Исследование взаимодействия поверхностных волн Рэлея с неоднородной структурой

Внедрение: 2014 г.

В одноимённой диссертации [1] мы находим яркий пример применения АЦП E14-440 при экспериментальной проверке метода микросейсмического зондирования (ММЗ) [2], основанного на спектральном анализе поверхностных волн Рэлея. Значительная часть диссертации посвящена экспериментальному изучению взаимодействия поверхностных волн с неоднородностью на основе положений ММЗ. В результате был определён параметр разрешения метода и были найдены условия, позволяющие повысить его разрешающую способность.

В разработанном автором измерительном комплексе (рисунок 1) [3] использовались шесть пьезоэлектрических датчиков, коаксиальные кабели, АЦП E14-440, плата согласования, содержащая повторители напряжения на основе операционного усилителя AD820, аккумулятор 12 В. 

Рисунок 1. Съёмные детали измерительного комплекса, упакованные в кейс: АЦП (справа), плата согласования (слева), основа с гнёздами для подключения датчиков (вверху). 

Пробные измерения скорости поверхностных волн проводились на поверхности замерзших озер (рисунок 2).

Рисунок 2. Пробные измерения на поверхности льда.

Примечание от L-Card: по всей видимости, автор применил индустриальное исполнение модуля АЦП по специальному заказу в L‑Card.

Сейсмические волны, возбужденные на поверхности льда с помощью искусственно созданных ударов, регистрировались датчиками. Используя данные записанного сейсмического сигнала, определялась скорость поверхностной волны.

В условиях песчаного карьера (рисунок 3) при удалении датчиков от источника на расстояние 5-ти метров был произведён ряд ударов кувалдой, имитирующий импульсный источник, и получены сейсмические данные.

Рисунок 3. Измерения скорости волны на территории песчаного карьера.

Обширная экспериментальная часть диссертации описывает пять модельных экспериментов (рисунок 4) для различных условий:

• Модель 0: На площадке 10 x 10 метров закапывался баллон с незамерзающей жидкостью объёмом 5 л, датчики располагались по сетке с вертикальным расстоянием 40 см и горизонтальным расстоянием 20 см между узлами.
• Модель 1: Аналогична модели 0, но расположение источника волны от базовых датчиков было на удалении 5‑ти метров.
• Модель 2: В основном аналогична модели 1, но объём ёмкости составлял 1 л.
• Модель 3: Модель пустоты, в которой в качестве неоднородности было взято пустое включение – вырытая канава.
• Модель 4: Для создания неоднородности использовался силикатный кирпич.

Во всех моделях маломощным импульсным источником волны являлся удар кувалдой. 

Рисунок 4. Схемы модельных экспериментов.

Трёхмерные модели этих экспериментов приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Трёхмерные модели экспериментов.

Рисунок 6. Модель "0": слева – баллон с незамерзающей жидкостью (синего цвета), имитирующий мелкомасштабную изометрическую неоднородность, помещен в песчаную почву на глубину 0.5 метра. Справа – профильные линии и положение баллона обозначены красным цветом.

Рисунок 7. Модель "0": Изображение записей импульсного удара и амплитудных спектров для базового датчика (вверху) и перемещаемого датчика (внизу), воспроизведенных с помощью инструментов обеспечения LabView.

Рисунок 8. Модель "0": Поверхностная диаграмма для профиля 1, проходящего через неоднородность. Различными цветами обозначена интенсивность реакции в относительных единицах по мере убывания.

Метод микросейсмического зондирования, исследованный в вышеупомянутых физических моделях, был применен к данным наблюдения поверхностных волн естественного происхождения, зарегистрированных вдоль профилей, пересекающих зону Ахтырского разлома (Краснодарский край, Россия). В работе представлена комплексная интерпретация результатов метода зондирования, основанного на исследовании взаимодействия наблюдаемых мод поверхностной волны Рэлея с неоднородной структурой, и результатов структурно-геоморфологического метода, использующего данные наблюдений поверхности Земли посредством космических снимков.

Рисунок 9. Восстановленное поле перемещений Ахтырского разлома в результате применения структурно-геоморфологического метода. Тип разлома определён как правый сдвиг при северо-северо-западном сжатии.

С помощью созданного программно-измерительного комплекса, разработанных компьютерных программ, предложенных и реализованных алгоритмов в работе решены две основные задачи:  

1. Задача по исследованию взаимодействия поверхностных волн Рэлея с неоднородными структурами в условиях, приближенных к лабораторным. 
2. Задача по исследованию результатов взаимодействия волн Рэлея со структурой Ахтырского разлома в натурных условиях.
    

Источники:

1. Смагличенко А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук «Исследование взаимодействия поверхностных волн Рэлея с неоднородной структурой». – М. – 2014. – 178 с.

2. Патент РФ на изобретение № 2271 554, МПК G01V 1/00. Способ сейсморазведки / A. В. Горбатиков; заявл. 25.03.2005; опубл. 10.03.2006. Бюл. № 7. 9 с.

3. Смагличенко А. В. Программно-измерительный комплекс для оценки локализации неоднородности по сейсмическим данным // Сейсмические приборы. – 2014. – Т. 50, № 2. – С. 20-38.

Разработчик: Смагличенко Александр Вадимович (Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН)