УДК 534.222+ 534.231.1
Экспериментальное исследование мгновенных вариаций скорости и

затухания сейсмических волн в рыхлой среде in situ, подвергаемой

пульсирующей динамической нагрузке.

, ,

Институт геофизики СО РАН, просп. акад. Коптюга,3, Россия

ВВЕДЕНИЕ

В работе /1/, изучая процесс преобразования 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.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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 в работе /2/ удовлетворительную в терминах теории сигналов аналитическую модель 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 /2/. 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 /2/. Вторая и 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 шире 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 (в нашем случае, лежащей в полосе от 3 до 10 Гц) и одновременно просвечивается акустическим колебанием, которое представляет собой медленную плавную развертку частоты (например, в диапазоне от 50 до 500 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, содержащую лишь ту информацию об акустическом сигнале, которая относится только к избранной фазе "накачки". 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).

Прежде чем изложить результаты измерений вариаций зондирующего акустического сигнала под действием динамической нагрузки на среду, остановимся на особенностях волнового поля в ближней зоне вибратора, который эту нагрузку создает. Это необходимо сделать, чтобы соотнести наблюдаемые вариации акустической волны с вариациями напряженно-деформированного состояния просвечиваемой среды (суглинка). Методика эксперимента предусматривала, что одновременно с акустическим зондированием (частотный диапазон 70-350 Гц) измерялась непосредственно виброскорость колебаний платформы низкочастотного вибратора. Другие необходимые параметры, такие как напряжение и деформация среды под платформой, связанные с низкочастотной «накачкой», измерялись в отдельном эксперименте также совместно с виброскоростью платформы. Колебания платформы регистрировались датчиком-велосиметром сейсмического типа ВИБ-А (собственная частота 2 Гц, затухание практически нулевое). На частотах 6-8 Гц такой датчик имеет нулевой фазовый сдвиг по скорости и, следовательно, интеграл от его сигнала пропорционален вибросмещению платформы также без какого-либо фазового сдвига. Напряжение в грунте на глубине около 20 см под платформой измерялось мембранным тензометрическим датчиком давления, размещенным в наклонно пробуренной скважине. После установки датчика скважина засыпалась грунтом, извлеченным при бурении, и слой за слоем тщательно утрамбовывалась. Датчик и тензоусилитель были выполнены по схеме постоянного тока и, следовательно, также не вносили фазовых искажений в низкочастотный сигнал. Деформации измерялись деформографом индукционно-трансформаторного типа, размещенном на вертикальной стенке ямы у края платформы вибратора. База деформографа составляла 70 см.

Одновременная регистрация всех перечисленных параметров показала, что в частотном диапазоне 6-7 Гц, где колебания имеют чисто синусоидальную форму, смещение платформы, давление под нею и деформация грунта находятся в одной и той же фазе (с точностью до противофазы ± 10°). Выше 7.5 Гц, когда резко возрастает амплитуда колебаний, а их форма приобретает пилообразный характер, такие измерения провести не удалось вследствие ухудшения контакта мембраны датчика давления с породой. Таким образом, при изложении результатов мы будем показывать только один параметр, относящийся к мгновенному состоянию среды, а именно, смещение платформы, полагая, что напряжение и деформация изменяются синфазно с ним.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Волновое поле. Как свидетельствует сейсмический разрез по вертикальному профилю скважины 2 (рис. 2), полученный с помощью вертикально ориентированного источника и пьезодатчика давления (см. рис.1), в акустическом 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 палеозойского 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 амплитудойкПа, 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. Тем самым эксперимент подтверждает ранее полученные результаты о том, что в динамически возмущенной рыхлой среде средние значения упругих параметров существенно изменяются /2/. 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"). Этим масштабированием мы визуально скомпенсировали дополнительное затухание, внесенное возмущенной средой. Поскольку большие отличия в амплитудах теперь не отвлекают внимание, становится лучше видно, что запаздывания одних и тех же волн относительно их же времен пробега при неработающем вибраторе постепенно возрастают с увеличением времени пробега. Это 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 заслуживающим внимания. Он указывает на то, что нелинейность диаграммы "напряжение - деформация" грунта, на которой основаны многие существующие модели нелинейных явлений /6/ (на фоне нелинейностей какой-то более сложной 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 /2/ мы уже отмечали этот последний эффект и теоретически объяснили его (в понятиях теории сигналов) несинфазностью амплитудной и фазовой модуляции. 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 Р-волны по фазам движения платформы на коротком луче при мягком (линейном) режиме работы вибратора.

