авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН

Содержание

Геоакустика

УДК 622.831:542:34

А.С. Вознесенский, В.А. Свиридов, Э.А. Эртуганова

СЕЙСМИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ ЦЕЛИКОВ И КРОВЛИ

НА РУДНИКЕ С КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМОЙ РАЗРАБОТКИ

Московский государственный горный университет ГОУ ВПО Россия, 119991, Москва, Ленинский проспект, 6 Тел.: (495) 236-95-93;

факс: (495) 237-31-63 E-mail: ftkp@mail.ru Рассмотрены результаты компьютерного моделирования сейсмических событий в руднике.Использована двухмернаямодель массива пород, вмещающего очистную панель наруднике Жезказганского месторождения. В качестве источников сейсмических событий рассмотрены: выкол горной породы из стенки целика-столба, трещина в кровле, разрушение горизонтального слоя горной породы в целике. Показаны характерные особен ности распространения упругих волн, что может быть использовано для установления типа источника сейс мических волн. Приведены расчёты характеристик системы сейсмического мониторинга объекта.

ВВЕДЕНИЕ В последнеевремя обсуждается возможность отработкицеликов на Жезказганском месторождении меди с целью добычи из них полезного ископаемого. В связи с этим приобретают актуальностьзадачи сейсмического мониторинга массива пород, расчёт параметров и конфигурации системыдля его осущест вления, разработка методов идентификации типа источников сейсмических событий, а также методиче ского обеспечения для своевременного обнаружения аварийных и предаварийных ситуаций. В данной ра боте эти задачирешались с использованием компьютерного моделирования.

1. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ Для компьютерного эксперимента были созданы три модели с разными типами предполагаемых разрушений в конструктивных элементах систем разработки: выкол в стенке целика, трещина в кровле, разрушение слоя горных пород в целике-столбе. Все модели схожи между собой за исключением вышепе речисленных дефектов. Для расчетовиспользуется двумернаямодельмассива пород, включающего очист ную панель, как показано на рисунке 1.Данная модель имеет следующие параметры: мощность модели руемого пространства по вертикали – 1000 м;

простирание по горизонтали – 1600 м. Компьютерная мо дель состоит из 4 горизонтальных слоёв горных пород. На глубине 415 метров симметрично и на расстоя нии 6 метров друг от друга расположено 10 камер, разделенных целиками. Высота выработок составляет 20 м, ширина 14 м, ширина целиков 6 м. Параметры внесённых дефектов: выкол – симметричный с двух сторон целика,в наибольшей точке его ширина достигает 12 см;

трещина – расположена горизонтально, в кровле выработки, имеет длину 2 м, ширину раскрытия 2 см;

разрушающийся слой расположен в цен тральном целике-столбе посередине, мощность слоя составляет 10 см, разрушение моделируется потерей его упругости на 1 порядок.

y, Выработанное пространст Линии контакта горных пород Размер конечного элемента (переменная величина) xм Рис.1.Компьютерная модель выработок в массиве пород XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Так как компьютерная модель имеет конечные размеры, то сейсмические волны могут отражаться от границ модели и создавать шумы. Для решения этой проблемы были внесены дополнительные пара метры компьютерной модели. Вблизи границ массива горных пород был введён увеличивающийся по экспоненте коэффициент затухания. Таким образом, сейсмические волны затухали вблизи границ модели, не создавая помех для полезного сигнала.

Моделирование производилось в три стадии. Первая – расчёт статического напряжения. Вторая – внесение дефектов. Третья – расчёт параметров упругих волн распространяющихся от возникших дефек тов[1]при сохранении результатов расчета первой стадии в качестве начальных условий. Вычисления про изведены методом конечных элементов. Расчет распространения упругих волн производился с использо ванием волнового уравнения 2u (cu ) = F, t где u – вектор перемещений;

F – вектор внешних сил;

c – вектор коэффициентов, характеризующий свой ства материала, определяемый на основании законов упругости.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ СИГНАЛОВ И ИХ СПЕКТРОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ТРЁХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ДЕФЕКТОВ В МАССИВЕ ПОРОД Расчеты производились в средеCOMSOL Multiphysicsver. 3.5a [2].

Целью моделирования было установление закономерностей затухания упругих волн с расстояни ем, а также изменения их спектров в различных точках массива горных пород. Анализ производился на основании обработки временных форм сейсмосигналов в наблюдаемых точках массива. На рисунке 2 по казаны сейсмограммы, полученные в точках массива на удалении 200 и 600 м от источника сигнала – раз рушения слоя горной породы в целике.

Сигнал на удалении 200 м обладает меньшей задержкой и большей амплитудой, чем сигнал на удалении 600 м от источника. Такие результаты полностью соответствуют теории и могут свидетельство вать о корректности расчётов.

Затухание сигналов, распро страняющихся от выкола и трещины, показывает схожие закономерности.

Коэффициент затухания практически 200 м от источника не отличается для горной породы вмещающей выработки (а значит и источник сигнала), вышележащего слоя горной породы и линии контакта между ними. Однако когда источни ком сигнала служит разрушение слоя (этот источник обладает меньшей энергетикой в данном конкретном случае), то наблюдается некоторая разница коэффициентов затухания 600 м от источника при распространения волн в различ ных слоях. Наименьшее затухание наблюдается в слое горных пород, вмещающем выработки, незначитель Рис. 2. Временные формы сейсмосигналов но большим затуханием обладает ли ния контакта горной породы вме щающей выработки с вышележащим слоем горной породы.

На основании анализа затухания сигналовпо результатам расчетов в компьютерной модели можно сделать вывод о целесообразности размещения сети сейсмических датчиков в слое горных пород, вме щающем горные выработки, а также в зоне контакта слоя горных пород, вмещающего выработки, с выше лежащим слоем.

В качестве следующейставилась задача анализа спектров сигнала в различных точках массива горных пород.Был произведён анализ спектров вертикальной и горизонтальной составляющихсейсмиче ских сигналов. Из рисунка 3 (а, б) видно, что вертикальная составляющая скорости распространения упру гих колебаний является более информативной для различия сигналов по типу источника, так как сигналы в данном диапазоне обладают более выраженными характерными особенностями. Закономерности рас XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика пределения спектров в различных точках массива пород показывают достаточно высокую сходимость ре зультатов для сигналов, распространяющихся от выкола в целике и трещины в кровле. Сигналы, возни кающие при разрушении слоя горных пород, имеют значительное смещение спектра в область более вы соких частот по сравнению с предыдущим случаем.Кроме того они имеют два ярко выраженных спек тральных максимума против одного максимума, характерного для выкола и трещины. Таким образом, 1 0.1 0. 1 2 0.01 0.01 а) б) 3 110 3 110 1 10 100 1 10 1 0.1 0. 0. 0.01 в) г) 110 1 10 1 10 Рис. 3.Закономерности распределения спектра сигналов, имеющих различные источники возниковения: – выкол в стенке целика, 2 – разрушение слоя в целике, 3 – трещина в кровле;

а) вертикальная составляю щая колебательной скорости в точке с координатами y= -400 м, x= 400 м;

б) горизонтальная составляющая колебательной скорости в точке с координатами y= -400 м, x= 400 м;

в) вертикальная составляющая коле бательной скорости. Поверхность, непосредственно над источником;

г) вертикальная составляющая коле бательной скорости. Поверхность, 400 м от источника по горизонтали частотные особенности распространения сигналов позволяют отличить упругиеколебания, вызванные внезапнымразрушением слоя горных пород, от колебаний, вызванных возникновением трещины или вы кола, благодаря особенностям форм спектров сигналов.

В численном выражении спектральный максимум для сигналов, распространяющихся от выкола и трещины, приходится на диапазон частот от 2 до 15 Гц для вертикальной составляющей упругих колеба XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика ний. Для сигналов, распространяющихся от разрушения слоя, такой диапазон находится между 20 и Гц. Таким образом, рекомендуемый частотный диапазон чувствительности для сейсмодатчиков – от 2 до 110-120 Гц.

При регистрации сейсмосигналов следует учитывать также действие сейсмошумов (микросейсми ки), которые условно можно разделить на две характерные группы [3, 4]: 1) помехи в области частот 0,1 – 1 Гц;

2) высокочастотные микросейсмы от 1 Гц до 20 Гц и выше. Сюда могут входить индустриальные и транспортные шумы, ветровые помехи, помехи от горных рек и от колебаний воды в озерах, от морского прибоя и т. д. При этом заглубление сейсмоприемника на глубину до 200 м дает выигрыш в отношении сигнал/шум в десятки раз. По результатам отдельных наблюдений, изложенных, в частности, в [5], на глу бинах 600-800 м влияние мешающих факторов с «дневной поверхности» практически не ощущается. По этому для надежной регистрации сейсмосигналов, вызванных изменениями напряженно деформированного состояния массива пород, обрушениями кровли,возникновениями трещин и прочих дефектов рекомендуется размещать сейсмоприемники на глубинах порядка 400 м и по возможности в зоне контакта горных пород.

ВЫВОДЫ 1. Разработанная компьютерная 4-слойная модель массива пород, включающего очистную выра ботку на Жезказганскомместорождении, позволила исследовать основные закономерности распростране ния упругих волн в геосреде, а также идентифицировать сигналы, распространяющиеся от различных ти пов источников.

2 Установлено, что наиболее целесообразным является размещение сейсмодатчиков в слое горных пород вмещающем выработку, а также на контакте этого слоя с вышележащим, что обеспечивает мини мальное затухание при распространении сигнала. Кроме того рекомендуется размещение датчиков на по верхности над возможным источником.

