CC BY
28
У£К 550.83-4
НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА СЕЙСМИЧЕСКИХ ВИБРАТОРОВ
М. С. ХайретдинэвЧ В. В. Ковалевский2
1 Новосибирский государственный технический университет, е. Новосибирск, Россия :Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.
¿. НиьишОьрск, Россия
Аннотация - Одним из важнейших разлеловпрнорнтеткого направления развития науки и технологий яьляется мониторинг окружающей природной и техногенной среды. Одна пз основных задач в этой проблеме связана г трогно-лфстнигм п претуирежтенпем чкологическпт риской тля окру-камтей сре-ды.обусловленных воздействием разрушительных природных и техногенных событий и процессов. К числу их относятся геодинамическне процессы в сейсмо-вулканоопасных районах.* также районах бази-розания крупных потенциально опасных инженерных сооружении (ГЭС. АЭС и др.). Для этих целей принципиально невьш, экологически чистым и высокоразрешаюшимявляется метод активного вибрл-пионного мониторинга. Под последннмлодразумевается процесс сложения за временной динамикой откликов пограничных сред «литосфера-атмосфер*» в ответ на воздействпеметрологнческп точными зон-днруюшнмн колебаниями сейсмических вибраторов. Процесс возбуждения волиогых полей с лсмошыо таких вибраторов сопровождается сложным комплексом физических явлений, возникающих в зоне ис-Iочник«! и имеющих свое продолжение на знача дельных удалениях 01 нею.К числ> ал ьи;ини нелинейные процессы взаимодействия источников со средой, а также процессы излучения сопряженных волновых колебаний - сейсмических, акустических, электрических, электромагнитных. Анализ этих явлений н оценивание нх количественных характеристик на сегодня имеют как чисто научное, так н практическое значрки?. Т* работ* приводятся оригинальные регулктатм испериментов, связанные с реитгнийм указанных задач
Ктючееые слова: активный геофизический мониторинг, сейсмические вибраторы, нелинейная днна-мика, сопряженные волновые поля, экспериментальные данные.
I Введение
Проблема активного мониторинга окружающей природной среды с целью прогнозирования и предупреждения экологических рисков от природных н техногенных катастроф входит в число приоритетных направлений развития науки и технологии. В качестве инструментария решения проблемы пс активному геофизическом)' мониторингу начиная с 1980-х годов были разработаны и изготовлены ряд мощных сейсмических вибратороЕ [1]с амплитудой возмущающей силы 40...200 тс е диапазоне частот 1... 15 Гц и маломощные сенсморазвсдоч-ные вибраторы с амплитудой возмущающей ситы 10. ..20тс е диапазоне частот 10...100 Гц. Процесс излучения сейсмических волеовых полей с помощью таких вибраторов сопровождается сложным комплексом онзнческих явлений, возникающих в зоне источника и имеющих свое продолжение на значительных удалениях от него. Одна из составляющих указанного комплекса состоит в том. что наряду с сейсмофнзическим полем система <внсратор-грунт» порождает акустические и электромагнитные поля |2,3,4|.
Б зоне вибрнюроьразвивакмем кчкле нс.шнсйныс физические зффемы. приводящие к появлению су(х«ф-моник е высших гармоник в сейсмических н акустических (сснсмоакустнчсскнх) колебаниях. Такие эффекты обуглотппмкутгя особенносттми конструкции конкретного типа источника пргщессами тняимодейс-тшя источника с фунтом, а также механическими свойствами последнего. Так. нелинейные свойства электрогидравлнче-скогэ вибрационного источника сейсмических сигналов рассматривались в [5]. Авторами настоящей работы накоплен значительный экспериментальный материал связанный с нелинейной динамикой разного класса нс-точннксв с амплитудой возмущаюшей ситы. лежащей в диапазоне 10-100 тс. и ь частотном диапазоне >-101 Гц. Некоторые результаты представлены в наоижцей статье.
Результаты работ по нелинейной динамике сейсмических внЗрагоров увязываются с решением фундаментальных задач изучения нелинейностилинамикн геологической среды [б. 7]. Это определяется тем. чтовибрато-ры представляют собой инструменты с высокими метрологическими характеристиками, позволяющими с высоким разрешением измерять характеристики нелинейности геодинамических процессов.При этом ндентифнка-цияэффектсв нелинейности непосредственно самих источников яв.т?ется принципиальной. Этим определяется актуальность исследоЕаннйпс теме настоящей работы.
П. Постановка задачи
Олннмн нз существенных факторов взаимодействия вибраторов со срелой являются нелинейные эффекты взаимодействия. Такие эффегты определяются комплексом факторов: нарушением условия нерззрывнсстн источника с подстилающей поверхностью, изменением параметров жесткости последней в процессе проведения сеансов зондирования несннфазностью взаимодействия отдельных учаспсов платформы вибратора с поверхностью грунта н. наконец, конструкцией самого источника. Исследование таких явлений в свяш с нарастающим распространением вибраторов в мире опрсделястсЕосврсменностъ изучения отмеченных эффектов.