Целью этого эксперимента была прямая проверка, не являются ли высшие гармоники движения платформы вибратора, то есть, составляющие с удвоенной, утроенной и т. д. частотой, причиной 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, то есть, чтобы возмущающее воздействие заведомо не содержало бы высших гармоник. Такой режим 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 колебаний накачки, просвечивающий луч было решено направить через область наиболее сильных деформаций. Акустический излучатель был уложен горизонтально и на глубине 0,8 м прижат домкратом к ближней к вибратору стенке ямы. Тем самым диаграмма направленности акустического источника по продольным волнам была ориентирована горизонтально, ближе к виброплатформе. Прием осуществлялся датчиком давления, размещенным в скважине на глубине 1 м с противоположной стороны платформы.

На рис. 5 показаны результаты этого эксперимента. В правой части рисунка представлена сейсмограмма, расщепленная по фазам движения платформы, в левой – результаты её анализа – вариации параметров прямой Р-волны. Одна самая верхняя трасса на сборке сейсмотрасс соответствует случаю неработающего вибратора («сейсмограмма покоя»). Трассы, помеченные цифрами 1-8, соответствуют 8 последовательным равноотстоящим фазам колебания платформы вибратора. Для удобства визуального восприятия периодичности вариаций «расщепленные» трассы повторены дважды, причем повторные трассы не являются копиями первых 8 трасс, а получены независимо из повторных зондирований, что попутно демонстрирует высокую повторяемость эксперимента. Кривые вариаций амплитуды и времени пробега, а также функция смещения платформы, приведенные на левом графике, позиционно соответствуют «расщепленным» трассам (ось абсцисс этого графика направлена вниз и отображает как текущее время за 2 периода "накачки", так и номер соответствующей фазовой позиции платформы вибратора).

Из графика вариаций видны следующие особенности. При пульсирующем динамическом нагружении среды средняя скорость Р-волны снижается, а её мгновенное значение варьирует синхронно с актами нагрузки-разгрузки, причем даже её максимальное значение, которое в этом эксперименте наблюдается в фазе максимального сжатия, не достигает «уровня покоя». Средняя амплитуда также снижается, а мгновенная содержит весьма интенсивную составляющую удвоенной частоты и по два локальных максимума и минимума. Максимумы наблюдаются в верхнем и нижнем положениях платформы, минимумы – в фазах максимальной виброскорости платформы.

Таким образом, несмотря на то, что динамическое воздействие по силе и смещению платформы имеет практически чисто синусоидальную форму, параметры среды меняются существенно несинусоидально. Это означает, либо что сама нелинейность среды (например, зависимость скорости от напряжения) нелинейна, либо что в процесс вмешиваются другие факторы. Разложение в ряд Фурье показывает наличие 2-й и 3-й гармоник в вариациях как амплитуды, так и времени пробега, причем фазы гармоник вариаций амплитуд и времен пробега одного и того же порядка – разные. Особенно заметны 2-е гармоники. Нам представляется более правдоподобным связать их появление с зависимостью параметров среды от квадрата (или модуля) скорости деформации.

Как уже отмечено выше, «перекос» боковых спектральных линий в бигармоническом эксперименте (см. рис. 4в) теория сигналов объясняет несинфазностью амплитудного и фазового модулирующего действия периодически нагружаемой среды на зондирующий акустический сигнал. С точки зрения механики реологической среды это может быть связано, например, с разными постоянными времени релаксации для скорости и поглощения упругих волн.