3 Для регистрации сейсмосигналов наиболее приемлемой является полоса частот от 1 Гц до 120 150 Гц, причем для надежной работы и повышения точности определения координат сейсмособытия верхняя граница должна быть увеличена в 2-3 раза.

4. Рекомендуемая ориентация сейсмоприемника – вертикальная, что обеспечивает максимальную информативность при определении типа источника по спектрам регистрируемых сигналов.

ЛИТЕРАТУРА Вознесенский А.С., Эртуганова Э.А., Свиридов В.А. Моделирование сейсмических волн в массиве пород, вмещающем 1.

подземные хранилища газа // Сборник трудов Научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.В.Римского-Корсакова. – М.: ГЕОС, 2010, 131 с.

2. COMSOL Multiphysics ver. 3.5a. Lic. 1062774.

Монахов Ф. И. Низкочастотный шум Земли. М.:Наука, 1977, 95 с.

3.

Абрамов О. К., Безуглов В. М. Помехоустойчивые измерения слабых сейсмических сигналов // Вестник РГРТУ. Вып.

4.

23, Рязань, 2008.

Аксенович Г. И. и др.Изучение закономерностей убывания фона сейсмических помех с глубиной в городах Алма-Ата и 5.

Ташкент // Изв. АН СССР, Физика Земли, 1972, №11.

УДК 622.831:542: Е.А. Вознесенский, И.В. Шнарский ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТНОГО АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ КРОВЛИ НАНОВОМО СКОВСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ ГИПСА МЕТОДАМИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО СПЕК ТРАЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Россия, 119991 Москва, ул. Ленинский проспект, д. Тел.: (495) 236-95-93;

Факс: (495) 237-31-63;

E-mail: ftkp@mail.ru В статье рассмотрены особенности метода акустического контроля анкерного крепления кровли горных выработок, технические характеристики прибора «Анкер-Тест» для его реализации, а также результаты проверки работоспособно сти метода и прибора на шахте Новомосковского месторождения гипса.

Поддержание устойчивости кровли горных выработок является одной из приоритетных задач при кладной геомеханики. Для решения этой задачи привлекаются самые различные методы управления со стоянием приконтурного массива и технические средства для их реализации, среди которых значительное место занимают анкерные крепи. Они получают все большее распространение благодаря сравнительно простой конструкции установки, экономичности, многообразию конструктивных решений и характери стик, позволяющих учесть конкретные особенности укрепляемого массива горных пород.

Важнейшими требованиями для безотказной работы анкерной крепи являются достаточно высокая XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика прочность ее сцепления с массивом пород и натяжение при возникновении расслоений в области массива, пересекаемой анкером. Невыполнение этих требований приводит к потере несущей способности анкеров, которая может происходить как мгновенно, так и постепенно, а в ряде случаев и без каких-либо внешних проявлений. Отмеченное обусловливает необходимость контроля качества анкерной крепи.

Основной способ такого контроля, реализуемый в настоящее время, предполагает выборочное вы дергивание анкеров, что приводит к разрушению крепи, а в ряде случаев и к обрушению кровли. Кроме того, выборочный контроль в условиях характерной для массива неоднородности свойств и состояния принципиально не может обеспечить требуемую надежность соответствующих оценок. Этим обусловлена необходимость разработки методов и технических средств неразрушающего контроля, которые позволили бы обнаруживать дефектные, т. е. не выполняющие своих функций анкеры, что дало бы возможность своевременно принимать меры по поддержанию устойчивости приконтурного массива и исключить ката строфические последствия потери указанной устойчивости. Такие методы и технические средства должны учитывать особенности геомеханического состояния укрепляемого массива и современное состояние из мерительных и информационных технологий.

Среди методов контроля анкерной крепи наиболее перспективным представляется акустический метод, базирующийся на спектральном анализе ее вибрационного отклика на ударное воздействие.

Ряд работ посвящен обоснованию и разработке прибора контроля «Анкер-Тест», в котором реали зован указанный принцип контроля.

Таблица 1. Технические характеристики прибора контроля «Анкер-Тест»

№ Наименование параметров Раз- Номинальные п/ мерность значения параметров п Число каналов регистрации шт.

1 2* Диапазон регистрируемых частот - минимальная частота Гц - максимальная частота Гц Максимальное регистрируемое ускорение - режим 1 В/(м/с2) 0, - режим 2 В/(м/с2) 0, Частота дискретизации сигналов при регистрации Гц 4 Объем памяти регистратора МБ 5 Максимальные габаритные размеры прибора мм 550х70х Электропитание:

- Прибор «Анкер-Тест» (1 элемент типа АА) В 1,2…1, - Регистратор (1 элемент типа ААА) В 1,2…1, Минимальное время работы от одного комплекта питания:

- прибор «Анкер-Тест» ч - регистратор ч Рабочая температура окружающей среды:

о - минимальная С о - максимальная С Степень защиты Прибора 10 IP *канал регистрации осевых вибраций – основной, канал регистрации поперечных вибраций – вспомогательный.

В настоящей статье приведены результаты испытаний такого устройства в натурных условиях.

Натурные испытания опытного образца прибора «Анкер-Тест» проводились на шахте №1 ООО «КНАУФ ГИПС НОВОМОСКОВСК» в кровле 9-го вентиляционно-транспортного штрека (сбойки 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6) панели 29 (анкерная крепь длиной 2,0 м, 50 шт.) и в Восточном квершлаге №3, пикеты 197-199 (анкерная крепь длиной 1,2 м, 51 шт.).

Осмотр установленных в кровле анкеров позволил разделить их на три группы, описание которых представлено в табл. 2.

При натурных испытаниях прибора «Анкер-Тест» особо выделялись анкеры соответствующие третьей категории. Они могли быть определены оператором без применения прибора, но показания с них снимались. Анкеры, которые не могли быть сдвинуты рукой, относились к первой и второй категориям.

Таким образом, анкеры, которые могли быть сдвинуты рукой, относились к третьей группе, а результатом распознавания по показаниям прибора остальных являлось отнесение оставшихся анкеров к одной из двух групп – натянутых или ослабленных. Анкеры, показания с которых при обработке были схожи с показа ниями анкеров третьей группы, но не сдвигались при силовом воздействии оператором, были отнесены ко второй группе и рекомендованы для дополнительного обследования.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика A,усл.ед.

A A 10 0.1 F2 F 3 110 F,Гц 10 1.Примеры типичных спектров для натянутых (1) и ослабленных (2) анкеров, а также амплитуды (A1, A2) и частоты (F1, F2) соответствующих спектральных максимумов Amax, усл.ед.

Слабые Ослабленные Натянутые Натянутые 20 3,,28 10 4 18, Гц 400 600 800 1000 1200 1400 Fmax Рис. 2. Диаграмма распределения результатов тестирования 51 анкера длиной 2,0 м, установленных в кровле 9-го вентиляционно-транспортного штрека (сбойки 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 50 шт.) панели 29;

косыми кре стиками показаны точки, характеризующие анкера 11, 26, 46 после их затяжки XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Таблица 2. Состояния крепления анкеров в кровле Состояние крепления Внешние проявления Виды нарушения Методы контроля Гайка анкера затянута, анкер на- При силовом воздействии рукой на Отсутствуют тянут в достаточной степени выступающий конец нет смещения выступающего конца анкера Инструментальные с по мощью приборов Гайка анкера затянута, анкер на- При воздействии рукой нет смеще- Скрытые, воз тянут не в достаточной степени ния выступающего конца анкера можно наруше ние в замке Гайка анкера затянута не в доста- При силовом воздействии рукой Открытые, воз- Оператором при силовом точной степени либо не затянута, есть смещение выступающего конца можно наруше- воздействии на высту анкер натянут не в достаточной анкера ние в замке пающий конец анкера степени либо не натянут Принцип распознавания ослабленных и натянутых анкеров основан на измерении частоты и ам плитуды спектральных максимумов. На рис. 1 показаны примеры таких спектров, а также обозначены частоты F1, F2 и амплитуды A1, A2 для натянутого (1) и ослабленного (2) анкеров соответственно. Первой группе соответствуют более высокие частоты и большие амплитуды по сравнению с анкерами второй группы. Эти признаки используются для распознавания натянутых и ослабленных анкеров в соответствии с табл. 2.

На этом принципе построена методика применения прибора «Анкер-Тест» на новых объектах.

Суть этой методики заключается в том, что при обследовании необходимого по производственным требо ваниям количества анкеров выделяются заведомо ослабленные, концы которых могут быть сдвинуты в сторону рукой. Затем строится диаграмма в координатах частота Fmax – амплитуда Amax спектрального максимума, на которой проводится прямая, отделяющая область ослабленных анкеров от других. Если в эту область попадают анкеры, считавшиеся до этого натянутыми, то они обследуются дополнительно дру гими методами, например, с помощью измерения усилия выдергивания.

На рис. 2 представлены результаты обследования 51 анкера длиной 2,0 м, использующего изло женный выше принцип. Данные по каждому анкеру построены в координатах частота Fmax – амплитуда Amax спектрального максимума. Квадратами показаны данные, соответствующие натянутым анкерам, ром бами – ослабленным. Ослабленные анкеры, отмеченные ромбами, определялись путем сдвижки высту пающих концов рукой. Некоторые из них сдвигались свободно, а некоторые лишь при значительном уси лии. Те, которые не сдвигались даже при сильном воздействии, отмечены квадратами. В то же время уси лие натяжения таких анкеров может меняться в значительных пределах и среди них могут быть недоста точно натянутые анкеры.

На диаграмме рисунка 1 проведена линия CD, которая разделяет всю плоскость на две части.

Верхняя часть, обозначенная цифрой 1, соответствует хорошо натянутым анкерам с большой амплитудой сигнала и высокими значениями частоты спектрального максимума. Нижняя часть обозначена цифрой 2.

Она соответствует ослабленным анкерам. Линия CD проведена таким образом, что все точки с явно ос лабленными анкерами (группа 3 по таблице 2) оказались ниже нее. Это анкеры с номерами 1, 2, 4, 5, 6, 7, 9, 13, 14, 19, 23, 28, 29, 33, 41, 43, 50. В то же время в этой области оказались и анкеры 11, 25, 26, 30, 46, которые при попытке сдвинуть их рукой оставались на месте, т. е. были закреплены достаточно хорошо.

Они относятся ко второй группе. Эти анкеры могут быть натянуты не в достаточной степени и требуют дополнительной проверки, например, с помощью измерения усилия выдергивания.

В данном случае, как и при лабораторных испытаниях прибора «Анкер-Тест», применена методика распознавания, относящаяся к той группе, когда известна информация о спектрах откликов, соответст вующих качественным и дефектным анкерам.

По результатам распознавания были затянуты ослабленные анкера и также проверены на выдерги вание прибором ПА-1 анкера с номерами 11, 26, 46. Повторная проверка показала, что характеризующие их точки на диаграмме переместились в область 1, соответствующую качественным анкерам. Т. е. провер ка этих анкеров как одним, так и другим методами показала их работоспособность и выполнение необхо димых функций.

Таким образом, совпадение результатов тестирования анкерного крепления акустическим методом и метода выдергивания анкеров подтвердило работоспособность первого.

ВЫВОДЫ Экспериментальная проверка акустического метода контроля анкерного крепления и аппаратуры «Анкер-Тест» для его реализации показала их работоспособность в производственных условиях. Данный метод и аппаратура позволяют выявлять ослабленные анкера, а после их затяжки – качество сцепления с массивом при меньшей трудоемкости измерений.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика ЛИТЕРАТУРА Вознесенский Е. А. Контроль штанговой крепи импакт-методом // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 1.

2006. – № 4. – С. 111–115.

Захаров В. Н., Палкин А. Б., Вознесенский Е. А. Диагностика анкерной крепи методами спектрального анализа // Гор 2.

ный информационно-аналитический бюллетень. – 2008. – № 1. – С. 174–177.

Вознесенский Е. А. Установление закономерностей импакт-отклика анкерной крепи горных пород с помощью физиче 3.

ского моделирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2010. – № 2. – С. 147-153.

Шкуратник В.Л., Вознесенский Е. А. Компьютерное моделирование акустического отклика анкерной крепи на ударное 4.

воздействие // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011. – № 1. – С. 149–158.

УДК 622. А.В.Гладилин, С.В.Егерев, О.Б.Овчинников, В.П.Юшин ЛОКАЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ АНИЗОТРОПИИ ПОРОД ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ СКОРОСТИ ЗВУКА НА СТЕНКЕ СКВАЖИНЫ ФГУП «Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева»

Россия, 117036 Москва, ул. Шверника, д. Тел.: (495) 126-9063;

Факс: (495) 126- E-mail: gladilin@akin.ru;

segerev@gmail.com Экспериментально моделируется лазерно-акустический метод диагностики механических параметров осадочных пород при бурении на нефть и газ непосредственно в зоне бурения. Метод основан на лазерном возбуждении звукового импульса на стенке модельной скважины в вариантах изотропного и анизотропного образцов и измерении времени распространения следа объемной волны сжатия (P-волны) по различным траекториям на поверхности стенки.

Введение Учет сейсмической анизотропии очень важен при исследовании нефтяных и газовых резервуаров.

Параметры анизотропии важны не только для улучшения качества визуализации резервуаров, но и для более точной интерпретации данных сейсмического зондирования, равно как и для разработки новых ал горитмов обработки данных. Так, при восстановлении картины сейсмического зондирования среда пред полагается изотропной в отношении сейсмических волн. На самом деле, это справедливо не всегда. Слои стые осадочные породы обладают анизотропией, которая препятствует точному восстановлению данных сейсмопрофилирования. В последние годы, в связи с интересом к сланцевым залежам углеводородов, проблема подавления погрешностей диагностики, вносимых анизотропией, обострилась (относительное изменение скорости звука в этих породах при распространении вдоль и поперек напластования достигает 20%). В связи с этим нефтегазовая промышленность нуждается в получении локальных данных по анизо тропии. Такие данные, например, можно получить при измерениях на скважине [1]. Наибольший интерес представляют параметры анизотропии, определяющие распространение волны сжатия (P-волны). Анизо тропия P-волны проявляется в изменении скорости распространения волны сжатия с изменением направ ления ее распространения в формации. Это является результатом совместного действия слоистого харак тера осадочных пород и внутренней анизотропии пород.

В вертикальной скважине методы традиционного акустического каротажа дают вертикальную компоненту скорости P-волны. Соответственно, в горизонтальной скважине этими же методами можно получить горизонтальную компоненту. Необходим метод локального мониторинга скорости распростра нения в функции направления распространения волны сжатия в формациях. В качестве основы метода можно предложить измерения на внутренней стенке скважины. Локальный мониторинг анизотропии ока зывается более точным, чем дистанционное зондирование, но также и более трудоемким. Например, за частую предполагается последовательная выемка керна с последующими измерениями в лаборатории.

В настоящее время применение «внутрискважинных» устройств, оценивающих анизотропию ско рости звука в породах insitu, слагающих стенки скважины, ограничены двумя случаями: (а) кросс дипольное акустическое зондирование для измерения азимутальной анизотропии сдвиговых волн (так на зываемая S-анизотропия) и (б) инверсия волн Стоунли для оценки отношения анизотропии сдвиговых волн по оси скважины и в радиальном направлении.

Успехи в этих направлениях достигнуты, но эксперты, все-таки более заинтересованы в оценке P анизотропии. В этом направлении сложились несколько направлений исследований [2]: (а) измерение ско рости распространения звука по различным траекториям в стенках скважины;

(б) направленное акустиче ское сканирование;

(в) акустическое профилирование, основанное на диагностике отражений.

Для моделирования анизотропии реальных пород разработана концепция TI-анизотропии. Аббре виатура TI (transverseanistropy) характеризует осесимметричную конфигурацию (свойства среды меняются вдоль оси симметрии, но не изменяются при перемещении точки наблюдения в плоскости, перпендику XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика лярной оси. Продольные волны и два вида сдвиговых волн (S-волны), поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, составляют три типа волн, распространяющихся по искривленным траек ториям в анизотропных породах.

Для измерения скорости распространения звуковых волн по траекториям в стенках скважины до сих пор прорабатывалось использование широкополосных пьезокерамических источников, возбуждаю щих звуковой импульс. Метод имеет ограничения. Если апертура источника по порядку величины не мала по сравнению с длиной траектории пробега импульса, то ожидаются существенные погрешности в опре делении скорости звука в том или ином направлении. Для решения такой задачи оказался перспективен лазерно-акустический метод.

Лазерно-акустические методы в горном деле Лазерно-акустические методы в горном деле, петрофизике и геофизике получили развитие в по следние годы. С использованием лазерно-акустического источника проводилась оценка размеров мине ральных зерен методом лазерной ультразвуковой спектроскопии, оценка пористости, структурной анизо тропии, выполнялись исследования структуры, свойств и состояния геоматериалов (см. монографию [3] и библиографию к ней).Возникает вопрос о возможности оценить параметры звуковой волны, возбуждае мой лазерным импульсом.

При лазерном воздействии в приповерхностном слое твердого тела возникает т.н. лазерно акустический источник. Такой источник возбуждает одновременно импульсы продольных, сдвиговых и поверхностных волн. Теоретические оценки поля в геоматериалах зачастую опираются на аналогии с хо рошо изученным лазерно-акустическим преобразованиемв металлах[4]. При малых плотностях энергии основным механизмом звукообразования выступает объемное тепловое расширение малого элемента при лежащего к поверхности геоматериала (термоупругий режим). Для описания сопутствующих возмущений в материале используют приближение точечного источника [3,5].При использовании лазерных импульсов длительностью в десятки наносекунд с достаточно широким пространственным распределением интен сивности P-волна в объеме геоматериала представляет биполярные импульсы. Импульсы имеют длитель ность менее 100 нс и амплитуду давления в ближнем поле излучения до 10 МПа. Если плотность энергии лазерного импульса превышает порог плавления материала, на поверхность материала воздействует на правленная по нормали сила отдачи вылетающих паров (абляционный режим). Давление, оказываемое на поверхность, может достигать 100 МПа [6]. Поле в геоматериале в общем случае представляет суперпо зицию термоупругого и абляционного источников.

Рис. 1. К иллюстрации измерений. А – схема скважины, 1- траектория моды окружности, 2 – геликоидальная траектория, 3 – траектория образующей. Б – пьезоприемник поверхностных возмущений. В – расположение источника и приемника на поверхности скважины (два варианта) XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Если P- и S-волны в объеме материала при такой суперпозиции в ряде случаев удается описать аналитически, то для анализа поверхностных возмущений приходится применять численные методы [7].

