CC BY
273
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В РЕАЛЬНЫХ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ
Владимир Юрьевич Кайдалов
ФГБОУ ВПО Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева (КузГТУ), кафедра теоретической и геотехнической механики, аспирант, тел. +7-904-967-04-63, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются различные факторы, которые влияют на распространение сейсмических волн в реальных сейсмологических средах, такие как поглощение упругой энергии, отражение и преломление на границе раздела поглощающих сред. Приводится описание экспериментальных измерений распространения сейсмических волн на примере промышленных взрывов на ООО «Разрез. «Бунгурский-Северный».
Ключевые слова: сейсмические волны, сейсмологические среды.
THE FACTORS, WHICH INFLUENCE ON THE DISTRIBUTION SEISMIC WAVE IN THE REAL SEISMOLOGICAL ENVIRONMENTS
Vladimir Yu. Kaydalov
Federal government budgetary institution of higher education "Kuzbass State Technical University named after TF Gorbachev.", department of theoretical and geotechnical mechanics, postgraduate student, tel. +7-904-967-0463, e-mail: [email protected]
The article discusses the various factors that affect the distribution of seismic waves in real seismic environments, such as the elastic energy absorption, reflection and refraction at the interface between absorbing environment The paper describes experimental measurements distribution of seismic waves in the example of industrial explosions at the LLC "Coal mine. "Bungursky-North."
Key words: seismic wave, seismological environment.
Для изучения влияния промышленных взрывов на конструкции зданий и сооружений, помимо знания спектрального состава промышленных взрывов вблизи источника сейсмических волн, необходимо обладать еще и информацией о сейсмической волне в месте нахождения интересующего нас здания или сооружения.
Существует ряд факторов, которые приводят к изменению характеристик сейсмической волны при ее распространении в сейсмологической среде. О них и пойдет речь в данной статье.
Одним из основных факторов, влияющих на динамические характеристики сейсмических волн в реальных сейсмологических средах, является поглощение упругой энергии, приводящее к изменению, как амплитуды, так и формы сейсмических импульсов. К поглощению могут приводить различные физические процессы, которые феноменологически могут быть описаны общим термином «внутреннее трение». Внутреннее трение может быть обусловлено
как линейной неупругостью материалов, так и преобразованием механической энергии в теплоту, трение на границах зерен.
Хотя все без исключения горные породы в той или иной мере поглощают энергию сейсмических волн, большинство методов обработки и интерпретации данных сейсмических наблюдений базируются на предположении об идеальной упругости исследуемых сред. Учитывая, что внутреннее трение в консолидированных породах, чаще всего невелико, такой подход оказывается на практике оправданным.
К поглощению сейсмических волн могут приводить различные механизмы, работающие на уровне микроструктуры пород, такие как вязкое течение флюида, движение дислокаций, термоупругость и др. Но на макроуровне поглощение сейсмических волн может быть описано относительно простыми феноменологическими моделями, описывающими некоторые характеристики явления, в частности, его частотные свойства [3].
Экспериментальному изучению поглощения сейсмических волн в горных породах посвящены многочисленные работы, опубликованные в разные годы. Из данных работ следует, что декремент поглощения, в зависимости от литологии пород, их пористости, трещиноватости, флюидонасыщенности и т.д., могут принимать значения в широком диапазоне от 10- для некоторых видов кристаллических пород до 1.0-2.0 для рыхлых сухих пород верхней части разреза.
Обобщение экспериментальных данных, позволило многим авторам сделать вывод о пропорциональности коэффициентов поглощения частоте и о приблизительном постоянстве декрементов поглощения в горных породах в диапазоне от единиц герц до мегагерц. Однако также можно обнаружить и экспериментальные данные как о частотно независимом, так и о частотнозависимом поглощении. Выяснилось, что на характер экспериментальных данных оказывают существенное влияние факторы, напрямую не связанные с поглощающими свойствами горных пород.