Ш. Теоретические предпосылки нелинейнэсб!
Колебания сейсмического вибратора в монохроматическом режиме излучения описываются уравнением
ти Ягй : к(ы)и = Р зш аЯ \ Р0 (1}
Здесь т - масса вибратора. возбуждающая сила воздействия вибратора на грунт. Ро = т^- вес вибратора. к(и) - жесткость среды. Кь - актнзное сопрогивленне излучения. и - смещение платформы вибратора. В случае. когда Г>Р. происходит этрыв излучающей платформы вибратора от грунта. В момент отрыв; смещение Енбратора и=0. При и<0 источник совершает свободный полет. Услознс неразрывности источника е среды определяется условием: и>0. Отрыв вибратора от греды обычно вохгакает в области резонанса системы «виб ратор-грунт» и является причиной розникноиечия гармоник и тлучаемктх сейгмических колебачияч- К сия™ г этим возникла идея «анкернсго креплениям источника к подститающеи среде, что обеспечизает ее перемещение совместно с колебательной платформой и дополнительно способствует увеличению <щрисоединенкой>; массы к источнику, что в конечном счете увеличивает возбуждающую силу Г.
Проявление нелинейности форм волноеых колеоаний обусловлено такжефактэром ассиметрнчнойреакции подстилающей поверхности: как известно, грунт на растяжение практически не работает, он работает лишь на сжатие. К тому же изменение жесткости подстилающей поверхности в процессе проведения сеансов приводит к не.пянейой зависимости уровней колебаний и среде по- источчикпм от эмплитудм иогчущекий нносиикт\ платформой вибратора. Хэтя при этем услозие неразрывности может соблюдаться.
В случае гидравлических вибраторсв[1] эффект нелинейности излучения обуславливается нелинейными свойствами зоздушной пневмопружины поддерживающей колебательную массу. Нелинейность здесь проявляется в том что воздушна? пружина работзет как упругий элемент лишь на сжатие, что определяет зссиметрню полуволн излучаемых колебаний при ходе столба жидкости вши н взерх
В общем схучае полная сейсмическая мощность излучения от Еибратора составляет
= ХЖ-сск*.
где \-duJdt, <р- соответственно колебательная скорость ловерхнсстн грунта и угол сдвига по фазе между воз-буждзющей силой и скоростью.
К г луча е нелинейного режима излучения с опта я мощность излучения перераспределяется \'е*'лу основной частотой н^.ученил и гармониками.
1 к
^ • = - <1^01 К'о I «« % + X |Ч IIЧ |Ъ ) — 1—1
Здесь Го, V*, <Ро~ соответственно возбуждающая сила, скорость смещения грунта н угол сдвига по фазе между ними на основной гармонике;
г,, V,, &1- соответственно сила, скорость и угол сдвига по фазе наьэй гармонике.
VI. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для изучения факторов нелинейности излучения колебанийсейсмнческимн вибраторами были выполнены эксперименты по регистрации сигналов испосрсдстЕСЕНов зоне 4-х источников. Сюда включены: центробежный вноратор
ЦЗ-100 (амплитуда возмущающей силы до 100 тс в диапазоне частот 5... 12 Гц}, центробежный внбра-торЦВ--0 (амплитуда возмущающей силк до 4С тс в дипазоне частот «5... 15 Гц), гидрорезонансный вибратор Г^В-^О (амплитуда возмущающей силы до ЯП тг и диапазоне частот1 15 Гп). передвижной вибратор ГЯ-10/100 (амплитуда возмущающей силы до 10 тс в диапазоне частот до 10...130 Гц). Тип излучаемых колеба-нийв среду списывается гармонической функцией с нарастающей частотой Ссвип-сигнал):
где А^— эгнбающая сигнала.^ -начальнаячастота развертки сигнала. ^=сстт - коэффициент, определяющий скорость развертки частоты во времени. \~=Т.'А' - число дискретных стсчетсв сигнала с хлительностью разверстки Т н интервалом дискретизации по времени Лг Для определенных типое вибраторов Т задается с учетом глубины зондирования 'Земли
Эффекты нелинейности излучения сейсмических колебаний оценивались с помощью сге* тра.ттьповременных функций, основанных на вычислении ссщпонирсванногопрсооразовання Фурье, которсе вкчисля-лось по отношению к сзнп-снгнала.\: вида (2):
V / п-0 I
Я иды спектрально временных функтгий (СВФ). рассчитанныепо записям колебаний тогда (?.), для 4-\ типов внбраюрив - ценхробежною вх-.братира ЦЗ-100. цен.робежнихи виОрахсра ЦБ-40. х идрорсюнанснохо вибратора ГРВ-50. сейсуоразведочного вибратора С'В-10100 представлены на рис. 1.