В данной работе экспериментально моделируется лазерно-акустический метод диагностики меха нических параметров осадочных пород при бурении на нефть и газ непосредственно в зоне бурения. Ме тод основан на лазерном возбуждении звукового импульса на стенках породы и измерении времени его распространения по различным траекториям на поверхности стенки. Траектории на стенке скважины, вы ходящие из точки точка фокусировки лазерного излучения на стенке (звездочка), показаны на Рис.1, а.

Кружки – точки последовательной фиксации датчика поверхностных возмущений.

Экспериментальная установка Для генерации звука в образцах использовалось излучение импульсного Nd:YAGлазераQuantelBrilliant с длиной волны 0,53 мкм при нормальном падении на поверхность образца и фокусировке в пятно радиусом 1 мм. Длительность лазерного импульса 30 нс, энергия мДж.Регистрация поверхностных возмущений проводилась с помощью широкополосного пьезоприемни ка(в полосе частот до 1 МГц). Пьезоприемникпоказан на рис. 1,б. Здесь 4 – изоляция, 5 - латунная оболоч ка, 6 - латунная пластинка, припаянная к оболочке, 7 –круглая пьезокерамическая пластинка (чувстви тельный элемент) диаметром 5 мм, толщиной 1 мм, 8 - медный сердечник-демпфер, согласующийся с пье зопластинкой.

На рис. 1в схематически показана работа приемника. Здесь 9 – вариант «лазерный источник - пье зоприемник», 10 - вариант «пьезоизлучатель - пьезоприемник» (использовался в подготовительных тес тах). С выхода приемника сигнал подавался на широкополосный усилитель и далее на АЦП плату с часто той дискретизации 10 МГц. В ходе приема сигнала происходило его накопление по 10 реализациям и со хранение в data-file.

Рис. 2. А – фотография скважины керна из глинистого сланца (месторождение «Mancos», США, образец лю безно предоставлен компанией BakerHughes, Inc). Б – анизотропная лабораторная модель из текстолита На рис. 2а показана внутренняя поверхность типичного природного керна. Хорошо видна слои стая структура осадочных пород видна на поверхности скважины керна в плоскости, перпендикулярной ее оси. Эту особенность породы воспроизводила одна из лабораторных моделей (рис. 2,б). Модель из анизо тропного слоистого материала – текстолита - представляла параллелепипед высотой 21 см, шириной и длиной основания 30 см и 35 см соответственно. На боковой поверхности параллелепипеда был отфрезе рована «полускважина» диаметром 16 см вдоль длинной стороны. Ось скважины, таким образом, была ориентирована перпендикулярно слоям текстуры. Также была выполнена идентичная в геометрическом отношении изотропная модель (органическое стекло). Для подготовительных тестов были изготовлены различные вспомогательные модели кубической формы. Скорости распространения P-волн в материале моделей были известны из «просветных» измерений на вырезанных кубических образцах.

На поверхность «полускважин» моделейбыла нанесена сетка с шагом 1 см. Узлы сетки являлись последовательными мишенями для фокусировки импульса или для последовательной фиксации пьезопри емника. Погрешность позиционирования лазерного пятна на поверхности мишени была достаточно высо кой для акустических экспериментов (±0,1 см). Узлы сетки покрывались поглощающим черным лаком.

Таким образом, генерация звука носила поверхностный характер, и параметры возбуждаемого поля не зависели от оптических свойств той или иной модели.

Результаты и обсуждение Лазерный импульс, облучающий твердое полупространство, возбуждает импульс объемной волны XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика и цуг поверхностных возмущений. Наиболее быстро по поверхности движется предвестник, представ ляющий след объемной волны сжатия, за ним идут сдвиговая волна и поверхностная рэлеевская волна. В данном эксперименте нас более всего интересует именно предвестник. Скорость предвестника несколько меньше скорости P-волны в объеме материала (имеется аналогия с распространением звука в волноводе, в котором одна из границ – свободная). Также, на скорость предвестника оказывает влияние кривизна по верхности. В целом, имеется четкое соответствие скорости предвестника и скорости объемной P-волны.

Представления о поверхностных возмущениях, сопровождающих импульсное лазерное воздействие на твердое полупространство, становятся наглядными из рассмотрения осциллограммы рис. 3а. В ходе пред варительного эксперимента облучалась поверхность алюминиевого куба размером 10х10х10 см. Здесь стрелка 1 отмечает время прибытия предвестника, стрелка 2 отмечает прибытие сдвиговой волны и нало жившейсяна нее рэлеевской волны большей амплитуды. Такая структура поверхностных возмущений на расстоянии в десятки мм от источника предсказывалась, в частности, в работе [7]. В этой же работе пока зано, что скорость и профиль предвестника слабо зависят от того, какой именно режим лазерно акустического преобразования имеет место (смена режимов от термоупругого к абляционному сказывает ся, главным образом, на параметрах сдвиговой и рэлеевской волн). Определенная по фронту прибытия скорость предвестника составляет 5650 м/сек, в то время как скорость объемнойP-волны в материале алюминиевого куба, по данным «просветных» измерений – 6450 м/сек.

В основном эксперименте исследовалось распространение предвестника по траекториям на ци линдрической стенке скважины – вдоль образующей цилиндрической поверхности скважины, вдоль ок ружности, третья – вдоль геликоиды. Измерения проводились как в ситуации, когда стенки моделей гра ничили с воздухом, так и в ситуации, когда модели были погружены в ванну с водой. Результаты в обеих ситуациях различались мало.

Рис. 3. А – поверхностные возмущения, вызванные лазерным импульсом на плоской поверхности алю миниевого куба, прием на расстоянии 6,7 см от источника. Б – предвестники на поверхности «полускважины» в изотропной модели из органического стекла на расстоянии 10 см от источника. Черная линия – мода образую щей, серая линия – мода окружности Рис. 4. Время прибытия фронтов предвестников относительно пройденной дистанции для модели из органического стекла (А) и модели из текстолита (Б). Здесь 1 и 4 – моды окружности, 2 и 3 – моды образующей.

Для каждого из экспериментов тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой дает скорость распростране ния следа объемной волны XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика На рис. 3б показаны профили предвестника на образующей и на окружности, зарегистрированные в каждом случае на расстоянии 10 см в изотропной модели из органического стекла. В эксперименте с изотропной моделью можно наблюдать, что скорость предвестника на криволинейной поверхности (мода окружности) меньше его скорости на образующей. Черные стрелки отмечают прибытие фронтов пред вестника, серые стрелки – прибытие первых максимумов.Измерение скорости распространения моды по прибытию максимумов оказывается несколько менее точным по сравнению с измерением времени прибы тия фронта. Это связано как с дисперсией при распространении сигнала, так и с полосой частот приема.

Пошаговое изменение положения лазерно-акустического источника позволяет построить графики зависимости «пройденное расстояние – время прибытия фронтов». На рис. 4 такие графики показаны для изотропной модели (А) и анизотропной модели (Б). Можно видеть хорошее соответствие линейной ап проксимации. Тангенс угла наклона регрессионных линий определяется скоростью распространения предвестников на поверхности модельных «полускважин».

Таблица 1. Скорости P-волн (м/сек), измеренные на стенках скважин в лабораторных моделях. Данные в скобках относятся к измерениям скоростей объемных волн на вырезанных кубических образцах скорость, опреде- скорость, опреде- скорость, определен- скорость, опреде ленная поприбы- ленная поприбы- ная поприбытию 1-го ленная поприбы Материал модели тию фронта по тию фронта по максимума по ок- тию 1-го максиму окружности образующей ружности ма по образующей Изотропная модель.

2658 (2748) 2734 (2748) 2528 (2717) 2667 (2717) Органическое стекло Анизотропная модель.

Текстолит (ось скважины 2841 (3125) 2463 (2666) 2717 (2976) 2392 (2581) перпендикулярна слоям) Измерения показали (см. Таблицу 1), что на поверхности скважины скорости следа P-волны со ставляют 0,90-0,92 от скорости объемной волны в материале образца. При этом сохраняется соотношение значений скоростей, измеренных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Так, для текстолито вой модели это соотношение составляет 0,86 (кубик) и 0,85 (по данным лазерно-акустических измерений на скважине insitu). Отмеченный выше эффект уменьшения скорости следа на криволинейной поверхно сти, зависит от радиуса ее кривизны. На точность измерений в анизотропных структурах он существенно го влияния не оказывает. А в реальных скважинах, имеющих существенно больший диаметр, (80 см) он вообще незаметен. Также, проводились измерения скорости пробега предвестника по геликоидальной тра ектории, лежащей на поверхности скважины (рис. 1а, кривая 2). Как и ожидалось, для обеих моделей эта скорость показала промежуточные значения относительно скоростей мод образующей и окружности.

Проведенные тесты учитывали тот факт, что скважина может быть заполнена водой. Была прове рена и степень влагозащищенности датчика давления. После отработки метода на малых моделях, успеш ные измерения были проведены и на реальном керне (рис. 2а).

Выводы Мониторинг локальных параметров анизотропии в слагающих скважину нефтеносных породах играет роль не только в решении задач визуализации подземных нефте- и газовых резервуаров, но и для обеспечения правильной интерпретации сейсмических данных. В данной работе с использованием по верхностного лазерно-акустического источника был проведен эксперимент по измерению времени пробе га между заданными точками на стенке скважины следа объемной P-волны в зависимости от направления ее распространения. Работоспособность метода, таким образом, была подтверждена. Данные, полученные на поверхности, позволяют судить о некоторых характеристиках материала породы. Очевидно, что метод insituимеет определенные ограничения. Количественно восстановить скорость объемной волны в породе по данным таких измерений можно только приблизительно. Однако относительное изменение скорости P волны в зависимости от направления удается восстановить с необходимой точностью.

