МОРСКАЯ СЕЙСМОМЕТРИЯ ЛЕКЦИЯ 9 ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПРИЕМ

МОРСКАЯ СЕЙСМОМЕТРИЯ ЛЕКЦИЯ № 9 ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ ВОЛН В ТРАНЗИТНЫХ ЗОНАХ КУРС ЛЕКЦИЙ ДЛЯ 1 -ГО КУРСА МАГИСТРАТУРЫ

МЕЛКОВОДЬЕ КАК ТИП СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ Мелководье как особый тип сейсмогеологических условий характеризуется наличием сверхтонкого водного слоя с характерным параметром H 0, 2.

МЕЛКОВОДЬЕ КАК ТИП СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ К зоне предельного мелководья относятся: 1. береговые топи, 2. плавни, 3. лиманы, 4. заливные части суши, 5. отмели, дельты рек, 6. открытые мелководные рифы, 7. широкие приливные зоны, 8. литоральные зоны и близкие к побережью мелководные участки,

МЕЛКОВОДЬЕ КАК ТИП СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ Общая площадь Российского шельфа с глубинами моря до 20 м составляет свыше 700 тыс. км 2, при этом больше 130 тыс. км 2 занимает предельное мелководье. Верхняя часть разреза в зонах мелководья обычно характеризуется: 1. переслаивающимися континентальными и морскими осадками, сравнительно быстро изменяющейся морфологией, 2. наличием погребенных речных долин, 3. наличием палеорусел рек, 4. наличием песчаных баров и др. ,

МЕЛКОВОДЬЕ КАК ТИП СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

ПРОФИЛЬ ИНТЕРФЕРИРУЮЩЕЙ ВОЛНЫ СМЕЩЕНИЯ где : • 1 = 2 H/(Ccos 1); • 2 = 2 h/(Ccos 1); l = 0; 1; 2; …; • C = 1500 м/с – скорость звука в воде; • f(t) – профиль волны давления, излучаемой источником в безграничном пространстве; • 1 – угол выхода луча из источника (отсчитывается от вертикали); • kпр – коэффициент преломления луча при переходе в нижнее полупространство.

СПЕКТРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНТЕРФЕРИРУЮЩЕЙ ВОЛНЫ СМЕЩШЕНИЯ где: • Sf(j ) – комплексный спектр функции f(t) - волны давления, излучаемой источником в безграничном пространстве • 1 = 2 H/(Ccos 1); • 2 = 2 h/(Ccos 1); l = 0; 1; 2; …; • C = 1500 м/с – скорость звука в воде;

ОБОБЩЕННАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДНОГО СЛОЯ где: • Sf(j ) – комплексный спектр функции f(t) - волны давления, излучаемой источником в безграничном пространстве • 1 = 2 H/(Ccos 1); • 2 = 2 h/(Ccos 1); l = 0; 1; 2; …; • C = 1500 м/с – скорость звука в воде;

МОДУЛЬ КОМПЛЕКСНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ K 1( , 1, h) = 2 sin( 2/2) модуль частотной характеристики, учитывающей влияние границы «вода−воздух» , K 2( , 1, H) = kпр[1+2 kотрcos( 1)+kотр2]− 1/2 – модуль частотной характеристики, учитывающей влияние границы дна. Так и для гидрофона в водном слое.

ОБОБЩЕННАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДНОГО СЛОЯ В функции угла это выражение описывает диаграмму направленности точечного гармонического излучателя с частотой , расположенного в водном слое глубиной Н на удалении h от поверхности воды.

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГО СЛОЯ Модули частотных характеристик водного слоя при = 0 (нормальное падение) и разных коэффициентах отражения от дна: а) глубина моря Н =2, 5 м; глубина источника h = 2, 0 м; б) глубина моря Н =5, 0 м; глубина источника h = 3, 0 м

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГО СЛОЯ Модули частотных характеристик водного слоя при = 0 (нормальное падение), kотр= 0, 3 и разных глубинах погружения источника: а) глубина моря Н =2, 5 м; б) глубина моря Н =5, 0 м

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДНОГО СЛОЯ Модули частотных характеристик водного слоя при = 0 (нормальное падение), kотр= 0, 3 и разных глубинах моря: а) глубина погружения источника h =2, 5 м; б) глубина погружения источника h =5, 0 м

ГРАНИЧНЫЕ ЧАСТОТЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАГЛУБЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА Граничные частоты интерференционной характеристики заглубления источника K 1( , 1, h) при 1 = 0 Глубина источника, h 0, 5 м 1 м 2 м 3 м 4 м 5 м 6 м Нижняя граничная частота, Гц 375, 0 187, 5 93, 8 62, 5 46, 9 37, 5 31, 3 Верхняя граничная 1125, 0 частота, Гц 562, 5 281, 0 187, 5 140, 6 112, 5 93, 8

ВЫВОДЫ О ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ СЛОЯ • Это осциллирующие периодические функции, в колебаниях которых проявляются два периода. • Первый – основной период частотных характеристик – обусловлен влиянием поверхности «вода – воздух» и равен периоду модуля синуса в функции K 1( , 1, h). • Максимумы огибающих лепестков характеристик пропорциональны kпр и соответствуют частотам: fn max = (n− 0, 5)C/(2 hcos 1)

ВЫВОДЫ О ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ СЛОЯ • Минимумы частотных характеристик, равные нулю, достигаются в точках fn min = (n− 1)C/(2 hcos 1), где n = 1, 2, 3, … • Высокочастотные осцилляции кривых K( , 1, h, Н) обусловлены влиянием дна моря, при этом они связаны с периодичностью косинуса в функции K 2( , 1, Н) и имеют период равный C/(2 Hcos 1), тем меньший, чем больше глубина моря.

ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК K( , 1, h, Н) НА МЕЛКОВОДЬЕ 1. Полоса их пропускания смещена в область высоких частот и при малых глубинах погружения источника или гидрофона выходит за пределы сейсмического диапазона частот. 2. Низкочастотные компоненты спектра излучаемых и принимаемых волн – от 1– 2 Гц до 40− 60 Гц, где обычно содержится основная энергия целевых волн, оказываются в полосе гашения.

ПРИЕМ С ПОМОЩЬЮ ГЕОФОНА По сравнению с гидрофоном, регистрирующим волны давления, волны сжатия и разрежения, отраженные от поверхности «вода − воздух» , геофоном регистрируются с обратными знаками. Профиль волны скорости смещения, регистрируемой геофоном, имеет следующий вид:

ПРИЕМ С ПОМОЩЬЮ ГЕОФОНА Обобщенная комплексная интерференционная характеристика геофона, установленного на дне водного слоя, имеет вид:

ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОФОНА Модули частотных характеристик геофона на дне водного слоя при = 0 (нормальное падение) и разных коэффициентах отражения от дна: а) глубина моря Н =2, 5 м; б) глубина моря Н =5, 0 м

ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОФОНА Модули частотных характеристик геофона на дне водного слоя при = 0 (нормальное падение) и разных глубинах моря: а) коэффициент отражения от дна kотр = 0, 3; б) kотр = 0, 7

ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕОФОНА • В отличие от частотных характеристик источника и гидрофона, расположенных в водном слое, характеристики геофона, установленного на дне водного слоя, имеют полосу пропускания в области низких частот. • Максимумы огибающих лепестков характеристик обратно пропорциональны коэффициенту отражения от дна и соответствуют частотам fn max= (n− 1)C/(2 Hcos 1); Минимумы характеристик достигаются в точках fn min= (n− 0, 5)C/(2 H cos 1), где n = 1, 2, 3, …

ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕОФОНА Таким образом, сравнение характеристик геофона и гидрофона, расположенных на одной и той же глубине на дне моря, показывает, что их экстремумы сдвинуты на половину периода, т. е. : максимумы характеристики геофона соответствуют минимумам характеристики гидрофона и наоборот.

ВЛИЯНИЕ ГРАНИЦ НА ДИНАМИКУ ПУЛЬСАЦИИ ПОЛОСТИ Т Р 0 -5/6 (в безграничной воде) вблизи жестких границ водного слоя эта зависимость нарушается.

ВЛИЯНИЕ ГРАНИЦ НА ДИНАМИКУ ПУЛЬСАЦИИ ПОЛОСТИ Давление в окрестности полости, кроме постоянной составляющей, равной весу столба жидкости на данной глубине, будет иметь и переменную составляющую, которая в любой момент времени равную мгновенному значению собственного реверберационного фона, т. е. : сумме волн давления, излучаемых бесконечной цепочкой мнимых источников, координаты которых могут быть получены последовательными зеркальными отображениями реального излучателя в границах водного слоя.

ВНЕШНЕЕ ДАВЛЕНИЕ В ОКРЕСТНОСТИ ИСТОЧНИКА где : rl 1 = 2 l. H; rl 2 = 2 l. H+ 2 h; rl 3 = 2(l+1)H – 2 h; rl 4 = 2(l+1)H; l = 0, 1, 2, …; h – глубина погружения источника; f(t)– профиль волны давления, возбуждаемой источником в «безграничной» среде.

ВНЕШНЕЕ ДАВЛЕНИЕ В ОКРЕСТНОСТИ ИСТОЧНИКА Вклад реверберационного фона в функцию Р 0(t) тем больше, чем меньше глубина водного слоя и чем ближе реальный источник к его границам, при этом полное давление Р 0(t) в окрестности источника при Н = 2 5 м и удалении его от границ на 0, 5– 1, 0 м может отличаться от величины гидростатического давления Р 0 на 20− 30%.

ВЛИЯНИЕ ПОГРУЖЕНИЯ ПНЕВМОИЗУЧАТЕЛЯ НА ПЕРИОД ПУЛЬСАЦИИ

ВЛИЯНИЕ ПОГРУЖЕНИЯ ПНЕВМОИЗУЧАТЕЛЯ НА ПЕРИОД ПУЛЬСАЦИИ : ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ а) излучатель «Сигнал-5» , V = 0, 25 дм 3, Р = 15 МПа; б) излучатель «Сигнал-6» , V = 2, 0 дм 3, Р = 15 МПа

ВЛИЯНИЕ БЛИЗОСТИ ДНА • Верхняя часть разреза на мелководье: неоднородности из-за близости к источнику становятся сопоставимыми с размерами первой зоны Френеля и оказывают существенное влияние на характеристистики волны в дальней зоне. • Изменчивость рельефа дна моря. • Процесс распространения волн сравнительно большой амплитуды в слабо консолидированных рыхлых грунтах в ближней зоне излучателя является существенно нелинейным. • При размещении излучателя вблизи дна практически всегда наблюдается появление более или менее интенсивных (в зависимости от строения верхней части разреза) низкочастотных и низкоскоростных волн-помех поверхностного типа.

ПРИМЕРЫ ПОЛЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ Сейсмограммы, полученные на мелководье Северного Каспия (глубина моря – примерно 5 м) с пневматическим источником «Пульс-6» (V = 9, 0 дм 3, Р = 12)