Отделение геофизических исследований
|
|
|
|
|
Отделение геофизических исследований |
||
|
Лаборатория акустики гетерогенных сред 2 Развитие методов инженерной геофизики на полигоне ИПФ РАН «Безводное». Площадка под геофизические эксперименты на полигоне «Безводное» была оборудована силами В.С.Авербаха и Б.Н.Боголюбова в конце 90-х годов для испытаний перспективных источников когерентного сейсмического излучения (конструкция Б.Н.Боголюбова), предназначенных для решения разнообразных задач прикладной геофизики. Фотографии на рис. 1.5 демонстрирует рабочие моменты экспедиций разных лет и красоту этого места, расположенного вблизи живописного берега р. Волга.
В середине 90-х годов академиком РАН В.И.Талановым было предложено использовать накопленный до этого опыт гидроакустических исследований с использованием когерентных источников для анализа
структуры приповерхностных слоев Земли. А.В.Лебедевым и А.М.Сутиным в 1996 была предложена схема возбуждения когерентного сейсмического излучения двумя согласованными со средой и друг с другом резонансными системами [1] (возможность использования объемного источника без согласования резонансных контуров анализировалось в работе [2]). Полученные оценки показали, что мощность излучения ограничена кавитационной прочностьюжидк ости, заполняющей согласующий элемент, и может достигать нескольких киловатт. Однако у этой схемы имелись очевидные недостатки – необходимость точного согласования резонаторов, узкая полоса излучения и громоздкость конструкции. Фактически такая
схема пригодна для создания стационарных пунктов излучения, работающих в режиме интерферометра, например, в областях с повышенным уровнем сейсмичности для мониторинга состояния геосреды.
Рис. 2.6: Сейсмоакустическое «изображение» подземного тоннеля. Вверху справа показано расположение элементов измерительной системы относительно тоннеля (красным символом отмечено расположение источника, линиями места размещения геофонов, черными точками отмечены контуры тоннеля). Сечения (томограммы) тоннеля, полученные в результате когерентной обработки (фокусировки) представлены на рис. 2.6 в виде распределения «акустической» яркости. Работа [5] по сути стала отправной точкой для направления, связанного с решением обратных динамических задач и развитием методов дистанционной диагностики и мониторинга (см. ниже).
Рис. 2.7: Примеры использования когерентности сейсмоакустического излучения для решения задач профилирования (слева – эксперимент на р.Троца в 1998 г.) и поиска локальных неоднородностей (в центре– эксперимент 2001 г. в г. Сарове). Справа показан рабочий момент экспедиции на Ладожском озере в 2004 году – спуск мощного гидроакустического излучателя конструкции Б.Н.Боголюбова. В конце 90-х годов Б.Н.Боголюбовым был разработан маломощный электродинамический вибрационный источник для инженерной сейсморазведки [10] (в последствии мы узнали, что приблизительно в то же время источник похожей конструкции был разработан для решения тех же задач зарубежными коллегами [11]). В работе [10] была продемонстрирована возможность локализации искусственных локальных неоднородностей (рис. 2.7, в центре, заимствован из этой работы). Ряд других интересных результатов, полученных при использовании когерентности сейсмоакустического излучения представлен в обзоре [4].
Рис. 2.8: Примеры диагностики состояния грунта в натурных условиях по измерениюв ходного акустического импеданса среды. Интересно отметить, что оценка коэффициента Пуассона для грунта в невозмущенном состоянии и грунта после разрыхления и последующей трамбовки практически совпадают (т.е. структура внутренних связей трамбовкой. восстанавливается), а коэффициент Пуассона грунта сразу после разрыхления близок к 0.49 (полужидкое состояние). Таким образом, измерения акустического импеданса позволяют оценить степень воздействия на грунт. Также в эксперименте [12] при сопоставлении данных двух лет была продемонстрирована возможность диагностики состояния грунта в зависимости от предыстории состояния окружающей среды (температуры и влажности). По данным акустических измерений при большой амплитуде возбуждения были определена шероховатость поверхности (характерный размер гранул). Сама идея определения шероховатости по нелинейному акустическому отклику не нова и, например, анализировалась в работе [13], а затем рассматривалась применительно к задачам прикладной геофизики для повышения разрешающей способности сейсморазведки с использовании коммерческих вибраторов [14, 15]. Эксперимент [12] интересен тем, что оценка размера зерна, полученная по натурным акустическим данным, оказалась в очень хорошем согласии с прямыми наблюдениями частиц грунта под микроскопом. Сам отклик при вычитании радиационных потерь, величина которых не зависит от амплитуды колебаний, показан на рис. 2.8. Отчетливо виден гистерезис зависимости сила–смещение (напряжение–деформация). Интересно отметить, что, насколько мы можем судить на основе анализа литературы, подобные динамические характеристики грунта в натурных условиях были получены впервые. Видны следующие эффекты: (1) уменьшение динамической жесткости среды с ростом амплитуды, (2) увеличение постоянной составляющей, определяющей заглубление (положительные величины z2 на графике) вибратора при колебаниях, (3) сложное строение петель гистерезиса при изменении частоты вибраций, что, по-видимому, указывает на особенности релаксационных процессов. В дальнейшем предполагается продолжить исследований в этом направлении. Отдельного внимания заслуживает развитие нетрадиционных методов сейсморазведки и, в частности, использование SH-волн в межскважинном профилировании. Этот тип волновых движений используется в геофизике относительно редко, что связано с техническими сложностями возбуждения. В работе [16] описана конструкция скважинного источника SH-волн. Источник аналогичной конструкции был использован в эксперименте по фазовому профилированию слоистой структуры с низким контрастом параметров (полигон «Безводное» 2008) [17]. Использование фазовых методов измерения, которые являются одними из наиболее точных, в традиционной геофизике ограничено долговременной стабильностью источников излучения. В условиях полигона «Безводное» (рис. 2.9) удалось разрешить слабый контраст слоев, состоящих из суглинка, супеси и глины. При этом стандартные методы непригодны из-за сильного затухания и, как следствие, невозможности обеспечить необходимую полосу излучения на больших дистанциях. На рис. 2.9, слева показаны геологические данные для полигона «Безводное», а справа – представлены измеренные интегральные скорости распространения и результат реконструкции профиля скорости волны сдвига как функции глубины. Положение границ находится в удовлетворительном согласии с геологическими данными, а величины скорости – с известными из литературы средними значениями для супесей, суглинков и глин (например, [18]).
Рис. 2.9: Фазовое профилирование слоев малого контраста на SH-волнах. В 2009 году при поддержке РФФИ начаты работы, направленные на решение обратных динамических задач для определения параметров природных сред в условиях их естественного залегания. В дальнейшем предполагается создание схем мониторинга состояния таких сред. В процессе выполнения работ было найдено интересное обобщение хорошо известного метода спектрального анализа поверхностных волн (в англоязычной литературе – SASW). Оказалось, что включение в алгоритм инверсии частотной зависимости отношения проекций смещения дневной поверхности наряду с дисперсионной зависимостьюск орости волны Рэлея позволяет реконструировать профиль скорости волны сдвига и коэффициента Пуассона. Сравнение двух экспериментов 2009 и 2011 годов продемонстрировало возможность диагностики насыщения природной гранулированной среды жидкостью. [19] 1. Лебедев А.В., Сутин А.М. Возбуждение сейсмических волн гидроакустическим излучателем //
Акустический Журнал. 1996. 42. № 6. 812–818. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