Проведенный эксперимент вносит вклад в создание методов и аппаратуры, направленных на про филирование анизотропии по глубине скважины. Применение лазерно-акустических источников для ло кальной диагностики геофизических параметров пород становится все более распространенным.

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ по Государственному контракту от «30» мая 2011 г. № 16.518.11.7055.

ЛИТЕРАТУРА 1. Thomsen L. Weak elastic anisotropy // Geophysics - 1986 – v. 51 – p. 1954-1966.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика 2. Tang X., Zheng Y., Patterson D. Method for processing reflections in array data to image near-borehole geological structure// Patent application - 2005-US584-42216.

3. Карабутов А.А., Макаров В.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л. Лазерно-ультразвуковая спектроскопия горных пород.

М: Изд-во «Горнаякнига», 2008.

4. Hutchins D.A., Dewhurst R.J., Palmer S.B. Directivity patterns of laser-generated ultrasound in aluminium // Journ. Acoust. Soc.

Amer. – 1981 - v. 70 - N5 - p. 1362-1369.

5. Rose L.R. Point-source representation for laser-generated ultrasound // Journ. Acoust. Soc. Amer. – 1984 - v. 75 -N3 - p. 723 732.

6. Murray T.W., Wagner J.W. Laser generation of acoustic waves in the ablative regime //J. Appl. Phys. – 1999- v.85 - N4 – p.

2031- 2040.

7. Scala C.M., Doyle P.A. Time- and frequency-domain characteristics of laser-generated ultrasonic surface waves // Journ. Acoust.

Soc. Amer. – 1989 - v. 85 - N4 - p. 1569-1576.

УДК 551. Р.А. Жостков1, Ю.П. Масуренков1, З.И. Дударов2, А.В. Шевченко2, С.М. Долов2, К.Б. Данилов ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ПЯТИГОРСКОГО ВУЛКАНИЧЕСКОГО ЦЕНТРА МЕТОДОМ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Землиим. О.Ю. Шмидта РАН Россия, 123995 Москва, Д-242, Б.Грузинская ул., 10, стр. 1.

Тел.: (499) 766-2656;

Факс: (499) 766-2654;

E-mail: shageraxcom@yandex.ru Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кабардино Балкарскийгосударственныйуниверситет им. Х.М. Бербекова Институт экологических проблем Севера Уральского отделения РАН Пятигорские лакколиты демонстрируют заметное кольцевое расположение, проявляющееся в особенностях строения гидротермальной системы Кавказских Минеральных Вод. На основе данных петро-геохимических и геологических исследований проанализирована действующая гидротермальная система с очевидными чертами ювенильного происхождения. Представлены результаты профильных геофизических исследований лакколита Бештау, которые были выполнены летом 2011 года с применением метода низкочастотного микросейсмиче ского зондирования. Построен вертикальный геофизический разрез до глубины 30 км с использованием моди фицированного алгоритма обработки первичных данных, что позволило детально оконтурить глубинные гео логические структуры. Таким образом, выявлены связи гидрохимических свойств Кавказских Минеральных Вод со структурными особенностями строения флюидно-магматической системы Пятигорского вулканического центра, и этим доказана принадлежность КМВ к гидротермальному элементу этой системы. Получены но вые данные о глубинном строении лакколита Бештау и выполнена их совместная интерпретация с более ран ними данными геолого-геофизических и петро-геохимических исследований.

Рис. 1. Линии равных концентраций (указаны в г/л) гидрокарбонатов (а) и хлора (б), построенных по анализу проб из источников вокруг лакколита Бештау (обозначены точками). Штриховой линией отмечен кольцевой разлом, а штрих-пунктиром – зона перегиба мантии.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Гипотеза о метеорном происхождении минеральных вод Пятигорья является преобладающей, но целый ряд характерных признаков доказывает, что формирование этих вод связано с флюидно магматической системой Пятигорского вулканического центра. Во-первых, территориальная близость лакколитов Кавказских Минеральных Вод и самих источников хоть и не доказывает существование связи между ними, но дает основание полагать, что таковая имеется. Во-вторых, необычная сосредоточенность высоких концентраций растворенных в воде основных магматических эманаций демонстрирует точечный характер источника вод (рис. 1). В-третьих, подобие распределения концентрации галогенов в воде и в интрудировавшей магме свидетельствует об их генетическом родстве (рис. 2) [1]. В-четвертых, концен трическое расположение линий равных температурных градиентов и их величины (рис. 3) указывают на наличие сильно нагретой области вблизи поверхности, предположительно, магматического очага [2].

Рис. 2. Качественное распределение хлора в воде и фтора в магме вдоль профиля А-Б (рис. 1б).

Максимальные геотермические градиенты соответствуют крупнейшим лакколитам в регионе:

Бештау и Машук. Это приурочено к зоне перегиба мантии, которую можно трактовать как систему разло мов, расколовших купольную структуру на две части. На рис. 4.построены плавные изотермы вдоль В-Г (рис. 3), однако, исходя из особенностей рельефа и того, что максимальное содержание гидрокарбонатов и борной кислоты приходится на участок 15-20 км, мы предполагаем, что в районе 25 км наблюдается по нижение теплового и флюидного потоков. Это подразумевает искривление изолиний, обозначенное пунк тиром, при этом ожидается начало плавления пород уже на глубинах порядка 5-10 км. Для более точного определения местоположения более мягких и горячих пород были проведены профильные исследования с помощью метода микросейсмического зондирования, сокращенно ММЗ [3-5].

Рис. 3. Линии равных температурных градиентов, Рис. 4. Рассчитанные по геотермическим данным измеренных геохимическими термометрами изотермы вдоль профиля В-Г (рис. 3) обо (указанны в град/км), и линии Д-Е и В-Г, значены сплошными линиями, а предпола вдоль которых, соответственно, проводи- гаемые – пунктирными. Граница начала лись профильные исследования и строились плавления пород отмечена штриховой ли изотермы (рис. 4). нией.

Использование микросейсмического поля Земли обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, микросейсмический фон присутствует в каждой точке поверхности планеты и представлен в широкой полосе частот, что позволяет проводить исследования широкого диапазона глубин в любой интересующей точке XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика твердой поверхности. Во-вторых, полевые измерения с применением такой пассивной сейсморазведки требу ют существенно меньших затрат ресурсов по сравнению с традиционными методами.

ММЗ основан на анализе пространственных вариаций спектра локального микросейсмического поля и использует тот факт, что неоднородности Земной коры искажают спектр низкочастотного микросейсмического поля в своей окрестности: на поверхности Земли над высокоскоростными неоднородностями спектральные амплитуды определенной частотыуменьшаются, а над низкоскоростными неоднородностями возрастают [6].

При проведении работ измеряется статистически устойчивые спектры микросейсм во всех пунктах на блюдения, которые потом сравниваются с данными неподвижной в течение всего цикла измерений базовой станции, позволяющей избежать ошибок, связанных с временными вариациями фона. Для достижения стати стической устойчивости микросейсмический сигнал накапливается в течение экспериментально определенно го периода стационарности сигнала, равного примерно 2 часам [7]. Далее для каждой частоты в спектре стро ится пространственное распределение вариаций отношения интенсивности микросейсмического сигнала на каждом пункте наблюдений к данным базовой станции за тот же период времени. Поскольку каждая частота соответствует определенной глубине исследования (эмпирически установлено, что эта глубина составляет 0,4 0,5 длины волны), то выполняя эти построения для всего спектра, получим полную картину распределения неоднородностей в толще.

Благодаря модификации способа обработки данных, учитывая все положения ММЗ, была исключена за ненадобностью процедура сверки станций. Для этого были рассчитаны коэффициенты временных вариаций для каждого пункта профиля относительно первого пункта, т.е. по записи опорной станции посчитаны отно шения спектральных амплитуд в каждом пункте к спектральным амплитудам в первом. Разделив на соответст вующий коэффициент спектральную амплитуду в каждом пункте по записи передвижных станций, мы полу чили спектральные амплитуды на этих пунктах с учетом временных вариаций.


Рис. 1. Распределение скоростных неоднородностей вдоль профиля Д-Е. А,Б – обработка без использования до полнительных процедур, В – с использованием усреднения, Г – с использованием огибания.

Для проверки эффективности и выбора наиболее оптимального приема повышения информативности спектров, зашумленных волнами не рэлеевской природы, были проведены опытно-методические работы, в результате которых пройденный профиль обрабатывался в трех вариантах: без применения дополнительных процедур и с применением процедур усреднения и огибания спектров (рис. 5б, 5в, 5г, соответственно) [8].

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Огибание и усреднение спектров используется для облегчения интерпретации данных при существенных раз личиях амплитуд соседних частот. Процедура огибания сводится к оценке пиковых значений спектральных амплитуд в определенном окне частот с последующим соединением этих пиков, и как следствие, от этой про цедуры справедливо ожидать вычленение узкополосных пиков из общего набора значений. Усреднение спек тров подразумевает последовательный расчет среднего значения по определенному количеству смежных ком понент с последующим смещением на половину рассматриваемого окна, использование этой процедуры по зволяет выделить наиболее вероятные значения из набора соседних спектральных амплитуд. Для устранения смещения нулевого уровня сейсмоприемников, вызванного, например, температурными изменениями во время сбора данных, использовалась процедура выравнивания волновых форм с помощью вычитания смещения ну ля, аппроксимированного многочленом, рассчитанного по методу наименьших квадратов.

