вариации поглощения,
когерентные колебаниям вибратора. Экстремальные значения мгновенных вариаций скорости
и поглощения несинфазны между собой, то есть, по крайней мере, одна из этих величин не
совпадает с фазой максимального сжатия грунта вибратором. После остановки вибратора в
течение длительного времени происходит релаксация (восстановление "невозмущенных"
значений) скорости и поглощения, но с разными постоянными времени: скорость
восстанавливается быстрее.
Некоторые из проявившихся в этом исследовании явлений можно обнаружить в более ранних
работах других авторов. Так, например, снижение средней скорости в суглинке под плитой
вибратора во время во время работы последнего можно заметить на экспериментальном
графике, приведенном в работе Алешина и Кузнецова /4/, хотя ее авторы никак не отметили
этот факт особо. Более того, в последующей работе /5/ приводится зависимость скорости Р-волны
от состояния сжатия и разгрузки в динамическом режиме, противоречащая как этому факту, так и
нашим данным. Противоречия состоят, во-первых, в количественном отношении (в /5/
наблюдались изменения мгновенной скорости с перепадом до 30%, тогда как по нашим данным
они на порядок меньше) и во-вторых, в качественном - по данным Алешина и Ковальской /5/,
максимальная мгновенная скорость при динамическом нагрузке существенно превышает среднюю
скорость в этой же среде при отсутствии возмущения (по нашим же наблюдениям такого никогда
не происходит). Неожиданным результатом работы /2/, оказалось также неравенство амплитуд
верхней и нижней комбинационных частот при использовании метода "модуляции волны волной".
Лишь приняв гипотезу о том, что скорость и поглощение под влиянием динамического воздействия
модулируют частоту зондирующего колебания в разных фазах динамической нагрузки, мы
получили удовлетворительную аналитическую модель в терминах теории сигналов столь необычно
модулированного сигнала. К сожалению, метод комбинационных частот, позволив установить
факт несинфазности параметрических воздействий на скорость и поглощение, не мог в принципе
дать абсолютную привязку к отдельным фазам возмущающего действия вибратора. Это заставило
нас разработать более тонкий метод экспериментального исследования, позволяющий
"разглядеть", как изменяются мгновенные значения параметров упругости среды в разных фазах
пульсирующей динамической нагрузки на геосреду ("накачки"). В настоящей работе представлены
первые результаты такого исследования.
В краткой формулировке, в работе ставились две задачи. Первая - чисто методическая, -оценить на
практике эффективность нового метода экспериментального исследования динамического
напряженного состояния. Вторая - получить конкретные количественные оценки интегральных и
мгновенных изменений физико-механических характеристик суглинка в достаточно большом
объеме в состоянии естественного залегания под воздействием переменных механических
напряжений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
На рис.1 представлена схема экспериментальной установки, состоящей низкочастотного вибратора
В, служащего для создания пульсирующей нагрузки на массив находящегося под ним грунта,
высокочастотного излучателя И, предназначенного для акустического просвечивания этого
массива, и нескольких измерительных скважин. Вибратор В дебалансного типа (с приводом от
прецизионно управляемых по частоте и фазе электродвигателей с платформой площадью 9 м2 и
общей массой 35 тонн) способен развивать
переменное давление с амплитудой до 35 тонна-сил. Более подробные характеристики приведены в
121. Акустический излучатель И пьезокерамического типа имеет собственную частоту резонанса 900
Гц, площадь платформы 0,2 м2 и способен развивать полную мощность до 1 кВА. Скважины
снабжены герметичной пластиковой обсадкой и заполнены керосином. В качестве скважинных
датчиков использованы морские пьезокерамические сейсмоприемники типа ПДС-21, реагирующие
на давление. Кроме того, в устье скважины 1 установлен такой же датчик, контролирующий
излучаемый (зондирующий) сигнал, а на поверхности у устья скважины 2 - акселерометр. Глубину
погружения датчиков давления легко изменять, не заботясь о прижиме к стенке скважины. Ряд
дополнительных скважин, изображенных на рис. 1, использовались для детального исследования
сейсмического разреза. Как видно из схемы, протяженности анализируемых сейсмических лучей
составляли от 5 до 20 м при средней длине волны около 2 м. Следовательно, на базе просвечивания
укладывалось несколько длин волн зондирующего колебания, и эффекты на контактах горной
породы с излучателем и приемником почти не сказывались на результатах..
