Способ определения структуры осадочной толщи в мелком море

 

Использование: при исследовании структуры осадочных пород, слагающих дно акватории, для инженерно-геологических изысканий, разработки полезных ископаемых и нефти на шельфе. Сущность изобретения: на исследуемый участок дна укладывают приемники колебаний на заданном расстоянии друг от друга. Приемники кабелем через усилители соединяют с анализатором когерентности колебаний. В исследуемом участке дна возбуждают колебания с частотой ниже критической частоты акустических колебаний в водном слое. В качестве источника колебаний может быть использовано естественное волнение водной поверхности. По наблюдаемым характеристикам пространственной когерентности регистрируемых колебаний решением обратной задачи определяют дисперсионные характеристики канала распространения и по ним путем сопоставления с расчетными дисперсионными характеристиками среды для различных вариантов структуры осадочной толщи - толщины слоев осадочной толщи, скорости распространения поперечных волн. 3 ил.

Изобретение относится к области геологоразведочных работ и может быть использовано при исследовании структуры осадочных отложений океанического и морского шельфа, озер и водохранилищ для целей строительства морских и гидротехнических сооружений, разработки полезных ископаемых и нефти на шельфе, геологии и экологии, а также для решения задач гидро- и сейсмоакустики.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения слоистой структуры осадочной толщи в море, основанный на ее волновом зондировании короткими импульсами акустических колебаний с последующим определением по полученным данным мощности осадочных слоев, скорости распространения продольных волн в слоях, плотности среды [1] Способ предполагает использование специализированных судов и, обычно, взрывных работ на море.

Однако данный способ практически неприменим для исследования структуры осадочной толщи в мелком море при глубинах менее 200 400 м из-за мешающего влияния многократных отражений излучаемых колебаний от водной поверхности и дна и слабых отражательных свойств границ осадочных слоев. Кроме того, этот метод неприменим для определения скоростей поперечных волн в осадках, наиболее информативных для выявления границ слоев и оценок прочности свойств грунта [2] Техническим результатом изобретения является осуществление оперативного определения осадочной толщи, включающего определение толщин осадочных слоев и скоростей поперечных волн в них, при глубинах моря менее 200 400 м без использования специализированных судов и взрывных работ.

Поставленный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа определения структуры осадочной толщи в море, основанного на ее волновом зондировании акустическими колебаниями и последующем определении толщин слоев и скорости продольных волн, волновое зондирование ведут на частотах ниже критической частоты акустических колебаний в водном слое, при этом регистрацию колебаний проводят одновременно не менее чем двумя приемниками, установленными на заданном расстоянии на исследуемом участке дна моря, а толщину верхнего слоя осадков и скорости поперечных волн в осадках определяют путем сопоставления расчетных дисперсных характеристик среды, полученных для различных вариантов структуры осадочной толщи, с теми же характеристиками, определенными по данным пространственной когерентности регистрируемых колебаний, а также тем, что в качестве источника колебаний используют естественное волнение водной поверхности.

Способ теоретически и экспериментально обоснован. Каждый из признаков, включенных в формулу изобретения, необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели.

Так, использование для волнового воздействия на дно частот ниже критической для акустических волн в водном слое позволяет работать с волнами, не распространяющимися в воде, а распространяющимися только в осадочном грунте (упругие поверхностные и объемные волны в грунте), и тем самым избавиться от помех от многочисленных отражений волн от водной поверхности и дна, обычно мешающих проведению измерений в мелководных областях.

Используемые упругие поверхностные волны в грунте чрезвычайно чувствительны к слоистой структуре среды под дном, что отражается в модовом составе волнового поля с существенно различными скоростями распространения мод.

Использование двух и более разнесенных в горизонтальной плоскости приемников колебаний позволяет измерить пространственную когерентность поля упругих волн, которая сама по себе несет информацию о слоистой и скоростной структуре среды под дном.

Способ осуществляется следующим образом. На исследуемый участок дна моря устанавливают по меньшей мере два приемника колебаний на заданном расстоянии друг от друга. Приемники посредством кабельной линии связывают с судном обеспечения работ или с береговым постом и подключают через усилитель к анализирующей аппаратуре, рассчитывающей функцию когерентности регистрируемых колебаний.

В исследуемом участке дна возбуждают колебания с частотой ниже критической частоты для акустических колебаний в водном слое. Источником возбуждаемых в дне колебаний может служить естественное волнение водной поверхности, имеющее подходящий частотный состав.

Затем измеряют пространственную когерентность поля регистрируемых колебаний, возбуждаемых в дне. Наблюдаемые характеристики когерентности отражают свойства канала распространения колебаний и по ним определяют толщину верхнего слоя осадков и скорости поперечных волн в осадках. При этом в расчетах задаются или используются известные значения скоростей продольных волн и плотности среды.

По современным представлениям сравнительно тонкий слой современных осадков (толщина несколько десятков метров) со скоростями продольных волн, близкими к скорости звука в воде, и поперечных волн порядка 200 м/с лежит на мощном слое консолидированных осадков со скоростью продольных волн порядка 1,8 км/с и поперечных 1 км/с. Как показали исследования, именно эти два слоя осадков определяют характер распространения в дне низкочастотных (0,5 5 Гц) колебаний, возбуждаемых, в частности, волнением водной поверхности.

На фиг.1 представлены рассчитанные дисперсионные характеристики нулевой (верхний рис. ) и первой (нижний рис.) мод упругих поверхностных волн в дне для трехслойной среды (вода верхний слой осадков нижнее подстилающее полупространство) в диапазоне толщин верхнего слоя осадков h 20 200 м, а на фиг.2 наблюдаемые в Балтийском море и на шельфе Черного и Японского морей характеристики когерентности колебаний между приемниками, установленными на дне на заданных расстояниях D.