Профильные геофизические исследования лакколита Бештау проводились летом 2011 года с ис пользованием сейсмоприемников СМ3-ОС. Были получены данные с 34 пунктов, расположенных через каждые 300 метров вдоль профиля Д-Е (рис. 3). Для автоматической обработки данных использовалась специально написанная программаDAK [9], позволяющая пользователю контролировать качество вход ных данных, отсеивая зашумленные участки записи.

Был построен разрез до глубины 30 км без использования каких-либо дополнительных процедур обработки данных, т.е. с помощью классического метода микросейсмического зондирования (рис. 5а). На рисунке видно, что вдоль исследованного профиля находится две крупные вертикальные области с пони женной скоростью Sv-волн, свидетельствующие о наличии в них разуплотненных частично расплавлен ных пород. Очевидно, что эти области являются причиной двойного изгиба изотерм, обозначенных на рис. 4 пунктирными линиями.

Также на рис. 5б, 5в и 5г показано сравнение результатов обработки без всяких процедур, с усред нением и с огибанием, соответственно, до глубины 5 км. Все три способа выделяют аномальную зону в районе 7-ого километра, но использование усреднения помогает избавиться от шума и сгладить картинку, убрав мелкие неоднородности и, тем самым, более четко выделить крупные объекты, например, холодную высокоскоростную область в районе 9-ого километра профиля, которая невидна на рис. 5б. Огибание при вело к смазыванию картинки и появлению артефактов. Хотя полной уверенности в ошибочности этих ре зультатов нет, поскольку области около 5-6 километра проявились хорошо, но другие геофизические ис следования этого района, например, геотермические, доказывают, что низкоскоростной области под чет вертым километром профиля нет. Т.о. проводить огибаниеспектра при обработке не рекомендуется, в то время как усреднение позволяет лучше выделить крупные аномалии.

Из полученных результатов следует существование сильно нагретых пород на глубине всего около километра. Это значит, что в этом районе очень выгодна установка тепловых насосов для экологически чистой добычи дешевой энергии.

ЛИТЕРАТУРА Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л. Кавказские минеральные воды – современная гидротермальная система ко 1.

романтийного генезиса // ДАН (геохимия). 2011. Т. 436. № 2. С. 233-238.

Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л. Современная флюидно-магматическая система Пятигорского вулканическо 2.

го центра // ДАН (Геофизика). 2010. Т. 435. № 6. С. 815 – 820.

Горбатиков А.В. Пат. РФ №2271554 // Бюл. Изобр. 2006, №7.

3.

Горбатиков А.В., Степанова М.Ю., Кораблев Г.Е. Новый подход к исследованию геологической среды на 4.

основе использования микросейсмического поля в диапазоне низких частот // Изменяющаяся геологиче ская среда. – Казань. 2., 2007. – Т.2. –С.19-23.

Горбатиков А.В., Степанова М.Ю., Кораблев Г.Е. Закономерности формирования микросейсмического по 5.

ля под влиянием локальных геологических неоднородностей и зондирование среды с помощью микросейсм // Физика Земли. – 2008, - (7). –С.66-84.

Цуканов А.А. Исследование и развитие метода микросейсмического зондирования. Диссертационная рабо 6.

та на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., МГУ, 2010г.

Горбатиков А.В., Степанова М.Ю. Результаты исследований статистических характеристик и свойств ста 7.

ционарности низкочастотных микросейсмических сигналов // Физика Земли, 2008, №1, с. 57-67.

Данилов К.Б. Адаптация метода микросейсмического зондирования для выделения кимберлитовых трубок 8.

взрыва на территории Архангельской области // Вестник Поморского университета. Серия: Естественные и точ ные науки, 2010, № 4.

Попов Д.В., Данилов К.Б., Иванова Е.В. Использование оригинального программного комплекса DAK для обра 9.

ботки цифровых записей микросейсм // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы Шестой Международной сейсмологической школы. Обнинск: ГС РАН, 2011. С. 263-266.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика УДК 542. О.М. Тришина, Ф.Ф. Горбацевич, М.В. Ковалевский.

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД СРЕДНЕЙ КОРЫ НА ПРИМЕРЕ ЭНДЕРБИТОВ И ТОНАЛИТОВ ОБНАЖЕНИЙ ОЗ. ЧУДЗЬЯВР (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ) Геологический институт Кольского научного центра РАН Россия, 184209 Апатиты, ул. Ферсмана, д. Тел.: (81555) 79- E-mail: trishina@geoksc.apatity.ru Аннотация. Предметом исследования являются пет рофизические и акустические свойства высокомета морфизованных горных пород Кольско-Норвежского блока, таких как эндербиты и тоналиты, относя щиеся предположительно к средней коре. Образцы горных пород отобраны с обнажений оз. Чудзьявр.

Выявленные тенденции изменений петрофизических параметров показывают возможность оценки со держания тех или иных ассоциаций породообразую щих минералов при применении методов глубинной разведки. Увеличение процентной доли клинопироксе на приводит к повышению скорости распространения в породе продольных волн. Увеличение содержания Рис. 1. Схема распространения архейских и протеро плагиоклаза и кварца, наоборот, приводит к сниже- зойских структур Кольского региона:

нию скорости. 1 – Мурманский, 2 – Кольско-Норвежский, 3 – Кейв Введение.Кольско-Норвежский мегаблок ский домены;

4 – Беломорский пояс;

5 – пояс Колмо сформирован древнейшими докембрийскими гра- зеро-Воронья;

6 – Печенгская структура;

7 – пояс нулито-гнейсовыми породами Кольского полуост- Имандра-Варзуга;

8 – пояс Пана-Куолаярви;

9 – Ла рова, в результате длительного направленного пландский гранулитовый пояс;

10 – оз. Чудзьявр.

воздействия ряда экзогенных и эндогенных про цессов, игравших существенную роль как в образова нии, так и в последующей переработке вещества ран ней коры [1].

С северо-запада и юго-востока Кольско Норвежский мегаблок ограничен Колмозеро Вороньинским и Терско-Аллареченским зеленока менными поясами (рис. 1). Мегаблоксложенортопоро дами габбро-гранитного состава, состоящими из эн дербитов, плагиогнейсов, основных кристаллосланцев и амфиболитов, залегающих среди глиноземистых гнейсов кольской серии. Породы метаморфизованы в условиях гранулитовой и амфиболитовой фаций, раз деленных узкой переходной зоной.

Методика. На обнажениях оз. Чудзьявр было отобрано 19 образцов, шлифы наиболее представи тельных из отобранных образцов представлены на рис. 2. Целью работы является определение упругих и неупругих характеристик высокометаморфизованных пород тоналитов и эндербитов массива оз. Чудзьявр.

Рис. 2. Шлифы образцов оз. Чудзъявр: эндер биты: a) - Chu-10-02;

b) - Chu-10-03;

c) - Chu 10-08-1;

тоналиты: d) - Chu-10-09b;

f) - Chu-10 Таблица 1. Минеральный состав и структура пород р-на оз. Чудзьявр (выполнен к.г.-м.н. В.Р. Ветриным). 18;

g) - Chu-10-20-1.

№№ №№ образца Минеральный состав, % Структура Порода п/п Бластогранитная Эндербит 1 Chu-10-02 Opx- (5-7), Bt-5,Pl-50, Qtz-35, Op-(3-5), Ap Бластогранитная, аллотрио- Эндербит 2 Chu-10-03-1 Opx-(10-12), Hbl-(3-5), Bt-(10 морфнозернистая 15), Pl-40, Qtz- 25, Op-5, Ap XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Opx-2, Сpx-5, Hbl-3, Bt-8, Op- Гранобластовая, местами- Эндербит 3 Chu-10-08- коррозионно 2, Pl-55, Qtz-25, Ap метасоматическая Гранобластовая Тоналит 4 Chu-10-09б Bt-15, Pl-54, Qtz-30, Op1, Ap, Aln, Cal, Zr Бластогранитная Тоналит 5 Chu-10-18 Hbl-20, Bt-10, Pl-40, Qtz 30,Op,Ap Бластогранитная Тоналит 6 Chu -10-20-1 Bt-5, Pl-60, Qtz-35, Ap,Op Примечание: Opx- ромбический пироксен, Cpx- моноклинный пироксен, Hbl- роговая обманка, Bt- биотит, Pl- плагиоклаз, Qtz- кварц, Op- рудный минерал, Ap- апатит, Zr- циркон, Cal- кальцит, Aln- алланит [2].

Определения упруго-анизотропных свойств выполнены на основе последних усовершенствований акустополяризационного метода на приборах для определения упругих свойств [3-6]. В результате прове денных исследований измерена плотность, по лучены акустополяриграммы (рис. 3), скорости распространения продольных VP и сдвиговых волн VS (рис. 4), рассчитаны показатели упру гой анизотропии.


Обсуждение. Методом Архимеда оп ределено среднее значение плотности образцов 2.68 г/см3 (табл. 2). Данные полученные ранее (Кольская сверхглубокая скважина СГ-3, Немецкая глубокая KTB, Финская OKU) указывают на то, что плотность пород сравнительно мало меняется при изменении РТ-условий, в которых находится порода [7-9].