Таким образом, первая методическая задача, состоявшая в создании искусственных
контролируемых динамических напряжений в достаточно большом (представительном) объеме
среды, была решена путем использования мощного низкочастотного вибратора, который создавал
периодическую пульсирующую нагрузку на массив находящегося под ним грунта. Переменную
нагрузку (в отличие от статической) нетрудно контролировать с помощью комплекса сейсмических
датчиков, датчиков давления и деформаций. Характер деформации грунтового массива под
виброплатформой был исследован в работе 121. Вторая (главная) экспериментальная задача
заключалась в том, чтобы измерить в каждой мгновенной фазе нагрузки основные характеристики
среды: модули упругости или другие связанные с ними параметры. Очевидно, что важнейшими из
таких параметров являются скорости продольных и поперечных волн и поглощение. Эти
параметры можно измерить, если просвечивать нагружаемый массив искусственными
сейсмическими волнами, достаточно высокочастотными по сравнению с частотой циклов нагрузки
(будем называть эти зондирующие воздействия акустическими, чтобы оттенить их спектральный
состав - звуковой диапазон частот). Чем высокочастотнее спектр зондирующих сигналов, тем выше
их разрешающая способность по времени пробега, и тем выше чувствительность к вариациям
других параметров. Вместе с тем, низкочастотное динамическое воздействие неизбежно
сопровождается дополнительным сторонним шумом в акустическом диапазоне, уровень которого
может в несколько раз превышать уровень просвечивающего акустического сигнала. Этот шум
порождается работой
механической конструкции, создающей требуемое динамическое воздействие, а также
акустической эмиссией в самом грунтовом массиве. В результате прямая регистрация акустических
импульсов становится практически невозможной. Увеличение разноса по частоте за счет
повышения частоты зондирующего сигнала в данном случае проблемы не решает, поскольку
сопровождается увеличением затухания сигнала в среде, в результате чего отношение сигнал/шум
не только не возрастает, но может снизиться. Таким образом, основная техническая трудность в
измерении мгновенных вариаций параметров среды состояла в несовместимости весьма малого
допустимого времени измерений в каждой фазе пульсирующей нагрузки и необходимого большого
времени накопления для получения приемлемого отношения сигнал/шум. Действительно, при
циклической нагрузке нельзя остановить этот процесс в какой-то фиксированной фазе с тем, чтобы
дать время для точного измерения упругих параметров, соответствующих именно этому значению
напряженного состояния среды. Поэтому накопление энергии зондирующих колебаний необходимо
вести прерывисто, небольшими порциями, добавляя в каждом цикле нагрузки только ту их часть,
которая соответствует именно данной выбранной фазе нагрузки. Соответствующий метод,
разработанный авторами проекта, и реализованный в виде аппаратуры и программ обработки,
названный корреляционно-стробоскопическим, оказался чрезвычайно эффективным. Сущность
этого метода состоит в следующем.