Записи колебаний выполнены непосредственно в зоне излучения источников. На рис. 1э пред став лена СВФ сигнала от ЦВ-Ш дтительнсстью 600с в полосе частот Гц. на Рис. 1Ь - для 1 РВ-сО ссответственно
для 1-00 с н 5.. .7 Гц. на рис. 1в - для ЦВ-40 соответственно для 2400 с н 6.25. ..0.57 Гц. дтя СВ-10/100 соответственно длябО с н 10 ..50 Гц. Во всех случаях СВФ соответствуют записям по вертикальной компоненте Т Каи следует из анализа представленных СВФ. эффекты нелинейности излучения различных типов вибраторовзна-чнтслънэ отличаются. Менее всегэ их выраженность наблюдается у мощного Еибратора ЩЗ-ЮС. Здесь урсвень второй гармоники на излучении составляет около 5%. Столь малый уровень достигается за счет вышеотмечен-пого приема анкерного крепления источника к подстилающей среде, тгэ обеспечивает условие неразрывности источника и среды и>0.
Напротив, длт вибратора такого же типа ЦВ-40 ярко выражено присутствие субгармоники и высших гармоник Изначально этот тип вибратора разработан как передвижной источник и анкерное крепление его к подсти-
лающей среде не предусмотрено Это является причиной нарушения услоЕия неразрьшностн источника со средой, что влечет за собой сильно выраженные эффекты нелннейнссти излучения. СуЭгармэннка достигает до 40% ог основной, на второй - до 30%, на третьей - до 20% Таким образом, имеет место выраженное перераспределение мощности излучения по гармоникам. Но отношению к гидрорезонанснсму зиЬратору 1РЬ-ЬО (рис 1б)характсрна выраженность второй гармоники на уровне 25% от основной. Причина нелинейносгн здссь определяете? нелинейностью воздушной пружинят проявляющейся при хале колебательного столбя жидкости вверх-виш. Б меньшей степени нелинейные эффекты излучении шхиишамша но отношению к ьнбраиру СВ-10/100. Здесь часть мощности излучения уходит во вторые, третьи, четвертые, птгые гармоники (рис. 1г). Суммарные лстерн на гармоники по мощности не превышают 20%.
99)92411.С12. СУ-100
99002318.СЮ. ЦПУ-Я»
Рис. 1 Виды спектрально временных функций
Эффекты нелинейности излучения, регистрируемые в зоне вибраторов имеют свсе продолжение и в дальней зоне, т.е. на расстояниях намного превосходящих длину волны сейсмических колебаний. Для оценивания ггнх яффектгт вычислялись гпотнппт?иит уровней чибратиониыу сейсмограмм, полученных хж результат свертки на основных н втирых гармониках зондирующею езин-сигнала. 3 частности, ии отношению х виорато-ру ЦВ-100 диапазон основных частот евнл-енгналалежнт в пределах 5.5...8.5 Гц, соответственно вторых гармоник в полосе частот 11... 17 Гц. На рис. 2прнведены вибрационные сейсмограммы, получаемые с помощь-
км',оси, Й= 36.67
ювзанмокорреляциннэй сверши опорных свил-сигналов и регистрируемых по компоненте Т в указанных полосах
частот. Результаты соответствуют двум дальностям - 20. 50 км. Параметры сейсмограмм приведены на рис. 2 в виде надписей к каждой го них. Дополпптелыю здесь указываются амплитуды преобладающих во..н з дискретных единица АЦП. Приведенные сейсмограммы отличаются следующими особенностями: более высокой компактностью н выраженностью волн Р з области етоэых гармоник. Это связано с тем. что преобладающий спектр волн Р сосредоточен в более зыгоюча-стлтной области (ч том числе я области частот иторьтх гярмп-тшк) в сравпе:ши с волнами 5. Отметенная особенность наблюдается на обеих дальностях - 20. 50 км. При этом вклад вторых гармоник по отношению к основнымсоставляет порядка 3%. Дополнительно следует заметить, что измеренные уровни вторых гармоникна компонентах X. У состазляют менее едного процента.
Эффекты нелинейнпс~и ичлучекия от йибрртора Т1В-40 отобра>:сатотся па характере сейсмограмм (вибрационных кор реллограм). получаемых в основной (рабочей) полосе частот зондирования (7.91...11.23 Гц), на субгармонике (половинной раоочеи полосе частот) и второй гармонике (удвоенной раоо-чей полосе частот^.