Анализ акустополяриграмм (рис. 3) по казывает наличие минимумов амплитуд на круговых диаграммах полученных при скре щенных векторах поляризации (ВС), что ука зывает на присутствие элементов симметрии в строении образцов. Практически на всех пред ставленных образцах: Chu-10-02 (грани 1-1’, 3 3’), Chu-10-03 (все грани), Chu-10-08-1 (грани 1-1’, 2-2’), Chu-10-09b (грань 3-3’), Chu-10- (все 3 грани), Chu-10-20-1 (грани 1-1’, 3-3’) присутствует эффект линейной акустической анизотропии поглощения ЛААП, о чем свиде тельствует уплощение на акустополяриграм мах, полученное при параллельных векторах поляризации (ВП). На представленных образ цах (Chu-10-02, Chu-10-09b, Chu-10-18, Chu 10-20-1) обнаружен эффект деполяризации сдвиговых волн (ДСВ), который характеризу ется наличием аномально больших акустопо ляриграмм, полученных при ВС. Впервые дан ные эффекты были обнаружены на образцах СГ-3. Наличие ЛААП и ДСВ можно объяснить структурной неоднородностью образцов и значительным содержанием плагиоклаза, кри сталлоакустические оси которого разориенти рованы. Анализ акустополяриграммы образца Chu-10-18 (грань 1-1’) указывает на скрытую Рис. 3. Пример акустополяриграмм: эндербиты – Chu значительно развитую систему микротрещин 10-02, Chu-10-03, Chu-10-08-1;

тоналиты – Chu-10-09b, следствием которой, явилось увеличенное за Chu-10-18, Chu-10-20-1.

тухание сигнала. Попытка минимизации по XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика тери сигнала (увеличение мощности излучаемого импульса, уменьшение размеров образца) привела к фи зическому разрушению образца.

Таблица 2.Матрица скоростей, показатели анизотропии пород р-на оз. Чудзьявр.

№№ № образца Наименование породы Плот- Матрица ско- Коэффи- Показа ность ростей, км/с циентани- тельани, зот-ропии, зотропии, г/см3 AP % BS % 3.59 2.66 2. Эндербит 1 Chu-10-02 2.61 2.67 3.94 2.61 6.97 3. 2.69 2.67 3. 4.12 2.99 2. Эндербит 2 Chu-10-03-1 2.67 2.76 4.22 2.82 1.72 6. 2.96 2.85 4. 5.17 2.82 3. Эндербит 3 Chu-10-08-1 2.66 3.42 5.13 3.34 4.80 22. 2.81 3.30 4. 5.02 3.42 3. Тоналит 4 Chu-10-09б 2.89 3.21 5.44 3.36 10.05 6. 3.08 3.22 4. 4.81 3.22 3. Тоналит 5 Chu-10-20-1 2.56 3.24 4.88 3.09 5.04 6. 3.09 3.09 4. Средняя скорость продольных волн в породах составляет VP = 4.67 км/с, поперечных, VS = 3.04 км/с.

) Преобладающими минералами в представленных образцах являются био тит, плагиоклаз и кварц. Анализ скоро стей продольных и сдвиговых волн пока зывает уменьшение значений при увели чении содержания плагиоклаза и кварца в породе (рис. 4). Увеличение процент ной доли биотита в породе показывает увеличение скорости, как продольных, так и сдвиговых волн. Однако, в следст вии, незначительного процентного со держания биотита, его влияние на скоро стные характеристики породы не значи тельно.

Коэффициент АP и показатель ани зотропии ВS (табл. 2) изменяются в пре делах 1.7-10.5% и 3.8-22,1% соответст венно, что в целом позволяет заключить – образцы оз. Чудзъявр являются как слабо, так и сильноанизотропными. Со гласно РТ-условиям при которых проис ходило их формирование, можно отнести к породам средней коры. Данные резуль таты могут подтвердить вывод, сделан- Рис. 4. Зависимость скоростей: a) – продольных волн (VP);

b) ный в результате исследования керна – сдвиговых волн (VS) от минерального состава пород оз.

архейской части разреза Кольской сверх- Чудзьявр.

глубокой СГ-3 о снижении показателей анизотропии пород с увеличением глубины [10].

Выводы. В соответствии с полученными данными, породы оз. Чудзъявртоналиты и эндербиты имеют среднюю плотность = 2.68 г/см3. Средняя скорость продольных волн в породах составляет Vp = 4.67 км/с, поперечных, Vs = 3.04 км/с. Породы проявляют заметную упругую анизотропию, которая изме XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика няется в широком диапазоне. Например, вариации коэффициента анизотропии AP составляют 1.7-10.5%, показателя анизотропии BS – 3.8-22.1%. Обзор акустополяриграмм показывает наличие линейной акусти ческой анизотропии поглощения и существенной неоднородностей строения в отдельных образцах.

Выявленные тенденции изменений петрофизических параметров показывают возможность оценки содержания тех или иных ассоциаций породообразующих минералов при применении методов глубинной разведки. Скорости продольных и сдвиговых волн показывают уменьшение значений при увеличении со держания плагиоклаза и кварца в породе. Увеличение процентной доли биотита в породе показывает уве личение скорости, как продольных, так и сдвиговых волн. Однако, в следствии, незначительного процент ного содержания биотита, его влияние на скоростные характеристики породы не значительно.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 10-05-00082-а.

ЛИТЕРАТУРА 1. Петров В.П. и др. Эндогенные режимы метаморфизма раннего докембрия (северо-восточная часть Балтий ского щита). Л. Наука. 1990. 184 с.

2. Kretz R. Symbols for rock-forming minerals // Amer. Mineral. 1983. V. 68. P. 277-279.

3. Горбацевич Ф.Ф.Акустополярископия горных пород. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН. 1995.

203 с.

4. Горбацевич Ф.Ф.Акустополярископия породообразующих минералов и кристаллических пород. Апатиты:

Изд–во КНЦ РАН, 2002. 140 с.

5. Ковалевский М.В. Методика определения скоростных соотношений упругихволн в задачах акустополяри скопии // Структура, вещество, историялитосферы Тимано-Североуральского сегмента: Материалы 16-й науч нойконференции. - Сыктывкар: Геопринт, 2007. С. 69-72.

6. Ковалевский М.В. Автоматизированный программно-аппаратный комплекс Acoustpol: Учеб.пособие: Апати ты, Изд-во ООО «K & M», 2009. 54 с.

7. Строение литосферы российской части Баренц-региона / Под ред. Шарова Н.В., Митрофанова Ф.П., Вербы М.Л., Гиллена К.. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. 2005. 318 с.

8. Ковалевский М.В., Горбацевич Ф.Ф., Хармс У., Дальхайм Х.-А.Акустополяризационные измерения упруго анизотропных свойств метаморфизованных пород по разрезу немецкой сверхглубокой скважины KTB в диапа зоне глубин 4100-4700 м // Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика. Сборник трудов XV сессии Российского акустического общества. Т.1. – М.: ГЕОС, 2004.- C.323- 9. Ковалевский М.В., Горбацевич Ф.Ф., Тришина О.М. Упруго-анизотропные свойства горных пород по разрезу финской скважины (OKU) в диапазоне глубин до 1 км // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология.

Геокриология.- 2009. -№2.-С.180-188.

10. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. Ред. В.П.Орлов, Н.П.Лаверов - М.: МФ "Технонефтегаз". 1998. - 260 с.

УДК 534.63, 534.131. А.И. Коньков, А.В. Лебедев, С.А. Манаков ПОСТРОЕНИЕ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ВОЛНЫ СДВИГА И КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНЫ РЭЛЕЯ Институт прикладной физики РАН Россия, 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, д. Тел.: (8312) 164781;

Факс: (8312) E-mail: swan@hydro.appl.sci-nnov.ru В представленном докладе предлагается расширить известный метод анализа дисперсии поверхностных волн(SASW) за счет включения в рассмотрение частотной зависимости отношения амплитуд проекций сме щений, регистрируемых векторными геофонами. Обсуждаемые в работе экспериментальные данные были получены с использованием двух портативных сейсмостанций Лакколит Х-М2, обеспечивавших запись верти кальных и горизонтальных проекций скорости колебаний свободной поверхности в полосе частот 5-500 Гц при низком уровне шумов и с разрешением 24 бита. Сейсмостанции оснащены калиброванными широкополосными геофонами. Выполненный анализ данных нескольких экспериментов с регулярным (вибратор), ударным (молот) и шумовым (шаги на линии трассы) источниками позволяют судить о преимуществах совместного анализа дисперсионной зависимости и частотной зависимости отношения проекций смещения в волне Рэлея. Пред ставленные профили скорости сдвиговой волны и коэффициента Пуассона позволяют сделать вывод о пер спективности работ в данном направлении.

Анализ верхних слоев Земли в условиях их естественного залегания представляет интерес при ре шении задач инженерной сейсмики. Устойчивость сооружений в значительной степени зависит от сдвиго вой жесткости и литологии приповерхностных геологических структур, что определяет важность опреде XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика ления соответствующих параметров по данным геоакустических измерений. Сдвиговая жесткость и проч ность зависят главным образом от скорости сдвиговой волны. В свою очередь литологический состав в значительной степени связан с величиной коэффициента Пуассона, что обуславливает важность реконст рукции этого параметра. Для исследования природных сред в натурных условиях разработано большое число акустических методов (см., например, [1-3]).Особое место занимают методы, основанные на анали зе характеристик прямых волн. В случае источника, размещенного на поверхности, объемные P- и S волны имеют малые амплитуды по сравнению с амплитудой поверхностной волны Рэлея. Хорошо извест но, что скорость волны Рэлея на границе однородного полупространства или на границе раздела двух уп ругих полупространств не зависит от частоты и определяется материальными параметрами упругой среды или граничащих упругих сред. Появление дисперсии волны Рэлея связано главным образом с зависимо стью скорости сдвиговой волны от глубины.