Пусть исследуемая среда возмущается гармоническими колебаниями с некоторой постоянной
частотой (предположительно, в полосе от 3 до 10 Гц) и одновременно просвечивается
акустическим колебанием, которое представляет собой медленную плавную развертку частоты в
диапазоне от 100 до 1000 Гц. Как известно, для преобразования в импульсную форму приятый
сигнал необходимо свернуть (прокоррелировать) с зондирующим. Очевидно, что принятый
акустический сигнал будет содержать информацию обо всех состояниях среды за время
зондирования. Необходимо выделить из него только ту часть, которая относится к какой-то
определенной фазе нагрузки. С этой целью этот сигнал после необходимого усиления и оцифровки,
но до корреляции, подвергается сначала стробированию с частотой низкочастотного возмущения в
соответствующей фазе последнего, а только затем -корреляции. Строб представляет собой
импульсную последовательность со скважностью, равной выбранному (контролируемому) числу
мгновенных фаз на один цикл нагузки-разгрузки. Период стробов равен периоду колебаний
пульсирующего низкочастотного возмущения, а фаза (задержка) относительно этого
возмущающего колебания может быть установлена любой. Простробированный акустический
сигнал представляет собой "гребенку"
из фрагментов непрерывного колебания. Можно показать, что при определенных
соотношениях параметров свип-сигнала и гармонического возмущения стробирование не
вносит искажений в коррелограмму. Выполняя многократно корреляцию записи акустического
сигнала, простробированного с разными фазами, с непрерывным зондирующим сигналом,
получаем семейство импульсных акустограмм для всех фаз нагрузки массива вибратором, что
и требуется. Далее остается только выделить вариации амплитуд и времен пробега. Учитывая,
что последние могут меняться меньше, чем на интервал дискретизации, применяется один из
тонких методов выделения относительных задержек (интерполяционный или взаимных
фазовых спектров).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Волновое поле. Как свидетельствует сейсмический разрез по вертикальному профилю
скважины 2 (рис. 2), в волновом поле можно выделить три Р-волны: прямую и две
отраженных. Прямая волна вступает на дневную поверхность у устья скважины 2 на времени
20 мс. Она значительно слабее последующих отраженных вследствие того, что находится
вблизи минимума диаграммы направленности источника по продольным волнам. По
возрастанию амплитуды первого вступления с глубиной хорошо просматривается классическая
диаграмма направленности штампа на упругом полупространстве, каковым и является данный
акустический излучатель. Первое отражение, выходящее на дневную поверхность на времени
45 мс, порождено водоносным горизонтом, находящимся на глубине 8 м, второе, наиболее
интенсивное, вступающее на времени 60 мс, связано с кровлей палезойского кристаллического
фундамента, который здесь находится на глубине 10-15 м. Средняя скорость продольных волн
в 8-метровой верхней части разреза составила 340 м/с. При этом непосредственно под
платформой вибратора, в отличие от свободной поверхности, она имеет повышенное значение
(370 м/с), по-видимому, вследствие уплотнения грунта под действием длительных вибраций.
Эксперимент 1. Сравнение волновой картины в невозмущенном и в возмущенном массиве.
Вертикальный профиль по скважине 2, показанный на рис. 2, был выборочно повторен в
присутствии низкочастотного возмущения среды. Вибратор "накачки" в этом эксперименте
работал на постоянный частоте 7,83 Гц, создавая под платформой пульсирующее давление с
амплитудой 20 - 25 кПа, и вызывая переменную деформацию грунта в верхнем слое толщиной
1 м с амплитудой порядка 2 10"4. При этом амплитуда колебаний платформы достигала 3 мм.
Акустическое зондирование выполнялось линейной разверткой частоты в полосе 78-156 Гц
длительностью 5 мин. Результат проиллюстрирован на рис.3а, на котором представлены с
наложением друг на друга прокоррелированные сейсмограммы с работающим и
неработающим вибратором. При получении этих сейсмограмм не использовалось расщепление
по мгновенным фазам вибратора, и поэтому все мгновенные вариации волнового поля
усреднены интегралом корреляции. Выявляются только их средние значения. Трассы,
изображенные тонкими черными линиями, относятся к неработающему вибратору, жирные - к
случаю, когда вибратор включен. С первого взгляда видно, что при работе вибратора
амплитуды всех волн резко уменьшаются, а времена пробега увеличиваются. Иными словами,
скорости падают, а поглощение возрастает. Таким образом, эксперимент подтвердил ранее
полученные результаты 111 о том, что в динамически возмущенной рыхлой среде средние
значения упругих параметров существенно изменяются.