Результаты таких корреляционных сверток, характеризующих собой вибрационные сейсмограммы для компоненты 7 соответственно представлены на рнс. За. Зв. Сейсмограммы получены в диапазоне дальностей от источника 350...1185 м, при этом шаг между датчиками составлял 200 м.
Как следует нз рисунков, наиболее контрастные встуилення волн нролзлаклея на высших гармониках т.о позволяет повысить точность измерения времен прихода волн
км:, гарм,А= 1.29
но ос но ни ои гармоника
НЬ
А».........
I » щ м I---
- 1,с
по суогармонике
Ум
о 2 4 * » III
Сс
л * Ш
по удвоенной гармонике
ТР
« г
4 Л * <1
Рис 3 Ниораттиониы* сейсмограммы от инбратора ТТИ-ДО на оскоиной частоте и гармониках полученное
в пределах дальностей 350... 1155 м.
Учитывая вклад вторых гармоник юндкрующнх сигналов з уровни колебаний, регистрируемых в олнжесй н да.н>нсй зонах, необходимо прияимахь их во внимание нрн изучении нелинейных эффектов, вызываемых средой распространения волн.
Как было замечено во введении. вибраторы порождают одновременно разные типы полей - основные сейсмические; сопутствующие акустические, электромагнитные н электрические поля. Этим полям также присущи эффекты нелинейности излучения, как и сейсмическим. Ниже графически это иллюстрируется по отношениюк вибратору ГРВ-50 [рис.4).
Рнс. 4. Амшштудные спектры сигналов н помех для вибратора ГРВ-:?0, основнаячастота tí.4 Гц.
Результат одновременной регистрации сейсмических, акустических и сейсмомапппных полей, излучаемых гндрорезонансным внбраторомГРВоО. иллюстрируется спектрограммами соотвеплвующих сигналов, которые регистрировались в монохроматических режимах излучения на ряде фиксированных частот. Так в частности, на рнс. 4 представлены амшштудные спектры сигналов отвнбратора ГРВ-50. зарегистрированных в ближней зоне источника, и помех Анализ осуществлен в полосе частот 0...25 Гц для редиманзлучення на основной частоте 6.4 Гц н гармонике 12.8 Гц. Из анализа представленных здесь н других результатов измерений следует, что нелинейные явления, связанные с появлением вторых гармоник, могут проявляться во всех трех типах полей. При этом вторые гармоники в некоторых случаях могут проявлять себя с более высокой помехоустойчивостью по отношению к основным(рнс. 4).
VII. Заключение
1. В работе расмотрена проблема нелинейной динамики сейсмических вибраторов разного типа. Проблема связана с анализом нелинейных процессов на этапах возбуждения волн разной прнроды-сейсмнческнх. акустических электромагнитных.
2. Показано, что эффекты нелинейности излучения, регистрируемые в зоне вибраторов, имеют свое продолжение и в дальней зоне, т.е. на расстояниях, намного превосходящих длину волны сейсмических колебаний. Всвяш с этим изучение н учет таких эффектов приобретает первостепенное значение для повышения достоверности интерпретации экспериментальных результатов по изучению нелинейных процессов в среде с помощью вибрационного зондирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев А. С. Глинский Б. М. Ковалевский В. В.. Хайрегдинов М. С. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. Новосибирск: Изд-во СО РАН. филиал «Гео», 2004. 3S6 с.
2. Алексеев АС.. Глинский Б. М, Дряхлов С. И. [и др.]. Эффект акустосенсмнческой индукции при вноро-сенсмнческом зондировании У Доклада РАН. 1996, Т. 346. № 5. С. 664-667.
3. Глинский Б. М., Ивакнн А. Н.„ Ковалевский В. В. [и др.]. Изучение сейсмомагннтных эффектов, boíhh-кающнх при внброво!действии на среду //'Развитие методов и средств экспериментальной геофизики: сб. науч. тр. /ОИФЗ РАН. М, 1996. Вып. 3. С. 174-1S0.
4. Заславский Ю. М. Излучение сейсмических волн вибрационными источниками /НПФ РАН. Нижний Новгород, 2007.. 199 с.
5. Циммерман В. В. Нелинейные свойства электрогндравлнческого внбрацнонногонсточннка сейсмических сигналов Ü Проблемы нелинейной сейсмнкн под ред. А. В. Николаева. М: Наука, 1987. С. 273-279.
6. Николаев А. В. Проблемы нелинейной сейсмнкн И Проблемы нелинейной сейсмнкн.. М: Наука. 1987. С. 5-20.
7. Володин И. А. Нелинейность н многомаспттабностъ в сейсмоакусгнке // Проблемы геофизики XXI века под ред. А. В. Николаева. М.: Наука. 2003. Кн. 2. С. 5-36.