Так на высоких частотах - начиная с сотен килогерц или нескольких мегагерц - в зависимости от типа породы, длины волн становятся соизмеримы с размерами зерен породообразующих минералов, микротрещин и других неоднородностей, что приводит к увеличению вклада рассеивания в суммарное затухание ультразвуковых импульсов. Поэтому затухание на таких частотах становится, чаще всего, частотно-зависимым.
Наиболее точные данные о поглощении в лабораторных условиях могут быть получены на более низких частотах, когда длины волн существенно превышают размеры неоднородностей, и рассеивание становится пренебрежительно малым. Из-за сложности изготовления и работы с объемными образцами соответствующих размеров измерения на таких частотах чаще всего проводят на образцах, изготовленных в виде тонких по отношению к длине волны стержней.
Анализ экспериментальных данных, опубликованных Колесниковым Ю.И. [4], подтвердил тот факт, что поглощение в большинстве горных пород
частотно-независимо в широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц.
Другой важный фактор - отражение и преломление упругих волн на границе раздела поглощающих сред.
Динамические характеристики волновых полей, регистрируемых сейсмическими методами, в значительной мере определяется процессами отражения-преломления, то есть перераспределением энергии волн, падающих на границы раздела сред, между волнами, образующимися на этих границах. Кроме того, на сейсмических границах могут наблюдаться и фазовые изменения в отраженных и преломленных волнах по отношению к падающим, влияющие на их кинематические характеристики.
Обычно при анализе коэффициентов отражения и преломления предполагается, что граничащие среды идеально упруги, и каждая из них характеризуется (для однородных изотропных твердых сред) определенной плотностью и скоростями распространения продольных и поперечных волн. Однако реальные горные породы поглощают энергию сейсмических волн, причем во многих случаях контраст поглощающих свойств на сейсмических границах может быть значительным. Примеры таких границ - граница воды с донными осадками, границы консолидированных пород с раздробленными зонами дизъюнктивных нарушений и т.д.
Расчеты коэффициентов отражения и преломления сейсмических волн на границах поглощающих сред были выполнены рядом исследователей лишь для некоторых частных случаев.
Колесниковым Ю.И. [2] была предложена методика для расчетов коэффициентов отражения и преломления как однородных, так и неоднородных плоских упругих волн для разных соотношений параметров граничащих неупругих сред, а также сравнение расчетных коэффициентов отражения с результатами модельных экспериментов.
Результаты физического моделирования показали, что для контрастных по
поглощению границ вычисление коэффициентов отражения без учета
неупругости может приводить к большим ошибкам, а коэффициенты,
рассчитанные с учетом поглощения, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
Изучению особенностей распространения упругих волн в сыпучих материалах, начиная с середины прошлого века, посвящено множество
публикаций в научных изданиях геофизического и физического профиля. Интерес к данной тематике обусловлен тем, что такие факторы как повышенная пористость, отсутствие жестких связей между частицами, наличие в порах флюидов, приводят к различным аномальным эффектам при распространении упругих волн в таких материалах.
Исследования насыщенных сыпучих грунтов имеют и большое прикладное значение. В частности, при проектировании и строительстве различных промышленных и гражданских сооружений большое внимание уделяется изучению несущей способности грунтов, которые будут лежать в основании фундаментов данных объектов, так как от надежности оснований зависит
долговечность и безопасность эксплуатации таких сооружений, в особенности в сложных гидрогеологических условиях.
Песчаные грунты в большинстве случаев служат надежными основаниями для фундаментов, причем несущая способность гравелистых и крупных песков не зависит от влажности, в то время как прочность более мелких песков снижается с увеличением влажности и тем больше, чем мельче зерна. В водонасыщенном состоянии массивы такого песка могут оказаться неустойчивыми, что при определенных условиях может привести, например, к их внезапному разжижению и разрушению возведенных на них сооружений.