Метод спектрального анализа поверхностных волн (SpectrumofAcousticSurfaceWavesили SASW) имеет долгую историю. Основоположником метода SASW принято считать Джонса, который в 1958 г.

первым предложил использовать процедуру восстановления профиля модуля сдвига на основе анализа дисперсии волны Рэлея [4]. Метод приобрел популярность в конце 80-х с появлением мощных ЭВМ и многоканальных систем записи данных. Достоинством SASWявляется простота реализации. Необходимо располагать как минимум двумя геофонами, расположив источник (например, ударный) на соединяющей их линии на удалении, достаточном для пренебрежения эффектами ближнего поля источника в интере сующей полосе частот. В простейшем случае анализ зависимости фазы взаимного спектра двух принятых сигналов от частоты () позволяет определить скорость волны Рэлея как CR=d/, где d– расстояние ме жду геофонами (см., например, [4]). Более сложные реализации метода требуют стробирования и/или ис пользования процедуры F-Kфильтрации [2] для выделения вклада волны Рэлеяпри использовании боль шого числа приемников, что повышает достоверность данных.

Кроме простоты реализации привлекательность метода SASWпо сравнению с другими акустиче скими методами исследования обусловлена следующими особенностями. Во-первых, при использовании наиболее распространенных поверхностных силовых источников около 95% энергии в приповерхностном слое переносится волной Рэлея [3]. Из-за экспоненциального затухания амплитуды волны Рэлея с глуби ной оказывается возможным «изменять» мощность приповерхностного слоя за счет изменения частоты анализа [4]. Во-вторых, являясь поверхностной волной, волна Рэлея имеет корневую зависимость ампли туды от расстояния и затухает в меньшей степени, чем объемные волны.

Как известно [3,5], скорость волны Рэлея имеет слабую зависимость от коэффициента Пуассона, и поэтому при использовании метода SASWего величина предполагается известной или задается значение =1/3, что отвечает типичному отношению скоростей объемных волн VS/VP=1/2 [3]. Даже в недавних ра ботах, посвященных развитию метода SASW, прямо указывается, что коэффициент Пуассона в задачах инверсии задается равным 1/3 или близким к 0.5, если речь идет о насыщенных водой пористых средах (см., например, [6]). «Стандартная» реализация метода SASWпозволяет определить профиль сдвиговой волны, оценить степень консолидации и сдвиговую прочность среды, что в силу очевидных причин имеет важное практическое значение. С другой стороны, как показали многочисленные исследования, по вели чине коэффициента Пуассона можно судить о литологии или минералогическом составе и характере свя зей между зернами, гранулами и т.п. структурными элементами[7]. В «стандартной» реализации метода SASWвсе используемые приемники регистрируют преимущественно вертикальную проекцию смещения поверхности. Анализ вектора смещений не производится.

В однородном полупространстве отношение амплитуды горизонтальной проекции к амплитуде вертикальной проекции является функцией коэффициента Пуассона и монотонно увеличивается от 0.54 до 0.78 при уменьшении коэффициента Пуассона от 0.5 до 0. Можно предположить, что зависимость этого отношения от частоты позволит судить о профиле коэффициента Пуассона в вертикально стратифициро ванной среде.

В представлен ной работе нами прове ден совместный анализ частотной зависимости скорости волны Рэлея (дисперсионной характе- Рис. 1. Схема проведения измерений при использовании источников ристики) и частотной трех типов.

зависимости отношения амплитуд проекций смещения при использовании трех вариантов возбуждения. Волны возбуждались (1) XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика вертикальным вибратором (вертикальной силой), установленным на свободной поверхности, (2) импульс ным источником вертикальной силы (удар молота по наковальне) и (3) двумя пешеходами, перемещавши мися вдоль линии, соединяющей геофоны. Схема измерений показана на рис. 1. Справа приведена фото графия пары геофонов и указаны направления регистрируемых смещений. Стрелками на схеме показаны направления вектора смещения, регистрируемые парами приемников, объединенных в линейную антенну.

Общее число геофонов составляло 48 штук. Геофоны были размещены эквидистантно по 24 для каждой из проекций. Сигналы регистрировались двумя 24-х разрядными цифровыми сейсмостанциями «Лакколит X M» (производство Геотех, Москва: http://www.geotech.ru). Время записи одной реализации составляло 1024 мс для вибрационного источника и 3072 мс для ударного и шумового источников. В случае вибраци онного источника производилось усреднение по 100 реализаций, в случае шумового источника количест во усреднений составило 65 реализаций, для импульсного источника было записано 10 реализаций и на копление не производилось. Расстояние между парами геофонов составляло 1 метр в эксперименте с виб рационным источником и 2 метра для низкочастотных записей ударного и шумового источников.

Эксперименты проводились в разное время на одной и той же площадке. Измерения с вибрацион ным источником были выполнены в июле 2009 года (сухая и жаркая погода, верхние слои грунта консо лидированы из-за испарения жидкости из пор). Измерения сударным (молот) и шумовым (шаги на линии, соединяющей геофоны) источниками были выполнены в середине октября 2011 года. При этом из-за оби лия осадков верхние слои оказались пропитаны жидкостью. Таким образом, сравнение результатов экспе риментов позволяет судить о возможности использования предлагаемого метода дистанционной диагно стики для мониторинга степени насыщения влагойпористых сред в условиях их естественного залегания.

Оценка скорости сдвиговой волны и коэффициента Пуассона в плоскослоистой среде производи лась следующим образом. Осуществлялся поиск параметров среды, удовлетворяющих минимальному среднеквадратичному отклонению между измеренными и вычисленными величинами. В качестве алго ритмов поиска параметров были использованы: (1) метод Монте-Карло, (2) метод «отжига» и (3) гради ентный метод Ньютона, который использовался для уточнения величин. Измеряемыми величинами явля лись скорость распространения волны Рэлея и отношение амплитуд проекций: Ux/Uz (рис. 1). Для вычис ления тех же величин смещения выражались через скалярный и векторный потенциалы в каждом слое.

Для среды, состоящей из произвольного числа слоев, записывались граничные условия непрерывности смещений и напряжений. Поскольку эти громоздкие выражения можно найти во многих книгах (напри мер, [8, 9]) и их вывод несложен, мы их не приводим.

Нули соответствующей матрицы пропагатора отвечают поверхностным волнам (основной и выс шим модам волны Рэлея [8]), а также модам волноводного распространения (каналовым волнам). Среди всех волновых движений только основная мода Рэлеяимеет нулевую граничную частоту. Нули определи теля матрицы пропагатора определялись, начиная с самых низких частот, и при увеличении частоты зна чение, найденное на предыдущем шаге, использовалось в качестве начального приближения. В этом слу чае получаемая дисперсионная зависимость отвечает основной моде волны Рэлея. Анализ пространствен но-временных спектров (F-Kспектров) сигналов, полученных при использовании всех типов источников, показал, что высшие моды проявляются на частотах выше 130 Гц, где из-за низкого отношения сигнал шум их анализ не имел смысла. Для каждого найденного корня определителя матрицы пропагатора вы числялись проекции смещения как функции глубины и отношение амплитуды горизонтальной проекции к амплитуде вертикальной проекции на поверхности.

Таким образом, в качестве модели среды рассматривалась модель горизонтально однородной слоистой среды. Неизвестными параметрами этой модели являлись толщина слоя, а также скорости про дольной (VP) и сдвиговой (VS) волн (напомним, что в «стандартной» реализации метода SASWотношениеVP/VSпредполагается заданным). Плотность полагалась либо неизменной, либо задава лась по формуле Гарднера[9]: =1.74VP1/4, где плотность выражена в г/см3, а скорость продольной волны в км/с. В выражения для вычисляемых величин входит не сама плотность, а отношение плотностей грани чащих слоев. В дальнейшем было выяснено, что плотность не является важным параметром и, по крайней мере, для рассмотренных экспериментальных данных при изменении плотности в разумных пределах 20% дисперсионная характеристика и отношение проекций изменялись в пределах 3-5%. Т.е. плотность можно задавать произвольной постоянной для всех слоев (отношение плотностей равно единице).

Для определения дисперсии скорости и отношения проекций смещения в волне Рэлея проводился анализ пространственно-временных спектров (F-K спектров) сигналов, полученных с геофонов. На спек трах с горизонтальных и вертикальных приемников находилисьхарактеристические линии, отвечающие XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика волне Рэлея. Наклон характеристических линий определял фазовую скорость, а от ношения проекций вычислялось из отно шения спектров для каждой из проекций смещения.

На рис. 2 представлены измерен ные и вычисленные частотные зависимо сти фазовой скорости волны Рэлея и отно шения амплитуд проекций Ux/Uz при ис пользовании импульсного источника. Сиг нал импульсного источника был сосредо Рис. 2. Частотные зависимости скорости волны Рэлея (слева) и точен в окрестности 20 Гц с существенным отношения амплитуд проекций смещений (справа) - экспери ослаблением спектральных составляющих мент 2011 г.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.