Как видно из фиг.1, с понижением частоты фазовая скорость нулевой моды упругих поверхностных волн асимптотически стремится к значению скорости поверхностной волны Рэлея C_R в нижнем слое осадков, близкому к скорости поперечных волн в нижнем слое осадков C_S2. С увеличением частоты скорость снижается из-за влияния верхнего слоя осадков чем больше толщина верхнего слоя осадков, тем раньше по частоте проявляется его влияние. Уменьшение скорости с частотой прекращается при достижении значения скорости волн Cтоунли C_St, близкого к скорости поперечных волн в верхнем слое осадков C_S1.

Особенностью первой моды упругих поверхностных волн является наличие граничной частоты, выше которой эта мода может существовать в задаваемой слоистой среде. Как видно из фиг.1 (нижний рис.), для заданных типичных значений толщин верхнего слоя осадков ожидаемые граничные частоты первой моды лежат в диапазоне 0,5 2 Гц. На частотах, близких к граничной, фазовая скорость первой моды близка к скорости поперечных волн в нижнем слое осадков C_S2, а с увеличением частоты она снижается до предельного значения, равного скорости поперечных волн в верхнем слое осадков C_S1.

Рассмотренные рассчитанные дисперсионные характеристики согласуются с экспериментально полученными данными по когерентности колебаний, представленными на фиг. 2. Здесь в когерентности действительно наблюдаются два участка, соответствующие нулевой и первой модам колебаний с граничной частотой, обнаруживаемой по участку резкого увеличения когерентности с частотой.

Отсюда следует метод определения толщины слоев и скорости поперечных волн путем сопоставления расчетных дисперсионных характеристик среды для различных вариантов структуры осадочной толщи с теми же характеристиками, определенными по данным пространственной когерентности регистрируемых колебаний, относящихся к нулевой и первой модам упругих поверхностных волн для модели изотропного в горизонтальной плоскости поля шума γ=I²_o(KD) (1) где γ когерентность, I₀ функция Бесселя нулевого порядка, K=2πfD/C_ф волновое число, f частота, C_ф фазовая скорость.

Методика проведения расчетов иллюстрируется на фиг.3. Здесь на верхнем рис. представлен пример решения обратной задачи по определению зависимости фазовой скорости от частоты. Экспериментально полученная кривая когерентности γ (f) при некотором фиксированном расстоянии между приемниками наносится на семейство теоретических кривых (1) для разных значений фазовой скорости.

Область минимума когерентности на экспериментальных кривых соответствует значению граничной частоты f_гр, при которой происходит вступление первой моды упругих поверхностных волн и соответственно резкое возрастание когерентности на частотах f > f_гр.

Точки пересечения экспериментальной и теоретической кривых позволяют выявить зависимость C_ф(f) отдельно для нулевой (f < f_гр) и первой (f > f_гр) мод упругих поверхностных волн. Эти зависимости в виде точек наносятся далее на семейство теоретических кривых C_ф(f) для каждой из мод (нижние рисунки), где параметром кривых является толщина верхнего слоя осадков D. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими кривыми позволяет выбрать ту из них, которая соответствует искомому значению D Для первой моды выбор кривой облегчается дополнительным привлечением наблюдаемого значения f_гр.

Значения скоростей поперечных волн для верхнего и нижнего слоев осадков, соответственно C_S1 и C_S2, задаются в вариантах расчета, а также находятся на концах кривых C_ф(f).

Использование предлагаемого метода определения толщины верхнего слоя осадков и скорости поперечных волн в верхнем и нижнем слоях может быть проиллюстрировано для представленных на фиг. 2 экспериментальных данных по пространственной когерентности шума моря. Одна из экспериментальных кривых из верхней группы на фиг.2 (шельф Японского моря) была использована на фиг.3 при объяснении методики расчетов. Из фиг.3 видно, что для этой кривой получаются значения толщины верхнего слоя 80 м и скорости 0,2 и 1,0 км/с соответственно в верхнем и нижнем слоях. Те же значения величин получаются при использовании двух других кривых из этой группы. Аналогичные вычисления для двух других групп кривых на фиг.2, относящихся к шельфовому району Черного моря и к Балтийскому морю, дали меньшие значения толщины верхнего слоя осадков 50 60 м.

Рассмотренные вычислительные операции могут выполняться автоматически с использованием компьютера при наличии в нем соответствующих программ по расчету дисперсионных характеристик слоистой среды и возможности ввода экспериментальных данных с вычислением по ним функции когерентности. Или обработку экспериментальных данных можно получить специализированным стандартным прибором анализатором сигналов, вычисляющим функцию когерентности вводимых сигналов, у которых предусмотрен выход на внешний компьютер для дальнейшей обработки результатов анализа. Такими стандартными приборами являются, например, анализаторы 2034, 2111, CF-930, SM-2100 соответственно фирм Брюль и Къер, Нидерланды, Хьюлетт Паккард, США, Оно-Соки и Ивацу, Япония.

Формула изобретения

Способ определения структуры осадочной толщи в мелком море, включающий волновое зондирование и определение по полученным данным плотности, мощности слоев и скорости продольных волн, отличающийся тем, что волновое зондирование ведут на частотах ниже критической частоты акустических колебаний в водном слое, при этом регистрацию колебаний проводят одновременно не менее чем двумя установленными на заданном расстоянии на исследуемом участке дна моря приемниками, а толщину слоев и скорости поперечных волн определяют путем сопоставления расчетных дисперсионных характеристик среды, полученных для различных вариантов структуры осадочной толщи, с теми же характеристиками, определенными по данным пространственной когерентности регистрируемых колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3