На сейсмограмме (рис. 5) можно заметить еще один примечательный эффект – разделение одного из волновых импульсов на два в фазе разгрузки и слияние их в фазе сжатия. Ниже мы остановимся на этом эффекте подробнее.

В экспериментах на более протяженных лучах, особенно, когда видимый волновой импульс представляет собой результат интерференции нескольких волн, наблюдаемая картина вариаций может заметно отличаться от приведенной на рис. 5. Однако несинфазность вариаций скорости и поглощения проявляется практически всегда. В качестве примера приведем результат еще одного эксперимента.

Эксперимент 4. Расщепление сейсмограммы акустической волны по фазам динамического нагружения в самой глубокой точке скважины 2 при жестком, форсированном режиме вибратора.

В этом эксперименте расстановка и режимы работы вибратора и акустического зонда были такими же, как и в экспериментах 1 и 2 (см. выше). Расщеплению подвергалась сейсмическая трасса, полученная датчиком на глубине 6 м (на профильной сборке на рис. 2 эта сейсмограмма представлена нижней трассой). На рис.6а показан результат расщепления этой сейсмограммы по 16 фазам нагрузки, а на рис. 66 – результат амплитудно-скоростного анализа расщепленных сейсмограмм по наиболее интенсивному волновому импульсу на 40-й мс. Амплитуда А акустической волны представлена в абсолютных условных единицах, время пробега – как отклонение Dt от абсолютного номинального времени в мс. Кроме того, на графике показана функция В вибросмещения платформы, которая в отличие от предыдущего эксперимента заметно отличается от синусоиды. На этом графике хорошо видно, что амплитуда и скорость, достигают максимума хотя и вблизи фазы максимального сжатия грунта, но не одновременно. Амплитуда отстает от скорости как в фазе сжатия, так при достижении локального экстремума в фазе разгрузки. Этот факт подтверждает ранее отмеченное нами в работе /2/ различие постоянных времени релаксации скорости и поглощения, которое наблюдалось в статике после остановки вибратора: скорость состояния покоя восстанавливалась значительно быстрее, чем прозрачность среды.

Форма вариации времени пробега (наличие интенсивной 2-й гармоники) наводит на предположение о значительном понижающем влиянии на скорость упругих волн в рыхлой среде типа суглинка модуля скорости деформации. Отметим, что эффект резкого снижения скорости волны в момент начала разрушения суглинка был зарегистрирован в модельных экспериментах, описанных в статье /7/, что вполне согласуется с нашим предположением.

На основе полученных экспериментальных данных возможная упрощенная феноменологическая модель динамической (во времени) зависимости скорости волны от мгновенной динамической деформации может иметь вид

,

где – скорость волны в невозмущенной среде, – мгновенная скорость динамической деформации, средний по времени модуль скорости деформации, а0, а1, а2 – положительные постоянные.

Здесь а0 определяется нелинейностью статической характеристики "деформация - напряжение" и имеет физический смысл общепринятого параметра нелинейности /4 - 6/. Коэффициент а1 определяет относительный уровень мгновенных вариаций скорости, а2 определяет снижение средней скорости. Разумеется, надо иметь в виду, что отрицательному значению соответствует сжатие среды. Поэтому при максимальном сжатии мгновенная скорость упругих волн согласно этой формуле будет максимальна. В действительности, наблюдается некоторое смещение максимума, обусловленное релаксацией. Предполагается также, что максимальное значение суммы всех переменных слагаемых, зависящих от динамической деформации, много меньше 1. В экспериментах наибольший вес (около 0,05) имело слагаемое с коэффициентом а2, зависящее от среднего значения модуля скорости деформации, и определяющее изменение средней скорости упругих волн.

Эксперимент 5. Обнаружение неустойчивых акустических (сейсмических) границ.

