WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 14 | 15 || 17 |

Сегодня, по прошествии 20 лет этот метод получает второе рождение в работах некоторых зарубежных исследователей в связи с возрастающим интересом в получении оперативной информации о литологии донных осадков, их типах и физических свойствах на ходу судна или подводной лодки.

Глубоководные сейсмические исследования указывают на почти повсеместный многослойный характер структуры донных осадков. В связи с этим можно предположить, что при широкополосной регистрации волн всегда можно найти придонный слой, который для данной частоты будет являться тонким, т.е. отношение мощности слоя h к длине падающей волны будет меньше двух (h/<2). Если слой h, обладающей акустической жесткостью z2, однородный и заключен между двумя полупространствами, характеризующимися акустическими жесткостями z1 и z3, причем z1

2 R23 + R12 - 4R23R12 sin2 K2h () R2 =. (VI.7) R23R12 + 1 - 4R23R12 sin2 K2h () Здесь через R12, R23 обозначим коэффициенты отражения от границ тонкого слоя; R2 – волновое число; причем R2 = ; с2 – скорость cпрохождения сейсмических волн в тонком слое; h – его мощность.

Как видно из формулы (VI.7) модуль коэффициента отражения имеет максимум при толщине слоя h, равной целому числу полуволн и минимум при h, равном четверти длины волны.

В первом случае при K2h=m (m=0,1,2...) модуль коэффициента отражения равен:

R23 + RRmax = (VI.8) 1+ R23Rm Во втором случае, при K2 h = (m=1, 3...) формула (VI.7) приобретает вид:

R23 - RRmin = (VI.9) 1- R23RОтражение будет отсутствовать совсем, если R23=R12, т.е. когда =. (VI.10) 2 1 Таким образом, при наличии тонкого слоя спектральный коэффициент отражения будет представлять собой квазиопериодическую функцию частоты и характеризоваться серией максимумов и минимумов, для которых справедливо:

1 = 2 или f2=2f1 (VI.11) Это означает, что точки экстремумов кривой R=R(f) при наличии тонкого однородного слоя будут располагаться на равных частотных интервалах f.

Это обстоятельство играет существенную роль при анализе волновой картины в диапазоне спектра частот регистрируемых колебаний. В полосе более высоких частот увеличивается возможность влияния на форму спектральной кривой R=R(f), наличие в разрезе очень тонких слоев. Поэтому, вследствие взаимного искажающего влияния большого числа экстремумов, соответствующих тонким слоям различной мощности, одновременно уменьшается точность определения спектральных коэффициентов отражения, соответствующих тому или иному слою. Для обеспечения необходимой точности определения экстремальных значений коэффициентов отражения необходимо учитывать положение (VI.11). Для этого нужно строить графики зависимости номера экстремума от частоты. Точки, которые обеспечивают линейную аппроксимацию данных и определяют систему максимумов и минимумов, соответствующих одному тонкому слою, покрывающему дно океана в районе проводимых измерений.

Выражения (VI.8) и (VI.9), определяющие экстремальыне значения модуля коэффициента отражения, позволяют определить скорости звуковых волн в тонком слое и в подстилающей среде при известных значениях 1 2 и с1, 3. Из формулы (VI.8), опуская громоздкие выкладки, получим (Орленок, 1977):

1+ Rmax c3 = c11 (VI.12) 1- Rmax Аналогичным образом, решая уравнения (VI.9; VI.12) относительно с2, после ряда преобразований находим:

1- Rmin 1 + Rmax ()(), c2 = c11 (VI.13) 1+ Rmin 1- Rmax ()() Наличие тонкого слоя устанавливается, как известно, по присутствию в спектре отраженной волны побочных максимумов. Все величины в формулах (VI.12) и (VI.13) известны, кроме 2 и 3. Плотность 2 самого верхнего осадочного слоя определяется по пробам грунта или при отсутствии непосредственных определений 2 и 3 — путем использования среднестатистических данных о плотности осадков, приведенных в главе V.

При отсутствии сильных отражений можно положить 23.

Если же мы ставим задачу определения акустического импеданса тонкого слоя и подстилающих его осадков, то из формулы (VI.12) и (VI.13) находим:

1 + Rmax c33 = c11 ; (VI.14) 1- Rmax 1- Rmin 1 + Rmax ()(). (VI.15) c22 = c1+ Rmin 1- Rmax ()() Величина с11 – скорость звука и плотность морской воды могут быть взяты из гидрологических данных из Атласов океанов или рассчитаны по океанологическим таблицам. По найденным значениям импеданса, используя статистические данные главы V можно определить литологические характеристики грунтов.

Построение спектральной кривой и учет поглощения Формула для отношения спектров двух однократно отраженных волн при наличии тонкого слоя имеет вид (Орленок, 1977):

S1( f ) R1( f ) h2c = 1 + e2 ( f )h2, (VI.16) S2 ( f ) h1c R2 1 - R1 ( f ) () откуда, полагая множитель 1- R1 ( f ) = 1, находим значение спектрального коэффициента отражения R1(f) от тонкого слоя S1( f ) R1( f ) = R2e-2 ( f )h2 (VI.17) h2cS2 ( f ) 1 + h1c Пренебрежение членом (1- R1 ( f ) ) возможно только в том случае, если R10,3. В противном случае рассчитанные значения R1(f) будут несколько занижены. Для более точных расчетов величину (1- R1 ( f ) можно учесть, рассчитав ее предварительно по спектрам однократной и многократной отраженной волны, имея ввиду, что S1II ( f ) R1( f ) = 2, (VI.18) S1I ( f ) где для вычисления спектров S1I ( f ) и S1II ( f ) должны быть взяты однократное и многократное интерференционные колебания, т.е.

суммарная волна от толстого и тонкого слоев.

Следует отметить, что спектральная кривая, построенная по многократным отражениям (VI.18), может быть использована для вычисления скоростей наравне с кривой, рассчитанной по спектрам однократных волн (VI.17). Поскольку оба метода являются независимыми друг от друга, то их одновременное использование представляется весьма необходимым для осуществления взаимного контроля получаемых значений.

Согласно предварительному условию h2 является тонким слоем.

Следовательно, при глубине воды более 1 км произведение h2ch2c2<

= (VI.21) f (f определяется из графика (VI.11)). Величина в формуле (VI.20) представляет собой отрезок, отсекаемый аппроксимирующей прямой на оси ординат. Зная величину R1(f), можно определить RR1( f ) R2 = e- (VI.22) (1- R1 ( f )) Поскольку R2 является коэффициентом отражения от толстого слоя и, следовательно, не зависит от частоты, то он может быть определен также и по амплитудам однократной и многократной волны II 2 AR2 = (VI.23) AТаким образом, после построения спектральной кривой R1 (f) и учета поглощения 2 (f), используя формулы (VI.19) и (VI.22), можно приступить к непосредственному определению скоростей в придонном и подстилающем слоях, пользуясь выражениями (VI.12 и VI.13).

Экспериментальные вычисления скоростей по сейсмограммам МОВ Для вычисления скоростей сейсмических волн в океанических осадках были использованы записи нормально-отраженных волн, полученные как на широкополосной фильтрации (f=0-0 гц), так и на фильтрующей аппаратуре (f=0-45 Гц). На рис. 39 приведены выкопировки одной из сейсмограмм, полученной в районе материкового склона полуострова Лабрадор. Здесь же приведены амплитудные спектры этих волн.

На рис. 39 приведен также график функции R=R(f) без учета поглощения и геометрического расхождения и с учетом этих параметров. Нетрудно видеть как велико значение вводимых поправок. Они приводят к 12—15 кратному понижению экстремальных значений спектрального коэффициента отражения. На построенной таким образом кривой R(f) отмечаются два основных максимума на частотах 11 и 70 Гц и слабо выраженный максимум на частоте 40 Гц. Таким образом, наблюдается периодичность колебания R(f), равная 30 Гц.

Отсюда время запаздывания волн, отраженных от кровли и подошвы слоя составляет 1/30=0,033. Расчет скорости в тонком слое и в подстилающей среде, произведенный по максимальному экстремуму на частоте 11 Гц и соседнему минимуму по формулам (VI.12) и (VI.13) дает соответственно значения 1,45 и 2,0 км/с. Средняя скорость по всей толще равна 1,73 км/с. Для контроля значений c2 и c3, полученных по спектрам однократных волн был произведен расчет скоростей по спектрам многократных волн (VI.18) (рис. 39). Полученные при этом величины c2 и c3 равны соответственно 1,4 и 2,3 км/с, откуда c ср=1,86 км/с.

Таким образом, два независимых определения скоростей по кривым R(f), построенным по однократным волнам с учетом поглощения и геометрического расхождения и по многократным — без учета этих параметров дали весьма сходные результаты, причем коэффициент отражения и в том и в другом случаях примерно одинаков и не превышает 0,35. В соответствии с полученными данными мощность придонного тонкого слоя равна 49 и 46 м.

С целью проверки достоверности экспериментальных определений скоростей и выбора наиболее реальной пары значений c2 и cпо полученным параметрам с2, с3 и h2 по формуле (VI.19) были расчитаны теоретические кривые R(f) (рис. 39). Как видно из приведенных графиков (пунктирная кривая) экстремальные значения теоретических коэффициентов отражения и период осциляции наблюденной кривой R(f) хорошо совпадают. Однако наряду с определенным сходством между ними имеются и некоторые различия. Основные из них заключаются в том, что экстремумы экспериментальных графиков R(f) однократных волн уже теоретических и в том, что второй максимум здесь выражен слабо.

Первое отличие объясняется фильтрующими свойствами среды, которые не учитывались при теоретических построениях. Второе — обусловлено, по-видимому, тем, что в интерференционном колебании участвует не один слой, а возможно два или более слоев.

Значительно лучше совпадение теоретической кривой R(f) с экспериментальной для случая многократных отражений позволяет сделать вывод о том, что полученные по этой кривой значения скоростей наиболее точно аппроксимируют исследуемую толщу осадков. Таким образом, имеем c2=1,4 км/c, c3=2,30 км/с и h2=46 м.

Рассчитанные значения скорости c2 в придонном слое осадков находятся также в хорошем соответствии с данными непосредственных определений c2 по пробам грунтам, взятым в рассматриваемом районе Лабрадорского моря.

При вычислениях скоростей по однократным отражениям для анализа должны быть выбраны колебания, между которыми отсутствуют какие-либо интенсивные отражения. Кроме того для избежания влияния частично-кратных волн выбранные колебания должны быть расположены друг от друга по возможности на небольших временных интервалах.

Наибольшая точность в вычислении скоростей c2 и c3 может быть достигнута при использовании спектров прямой и донной волн, так как помехи за счет влияния частично-кратных отражений здесь незначительны.

В последние годы в связи с возросшим интересом к проблеме получения информации о физико-механических свойствах и литологии морских осадков без остановки судна для отбора проб грунта стали появляться работы, в которых эта проблема решается, в частности, и методом резонансного слоя, рассмтотренном нами в этом параграфе (Bjorno et. al., 1994; Lambert, et. al, 1993; Panda S. Et. al., 1994; Howard et al., 1983). Как следует из содержания упомянутых работ часть исследований идет по пути компьютерного моделирования, другие экспериментируют на мелководье с высокочастотными излучателями. Однако предложенные нами способы определения акустического импеданса, звуковых скоростей и классификации донных осадков остаются наиболее простыми и доступными для массовых расчетов в условиях мелкого и глубокого морей.

§3. Определение скорости звука по критическому углу отражения Идея метода вытекает из рассмотрения уравнения (III.40) для коэффициента отражения от границы вода—дно (гл. III):

mcos - n2 - sinR =, (VI.24) mcos + n2 - sin2 cгде m = ; n =. При падении волны на границу раздела под кри1 cстическим углом =крит sin=n, т.е. sinк рит =. (VI.25) сcотсюда к рит = arcsin (VI.26) cВ этом случае коэффициент отражения достигнет максимального значения R=1 вне зависимости от типа осадков и различий их акустических импедансов. Это значит, что происходит полное отражение падающей акустической энергии в верхнее полупространство, с образованием головной волны, распространяющейся вдоль границы раздела. Зная крит например по расстоянию взрыв — прибор (база наблюдения) и глубину до преломленной границы H, а также скорость звука в воде с1, можно определить скорость звука в донных осадках сcc2 = (VI.27) sinк рит Глубина H находится из эхолотной записи, с1 — из гидрологических данных или приравнивается с1=1500 м/с. Для нахождения крит нужно знать расстояние между пунктом возбуждения акустических колебаний и пунктом их приема, т.е. между излучателем и приемником (гидрофоном). Для этого необходимо вести работы либо с двух кораблей, либо использовать гидроакустические радиобуи, дальность действия которых регламентируется дальностью УКВ-связи, т.е.

40—50 км. Метод критического угла широко принят в гидро- и сейсмоакустике, и в частности при отслеживании смены волн в условиях многослойной среды. При увеличении расстояния между источником и приемником возможно неоднократное возрастание амплитуд волн в первых вступлениях отраженных под критическим углом от разных границ раздела.

Pages:     | 1 |   ...   | 14 | 15 || 17 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.