АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 1, с. 101-105
АКУСТИКА СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ ^^^^^^ ТВЕРДЫХ СРЕД. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 550.341+550.834+621.319
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ОТКЛИКА НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ДОЖДЕВОЙ КАПЛИ
© 2015 г. Ю. М. Заславский, В. Ю. Заславский
Институт прикладной физики Российской академии наук 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 Тел.: +7(831) 416-47-64; Факс: +7(831) 436-59-76 E-mail: zaslav@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 13.12.2013 г.
Проведено лабораторное моделирование сейсмического отклика, вызванного воздействием на грунт падающей капли воды. Экспериментально зарегистрирован импульсный сигнал с выхода акселерометров, установленных вблизи точек падения капли на твердую поверхность. Измерен уровень и проанализирован спектр вибросигнала. Теоретические оценки уровня и спектра упруго-волнового отклика согласуются с результатами эксперимента. Результаты моделирования могут быть использованы для снижения уровня шума, вызванного осадками, а также при исследовании особенностей взаимодействия движущейся капли с твердой границей.
Ключевые слова: микросейсмы, дождевая капля, удар о грунт, сейсмический отклик, вибросигнал. DOI: 10.7868/S0320791915010165
Метеоосадки, выпадающие в виде дождя, представляют собой хаотическую во времени последовательность импульсных механических воздействий на поверхность грунта, случайно распределенных по значительной площади. Такое воздействие должно порождать сейсмическое излучение, распространяющееся вдоль свободной земной поверхности и вглубь твердой среды по разным направлениям. При проведении сейсмо-поисковых работ и при геофизических исследованиях в дождливую погоду действительно регистрируются колебания почвы, являющиеся помехой при приеме полезного сигнала [1—6], которые представляют собой высокочастотные микросей-смы (тего^етоге) в частотном диапазоне от десятка до сотни и более герц, малые по уровню и локализованные в точке установки приемника. Очевидно, анализ параметров упруго-волнового отклика на воздействие свободно падающей капли воды должен предшествовать анализу сейсмо-акустических эффектов, сопровождающих дождь. Однако не следует исключать, что действие дождя может оказаться более сложным, чем простая суперпозиция актов воздействия множества капель, хотя по данным литературы высокочастотный микросейсмический шум дождя представляет собой излучение одного из видов некогерентных сейсмических источников природного происхождения, действующих хаотически. Можно полагать, что характеристики сейсмосигналов, создаваемых отдельно падающей каплей, требуют самостоятельного теоретического изучения, а также
и экспериментального исследования. Удар о твердую поверхность падающей капли характеризуется сложными динамическими процессами, связанными с преобразованиями формы, разрушением целостности, с разлетом фрагментов и т.д., при этом возмущение, проявляющееся как сейсмический отклик, возбуждаемый импульсом силы при каждом акте, имеет достаточно низкий уровень. Аналогичные эффекты возникают при падении капель дождя на поверхность водоема или при обрушении гребня вспененной ветром волны с образованием и падением капель в воду, в результате чего генерируется гидроакустический шум. Указанное явление изучается сравнительно давно и скрупулезно [7]. В настоящее время также проявляется повышенный интерес к микросейсмическим шумам и к эмиссионной активности естественной природы, в частности, вследствие возможности извлечения информации о нефтега-зосодержании в продуктивных пластах и о более глубинных геодинамических процессах. В связи с этим имеет место все более активное развитие работ по сейсмоакустическому мониторингу, а его данные увязываются с результатами теоретического анализа различных моделей источников генерации шума естественного происхождения.
Воздействие дождя на сухой грунт также причисляется к одному из физических механизмов или источников высокочастотных микросейсмических возмущений. При его исследовании важно получить как общую оценку явления, так и проанализировать параметры, характеризующие его
Рис. 1. Схема эксперимента.
детали. Для общей оценки представляет интерес, например, масштаб пространственной корреляции микросейсм, возникающих при выпадении осадков. При детальном его изучении важными являются такие показатели как уровень и спектр сейсмических колебаний, создаваемых одной каплей, падающей на твердый грунт.
В свете сказанного представляют интерес экспериментальные данные о сейсмическом отклике на элементарный, единичный акт падения на грунт капли воды, в частности, об уровне и спектральном составе импульса виброускорения поверхности грунта непосредственно в области падения капли. Кроме результатов лабораторного эксперимента, необходимо рассмотреть теоретическую модель сейсмического возмущения, создаваемого каплей, падающей на твердую поверхность. Для теоретической оценки уровня и спектрального состава сейсмического отклика далее используется простейшее представление с использованием идеализации абсолютно неупругого удара.
В эксперименте осуществляется лабораторное моделирование сейсмического отклика на воздействие падающей капли на мягкий грунт. Для получения первичных данных используется модель грунта в виде искусственной среды — пачки из 12—13 листов облицовочного материала толщиной 3—4 см, лежащих плотно друг на друге (см. рис. 1) и образующих куб-матрас (1 м х 1 м х 0.5 м). Таким образом, вместо сейсмического используется упруго-волновой аналог. Над плоской верхней границей мата установлен штатив с капельницей (расстояние от ее среза до границы ~0.9—1 м), из которой на эту границу капает вода (период ~1 с). Для регистрации импульсных упруго-волновых сигналов, возбуждаемых ударом капель, падающих на поверхность, используется пять вибродатчиков-акселерометров Туре KD-45 (коэффициент эл.-мех. связи К = 10 мВ/(м с-2)) производства ИРТ (Германия). Регистрация упруго-волнового отклика стандартным сейсмоприемником-вело-
симетром СВ-20 малоэффективна ввиду значительных искажений, вносимых в упруго-волновое поле самим габаритным датчиком. Влияние аналогичных искажений при использовании акселерометра KD-45 сведено к минимуму из-за малого веса и размера приемника. Упругие колебания при приеме преобразуются в электрические сигналы, которые подаются на вход многоканальных типовых низкочастотных усилителей (звуковой диапазон), с выхода которых - на вход компьютера. Для поканальной регистрации и обработки реализаций сигнала, принятых каждым из пяти вибродатчиков, используется специальная программа.
Линейно-акустические характеристики искусственной среды, используемой для моделирования, как и ее нелинейные упруго-волновые свойства, близки к аналогичным характеристикам для мягких, рыхлых грунтов в естественных условиях [8, 9]. По данным [8], эффективные значения скоростей продольной и поперечной волн в таком сэндвиче составляют с1 ~ 65 м/с, е, ~ 9 м/с, а средняя плотность материала р « 750 кг/м3. Таким образом, искусственная модель среды характеризуется величиной отношения скоростей ~ 6, при которой эффективный коэффициент Пуассона близок к 0.5, что свидетельствует о ее "водоподобности". При моделировании сейсмических волновых импульсов путем использования упругих импульсов-аналогов в искусственной среде получается уменьшение пространственных масштабов волновых возмущений, пропорциональное снижению параметров упругости - скоростей распространения волн сжатия и сдвига, которые для большинства обычных жестких грунтов превышают эти параметры в 2030 раз [9], что и демонстрирует степень миниатюризации. В лабораторном эксперименте с такой искусственной средой возможен более тщательный анализ особенностей структуры поля вибрации, возбуждаемой при ударе капли.
Изложим теоретические предпосылки, позволяющие получить количественный прогноз результатов лабораторного моделирования, в частности, уровня виброперемещений. Благодаря установке среза капельницы над жесткой поверхностью на высоте 0.9-1 м, падающая капля непосредственно перед соприкосновением с твердой границей набирает скорость ~4-4.5 м/с. С учетом средних значений: пространственного масштаба капли
I = 4-5 мм и ее массы М = пр/3/б = 65.45 мг, запасенная энергия составляет Ж « 33.5 х 10-5 Дж. Подразумевая удар неупругим, с учетом вышеуказанного значения скорости капли в момент соприкосновения с границей, а также условий сохранения энергии-импульса, нетрудно оценить величину эффективной силы воздействия на границу и длительности взаимодействия. Указанные
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ОТКЛИКА
103
м/с2
0.05 -:-
0 Г-. .
10
20
30
40 мс
Рис. 2. Реализации вибросигнала на удалениях: (а) 1.5 см, (б) 8.5 см, (в) 15.5 см, (г) 22.5 см, (д) 29.5 см.
Б, отн. ед.
0.5 0 1.0 0.5 0 1.0 0.5 0 1.0 0.5
1.00 0.5
400
800
1200
1600
"(а)
"(б)
-(в)
"(г)
-(д)
2000 /, Гц
Рис. 3. Нормированные амплитудные спектры вибросигнала: (а) 1.5 см; (б) 8.5 см; (в) 15.5 см; (г) 22.5 см; (д) 29.5 см.
0
0
значения силы и эффективной длительности можно определить как В = ~ 6.7 х 10-2 Н, т = 2 ¡¡V ~ 2 мс и рассчитать на их основе параметры импульса вибросмещений в предположении, что они представляют собой поверхностную волну Рэлея, цилиндрически расходящуюся по всем направлениям от места падения. Известно
[10, 11], что связь между пиковыми значениями
К-науе
сейсмического импульсного отклика и, и воздействующей силы
В (?) =
0, г < 0,
Вое
-?1 т
г > о
(1)
имеет вид
г» '
ВОте
П 4
Я-науе / /-.ч
и, (I = 0) = ■
1 -
С.Е.2
1
4юе
СК
/ют - 1
-^ю
16п2рс472^4 1 - Ц к - 4 1 - %4 1 -
2 (
(2)
1 - с\! СС 1 - сЦ С
+ 2
»
где г — время, т — длительность воздействия, ю — частота как переменная интегрирования, сК — скорость рэлеевской волны, г — горизонтальная дистанция.
Для расчета уровня отклика на удалениях порядка длины волны от эпицентра можно использовать упрощенное выражение с заменой В0 на В:
В
Я-н
е(, = 0)
16п2рс^2пгсКх
(3)
Подстановка в (3) вышеупомянутых величин В, т и параметров р, с( ~ сК и г « 0.1-0.3 м позволяет количественно оценить величину отклика, которую удобне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.