Выше, на сборке расщепленных сейсмограмм на рис. 5 мы обратили внимание на периодическое раздвоение и слияние одного из волновых импульсов. На рис. 6а помимо достаточно устойчивых волновых импульсов, по которым проводился анализ вариаций, можно заметить более сильно изменяющуюся от одной фазы нагрузки к другой 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, подобная 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 (также горизонтально) 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 на верхней трассе, соответствующей разгрузке среды. Поскольку по соседству с этой слабой волной, кроме волны первого вступления, нет других, более интенсивных, волн, ее поведение нельзя объяснить интерференцией. К сожалению, траекторию луча, породившего эту волну, нам не удалось установить достоверно, поскольку волновое поле на вертикальном разрезе (см. рис. 2) изучалось при вертикальной ориентации излучателя и датчиков давления, нечувствительным к поперечным волнам. Возможно, это обменная волна на сравнительно глубокой 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

1. Предложен, разработан и успешно испытан новый эффективный метод исследования динамически возмущенной среды in situ, основанный на искусственном пульсирующем нагружении среды колебаниями мощного низкочастотного вибратора с одновременным высокочастотным акустическим просвечиванием изучаемого массива. Метод позволяет проанализировать изменения параметров среды (скорости и поглощения) не только в среднем, но и в разных мгновенных фазах динамической нагрузки.

2. С помощью этого метода экспериментально показано, что состояние среды при пульсирующей динамической нагрузке (по крайней мере, для рыхлой среды типа суглинка) не является усреднением 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. 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 отсутствие последнего.

3. В процессе периодической динамической деформации среды скорости и поглощение меняются по величине хотя и синхронно с внешней нагрузкой (причиной деформации), но несинфазно относительно друг друга, что свидетельствует о разных постоянных времени релаксации этих двух параметров. Как правило, скорость волны реагирует на изменение напряженного состояния быстрее, чем поглощение. Вместе с тем, поглощение значительно (на порядок) более чувствительно к динамической нагрузке, чем скорость.

4. На мгновенные вариации скорости упругих волн и их поглощения в рыхлой среде, подвергаемой пульсирующей деформации, помимо самой деформации, существенное понижающее влияние оказывает абсолютная величина скорости этой деформации, независимо от знака, что, в частности, и вызывает появление интенсивных высших гармоник в вариациях указанных параметров.

5. Обнаружено явление повышенной чувствительности некоторых слабых сейсмических границ к присутствию динамического возмущения среды, которое мы предлагаем назвать условно "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 , , . Постоянная поддержка, заинтересованное обсуждение и конструктивные замечания академика способствовали улучшению работы.

Работа выполнялась при поддержке РФФИ, гранты , ,

ЛИТЕРАТУРА

1. Об особенностях нелинейного взаимодействия поверхностного сейсмического виброисточника с грунтом. "Геология и геофизика", 1994, т.35, № 5, с. 161-166.

2. , , Астафьев исследование нелинейных и реологических явлений в ближней зоне сейсмического вибратора. "Геология и геофизика", 1996, т.37, № 9, с. 156-165.

3. , , Маньковский оценка нелинейных упругих параметров сухой и флюидонасыщенной пористой среды. Геология и геофизика, т.40, №3, 1999, с 457-464.

4. , Кузнецов физико-механических свойств рыхлого грунта под плитой вибратора // Исследование Земли невзрывными сейсмическими источниками. Ред. , . М: Наука, 1981, С.267-272.

5. , Ковальская источник в задачах сейсмического микрорайонирования. //Вопросы инженерной сейсмологии. Вып. 30, 1984, с.90-94.

6. , О возможности использования нелинейных сейсмических эффектов в задачах вибрационного просвечивания Земли. // Исследование Земли невзрывными сейсмическими источниками. Ред. , . М.: Наука, 1981. С. 144-155.

7. , , Полозов акустических волн в грунтах в условиях изменяющегося сдвигового напряжения (вплоть до разрушения образцов) // Физическая мезомеханика, 1999, Т.2, № 6, С. 105-113.