Чтобы количественно оценить величины этих изменений, на рис.Зб представлены те же
сейсмограммы, что и на рис.За, с той лишь разницей, что сейсмограммы с вибратором
увеличены по амплитуде в 2,2 раза (во столько раз, судя по соотношению среднеквадратичных
значений, увеличилось затухание в присутствии "накачки"). Масштабированием мы визуально
скомпенсировали дополнительное затухание, внесенное возмущенной средой. Поскольку
большие отличия в амплитудах теперь не отвлекают внимание, становится лучше видно, что
фазовые запаздывания одних и тех же волн постепенно возрастают с увеличением времени
пробега. Видно также, что запаздывания волн по фазе при работе вибратора относительно
времен их пробега при неработающем вибраторе примерно пропорциональны длинам их путей.
Это убедительно доказывает, что наблюдаемый эффект носит распределенный характер, а не
локализован, скажем, в области контакта зондирующего источника с грунтом, то есть,
однозначно указывает на его место происхождения - в среде распространения. Если перевести
времена пробега в скорости сейсмических волн, то оказывается, что в этом эксперименте
средняя скорость волны в динамически возмущенной среде снизилась примерно на 5%.
Эксперимент 2. Бигармоническое зондирование. Для того чтобы убедиться в преемственности
новых и прежних результатов, следующий эксперимент, иллюстрирующий параметрическое
действие колебаний вибратора на среду, был выполнен по традиционной методике «модуляции
волны волной». Вибратор и акустический излучатель работали одновременно каждый на своей
фиксированной частоте (7,83 и 235 Гц соответственно). Анализировался спектральный состав
колебания, зарегистрированного у забоя скважины 2 на глубине 6 м. Отметим, что режим с
частотой 7,83 Гц является форсированным - вибратор работает с небольшими подскоками,
форма колебаний пилообразная, как это показано на следующем рис. 4. Отметим также, что полное
повторение колебания происходит через два периода, то есть, вибратор генерирует еще и
субгармонику (гармонику половинной частоты).
На рис.4 представлены результаты бигармонического зондирования: а - форма вибросмещения
платформы, б - амплитудный спектр этого колебания и двух его производных (виброскорости и
виброускорения), в - спектры акустического сигнала вблизи излучателя и в скважине 2 на глубине
6 м. Из этих графиков видно, что сигнал вибратора, содержащий кроме 1-й также 2-ю и 3-ю
гармоники, модулирует высокочастотную волну всеми тремя своими гармониками, причем, чем
выше порядок гармоники вибратора, тем сильнее ее модулирующее действие. Таблица 1 дает
количественную оценку этому факту. Из нее видно, что уровень гармоник вибратора в
комбинационном сигнале соответствует их соотношению не в вибросмещении платформы, а в ее
виброскорости и даже несколько приближается к виброускорению. Этот многократно
проверенный нами факт представляется чрезвычайно важным. Он указывает на то, что
нелинейность диаграммы "напряжение - деформация" грунта, на которой основаны многие
существующие модели нелинейных явлений 161 на фоне нелинейностей совершенно другой
природы играет не самую важную роль в тех ярких эффектах, которые наблюдаются динамически
возмущенной рыхлой среде. Из графика на рис. 4г также видно, что правая и левая
комбинационные частоты одного и того же номера гармоники вибратора, имеют разные
амплитуды. В работе 121 мы уже отмечали этот последний эффект и теоретически объяснили его (в
понятиях теории сигналов) несинфазностью амплитудной и фазовой модуляции. С точки зрения
механики реологической среды это может быть связано, например, с разными постоянными
времени релаксации для скорости упругих волн и поглощения. Однако, проверить это
предположение экспериментально в тех работах не удалось. В настоящем исследовании с
помощью корреляционно-стробоскопического метода мы впервые показываем этот факт
непосредственно с помощью следующих экспериментов.
Эксперимент 3. Расщепление сейсмограммы акустической волны в динамически возмущенной
среде по фазам движения платформы вибратора в самой глубокой точке скважины 2.
Форсированный режим вибратора. В этом эксперименте режимы работы вибратора и
акустического зонда были такими же, как и в эксперименте 1 (см. выше). Анализировалась только
одна сейсмическая трасса полученная датчиком на глубине 6 м (на профильной сборке на рис. 2 эта
сейсмограмма представлена нижней трассой). На рис.5а показан результат расщепления этой
сейсмограммы по 16 фазам нагрузки, а на рис. 56 - результат амплитудно-скоростного анализа
расщепленных сейсмограмм. Как видно из этих графиков, различные волны ведут себя поразному. Поведение маргинальных (первого и третьего) волновых импульсов похоже. Для них
характерен бухтообразный отрицательный выброс времен пробега (возрастание скорости),
сопровождаемый падением амплитуды сигнала, приуроченный к фазе конца разгрузки массива.
По вышеупомянутым существующим представлениям, максимальная скорость упругих волн
должна бы наблюдаться в фазе максимального сжатия, но этого не происходит. Наиболее
интенсивная вторая волна также ускоряется на участке разгрузки массива, но при этом за один
цикл колебаний платформы убывание амплитуды волны происходит дважды, а именно, вблизи
фаз максимальных по модулю скоростей деформации массива. Из совместных графиков
скоростей и амплитуд на рис. 56 видно как несовпадение фаз максимальных вариаций времен
побега и амплитуд, так и появление интенсивных высших гармоник в этих вариациях.
Как уже подчеркивалось, в этом эксперименте вибратор работал в жестком форсированном
режиме: колебания платформы изначально содержали заметные высшие гармоники (см. рис.
4). Это было сделано с тем, чтобы, несмотря на относительную удаленность траектории
акустической волны от зоны наиболее интенсивных деформаций, добиться более яркого
проявления нелинейных эффектов. В следующем эксперименте мы устранили этот недостаток.
Эксперимент 4. Расщепление сейсмограмм на коротком луче. Мягкий (линейный) режим
работы вибратора. Целью этого эксперимента была прямая проверка, не являются ли высшие
гармоники движения платформы вибратора причиной интенсивных высших гармоник в
вариациях скорости и поглощения. Выше по сопоставлению уровней гармоник (см.
эксперимент 2) мы уже ответили на этот вопрос отрицательно. Но все же убедительней всего
было бы прямое доказательство. Для этого необходимо, чтобы платформа вибратора
деформировала бы массив по идеально гармоническому закону. Такой режим данного
дебалансного вибратора достигался на частотах ниже 6.8 Гц. Для надежности был выбран еще
более "щадящий" режим - 6,2 Гц (уровень высших гармоник в смещении платформы - менее
1%). Но чтобы скомпенсировать возможное ослабление нелинейных эффектов от снижения
интенсивности накачки, просвечивающий луч было решено направить через область наиболее
сильных деформаций. Акустический излучатель был уложен горизонтально и прижат
домкратом к ближней к вибратору стенке ямы. Таким способом диаграмма направленности
акустического источника по продольным волнам была ориентирована горизонтально, ближе к
виброплатформе. Так же был ориентирован и принимающий акселерометр на
противоположной стороне вибратора (расстояние 5 м). Кроме того, оказалось, что
магнитоэлектрический датчик-велосиметр типа ВЭГИК, установленный примерно в середине
платформы вибратора, и предназначенный для регистрации низкочастотных колебаний,
уверенно регистрирует и акустическую волну. Это позволило провести анализ вариаций по еще
более короткому лучу, ориентировочная длина которого составила 3 м.
Здесь необходимо сделать короткое отступление, чтобы привести еще один довод о важности
эксперимента на коротком луче. Для надежного соотнесения мгновенной вариации параметров
среды с фазой деформации, необходимо, чтобы за время пробега последняя существенно не
изменилась. Предыдущий эксперимент 3 не вполне отвечал этому требованию. Так, за время
пробега зондирующей волны 45 мс фаза накачки изменялась примерно на 120°, или 5 позиций
стробов из 16 в полном цикле. Естественно, это могло существенно "смазать" истинную
картину процесса. Тем более, что неясно оставалось, на какой из этих 5 фаз сигнал получил
наиболее существенное параметрическое воздействие среды. Короткое время пробега
уменьшает эту неопределенность. Так, при времени пробега 15 мс, периоде пульсации
нагрузки 160 мс и 15 стробах в цикле, зондирующая волна усредняет параметры среды лишь за
1,5 строба, или 36°, что мы считаем приемлемым.
На рис.6 представлены результаты этого эксперимента. На рис. 6а показана сборка
расщепленной на 15 фаз сейсмограммы короткого луча. Вследствие малой интенсивности
динамического воздействия и короткого пути волны амплитудно-фазовые вариаций невелики
и визуально в сборке расщепленных сейсмограмм почти не заметны. Однако тонкий анализ
дает совершенно четкую картину (рис. 66). Время пробега и амплитуда волны меняются
дважды за период колебаний вибратора, причем скорость волны достигает максимальных
значений вблизи максимальных скоростей деформации массива, и с отставанием от нее
примерно на 1/8 периода колебания вибратора амплитуда волны так же достигает своего
локального максимума. Важно отметить, что эти вариации, совпадая по времени с
максимальными по модулю скоростями деформации, практически не зависят от знака
последних. Таким образом, данный эксперимент убедительно показывает, почему две чисто
гармонических волны, взаимодействуя в нелинейной среде такого типа, порождают не две
(верхнюю и нижнюю), а множество комбинационных частот.
На основе полученных экспериментальных данных возможная упрощенная
феноменологическая модель динамической (во времени) зависимости скорости v волны от
мгновенной деформации s может иметь вид
2
2


  
   
   0   1  a0   a1
 a 2    a3    ,
t
 t 
 t  

ds
где v0 - скорость волны в невозмущенной среде, — - мгновенная скорость деформации,
dt
— - средний по времени квадрат скорости деформации, а 0 , ... а3 - положительные
постоянные. Здесь а0 определяется нелинейностью статической характеристики "деформация
-напряжение" и имеет физический смысл общепринятого параметра нелинейности /4 - 6/, а,
и а2 определяют относительный уровень мгновенных вариаций скорости, наблюдавшиеся в
приведенных экспериментах, а3 определяет снижение средней скорости. Разумеется, надо
иметь в виду, что максимальное значение суммы всех переменных слагаемых много меньше
1. Наибольший вес (около 0,05) имело слагаемое с коэффициентом а3, определяющее
изменение среднего значения скорости.
Эксперимент 5. Обнаружение неустойчивых акустических (сейсмических) границ. На сборке
расщепленных сейсмограмм (рис. 5а) помимо достаточно устойчивых волновых импульсов,
по которым проводился анализ вариаций, можно заметить более сильно изменяющуюся от
фазе к фазе волну в районе 60-й мс. Мы намеренно игнорировали ее при анализе, так как
полагали, что не она определяет важнейшие нелинейные свойства среды. Вместе с тем, в
самых различных расстановках, при смене типа датчика (датчик давления, велосиметр,
акселерометр), а также при смене поляризации излучения, похожая по поведению волна
почти всегда проявлялась своей повышенной чувствительностью к фазе нагрузки. Так, на
рис. 7 приведена расщепленная по фазам нагрузки сейсмограмма, полученная при
горизонтальной ориентации акустического излучателя и приемника-акселеромера,
расположенного с противоположной стороны вибратора. В интервале 65-й - 75-й мс
наблюдается слабая, но четкая волна, поведение которой резко отличается от волны первого
вступления. Она значительно сильнее варьирует по времени пробега, причем только один раз
за период, и, главное полностью исчезает вблизи фазы разгрузки среды. Поскольку по
соседству, кроме первой, нет других более интенсивных волн, это поведение нельзя
объяснить интерференцией. К сожалению, траекторию луча, породившего эту волну, нам не
удалось установить достоверно, поскольку волновое поле на вертикальном разрезе (рис. 2)
изучалось при вертикальной ориентации излучателя и с помощью датчиков давления,
нечувствительным к поперечным волнам. Возможно, это обменная волна на неглубокой
слабо дифференцированной границе, которая ярче проявляется при динамическом
возмущении среды. Это предположение позволяет нам условно назвать обнаруженное
явление "эффектом наведенной границы" (ЭНГ). Природа этого явления требует
целенаправленных исследований.
ВЫВОДЫ
Важнейшие результаты работы состоят в следующем:
1. Предложен, разработан и успешно испытан новый эффективный метод исследования
динамически возмущенной среды in situ, основанный на возмущении среды колебаниями
мощных низкочастотных вибраторов с одновременным высокочастотным акустическим
просвечиванием массива. Метод реализован в виде действующей экспериментальной
установки, регистрирующей аппаратуры и программ обработки данных.
2. С помощью этого метода экспериментально показано, что динамическое нагружение (по
крайней мере, для рыхлой среды типа суглинка) не является простой суммой мгновенных
статических состояний, из которых складывается переменная деформация. Это особое,
качественно и количественно иное состояние, характеризующееся общим понижением
скоростей продольных волн и возросшим их поглощением.
3. В процессе непрерывной периодической деформации среды скорости и поглощение
пульсируют по величине хотя и синхронно с внешней нагрузкой (причиной деформации),
но не синфазно с нею. Более того, пульсации скорости и поглощения несинфазны и между
собой, что свидетельствует о разных постоянных времени релаксации этих двух
параметров.
4. Любое мгновенное значение скорости в динамически возмущенной среде всегда ниже ее
значения при отсутствии возмущения. Аналогично, любое мгновенное значение
поглощения в присутствии возмущения всегда выше, чем в отсутствии последнего.
5. На мгновенные вариации скорости упругих волн и их поглощения в рыхлой среде,
подвергаемой пульсирующей деформации, влияет, главным образом, скорость этой
деформации, тогда как мгновенное значение деформации (на фоне зависимости от
скорости последней) вносит меньший вклад.
6. Обнаружено явление повышенной чувствительности некоторых слабых сейсмических
границ к присутствию динамического возмущения среды и его фазам, которое мы
предлагаем назвать "эффектом наведенных границ" (ЭНГ). Физическая природа
"наведенных границ" пока не ясна и требует проведения целенаправленных исследований.
БЛАГОДАРНОСТИ
За огромную помощь в подготовке и проведении полевых экспериментов авторы выражает
благодарность В.В.Велинскому, В.В.Маньковскому, В.М.Носову, В.С.Саввиных. Постоянная
поддержка, заинтересованное обсуждение и конструктивные замечания академика
С.В.Гольдина способствовали улучшению работы.
Работа выполнялась при поддержке РФФИ, гранты 98-05-64948, 99-05-79083, 00-05-65276
ЛИТЕРАТУРА
1. Юшин В.И. Об особенностях нелинейного взаимодействия поверхностного сейсмического
виброисточника с грунтом. "Геология и геофизика", 1994, т.35, № 5, с. 161-166.
2. Юшин В.И., Егоров Г.В., Сперанский Н.Ф., Астафьев В.Н. Акустическое исследование
нелинейных и реологических явлений в ближней зоне сейсмического вибратора. "Геология и
геофизика", 1996, т.37, № 9, с. 156-165.
3. Егоров Г.В., Носов В.М., Маньковский В.В. Экспериментальная оценка нелинейных упругих
параметров сухой и флюидонасыщенной пористой среды. Геология и геофизика, т.40, №3,
1999, с 457-464.
4. Алешин А.С., Кузнецов В.В. Исследование физико-механических свойств рыхлого грунта
под плитой вибратора // Исследование Земли невзрывными сейсмическими источниками. Ред.
А.В.Николаев, И.Н.Галкин. М: Наука, 1981, С.267-272.
5. Алешин А.С., Ковальская И.Я. Вибрационный источник в задачах сейсмического
микрорайонирования. //Вопросы инженерной сейсмологии. Вып. 30, 1984, с.90-94.
6. Гущин В.В., Шалашов Г.М. О возможности использования нелинейных сейсмических
эффектов в задачах вибрационного просвечивания Земли. // Исследование Земли
невзрывными сейсмическими источниками. Ред. А.В.Николаев, И.Н.Галкин. М.: Наука, 1981.
С. 144-155.