Еще в пятидесятых годах прошлого века были получены первые экспериментальные данные о существовании двух типов продольных волн (быстрой и медленной) во влажных сыпучих материалах. Так в работе [7] приведены результаты экспериментального изучения полностью водонасыщенных песков и упаковок стеклянных шариков, находящихся под давлением. В ультразвуковом диапазоне частот были зарегистрированы высокочастотная быстрая (со скоростью примерно 1700 м/с) и низкочастотная медленная (порядка 100 м/с) продольные волны. Скорость быстрой волны не зависела от давления, а скорость медленной с ростом давления возрастала. Автор связал медленную волну с распространением продольных колебаний в твердой фазе, а быструю - с совместным движением твердой и жидкой фаз.
В более поздних экспериментах Колесникова Ю.И. [2] две продольные волны впервые были зарегистрированы в ненагруженном влажном песке. После удаления из песка свободной (не удерживаемой капиллярными силами) объемной воды, продольные колебания первоначально распространялись в основном в виде быстрой высокочастотной волны со скоростью 1600-1800 м/с. Через некоторое время эта волна исчезала, после чего упругая энергия распространялась в виде медленной низкочастотной волны - ее скорость была оценена в 200-300 м/с.
Итак, существует большое количество факторов, влияющих на распространение сейсмических волн в реальных сейсмологических средах. Очень сложно оценить влияние каждого фактора при натурном эксперименте. Для этого необходимо точное знание, как литологии горных пород, так и параметры сложенных этими породами блочных структур.
Сотрудниками КузГТУ совместно с представителями НИИОГР с 19.10.10 по 22.10.10 на разрезе «Бунгурский-Северный» были проведены измерения распространения сейсмической волны для практических и научных целей.
Как показали испытания, выполненные в створе (сейсмические датчики располагались вдоль заданного направления на небольшим расстоянии друг от друга - порядка 100м) сейсмическая волна с расстоянием затухает неравномерно, что обусловлено вероятнее всего описанными выше факторами. Данные с датчиков расположенных на больших расстояниях (порядка 3-5 км) сильно отличаются. Вплоть до того, что на некоторых из них сторонние шумы перекрывают сейсмические данные от взрыва.
Очевидно, что для получения полной картины литологии горных пород и определения параметров, сложенных этими породами блочных структур,
необходимо учитывать все известные факторы, влияющие на распространение сейсмических волн в реальных сейсмологических средах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аки К., Ричардс. Количественная сейсмология. // Теория и методы. Т.2 Пер. с англ. - М.: Мир, 1983.
2. Колесников Ю.И. Отражение ультразвука импульсов от границы вода-водонасыщенный песок при наклонном падении // Сборник трудов XV сессии Российского акустического общества. Т. 1. М.: ГЕОС, 2004. - С. 305.
3. Колесников Ю.И. Оценки возможного влияния собственной дисперсии скоростей на результаты определения упругих модулей материалов // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества. Т. 1. — М.: ГЕОС, 2008. - С. 261-264.
4. Колесников Ю.И. Поглощение сейсмических волн в горных породах (обзор) // Геоакустические исследования по многоволновой сейсморазведке: Сб. науч. тр. / АН СССР, Снб. отделение, Институт геологии и геофизики. Новосибирск: ИГиГ, 1987. - С. 42-72.
5. Колесников Ю.И., Медных Д.А. Влияние сил капиллярного сцепления на акустические свойства не нагруженного влажного песка: экспериментальные данные // Сборник трудов XVIII сессии Российского акустического общества. Т. 1. М.: ГЕОС, 2006. -С. 244-247.
6. Медведев С.И. Инженерная сейсмология. М.: Госстройиздат, 1962. - С 278.
7. Paterson N.R. Seismic wave propagation in porous granular media // Geophysics. -1956. - V. 21, N 3. - P. 691-714
© В.Ю. Кайдалов, 2012
