WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 15 |

Поскольку сейсмические исследования в описываемых рейсах проводились в комплексе с другими океанологическими наблюдениями, то интервал между точками зондирования выбирался не из геологических соображений, а исходя из общих планов гидрологических работ и гидрометеорологических условий. При работах на полигонах возле выставленного гидрологического буя точки наблюдения располагались с интервалом в 1—5 миль. При работах же на региональных гидрологических профилях сейсмозондирования можно было производить лишь на станциях, расстояния между которыми были от 10 до 30 миль. Такая разреженная система наблюдений придавала подобным исследованиям чисто рекогносцировочный характер (рис. 12).

Метод отраженных волн в течение нескольких лет после окончания Второй мировой войны был основным при исследовании структуры осадочных отложений. Однако со временем этот способ за рубежом на довольно продолжительное время вышел из употребления, вследствие трудности корреляции волн между точками наблюдения. Последнее было обусловлено тем, что не удавалось определить скорости сейсмических волн в исследуемых слоях из-за малой базы наблюдения и расстояния взрыв-прибор по сравнению с глубиной океана. После создания в 1960 году в США безтротиловых источников возбуждения и улучшения регистрирующих устройств методу отражения волн вновь было уделено большое внимание. Значительные усилия в аппаратурных и методических разработках звуковой геолокации в Атлантическом океане приложили США и Франция. В настоящее время в России и за рубежом создано большое количество различных по устройству и назначению геолокаторов. В зависимости от конструкции акустического излучателя они подразделяются на 5 типов: магнитострикционные (вибраторы), электрогидравлические (спаркеры), индукционные (бумеры), пневматические и газовой детонации. Метод подрывания тротиловых зарядов применяется только в тех случаях, когда необходимо исследовать осадочную толщу мощностью свыше 3-4 км. Для этого используются обычно небольшие заряды TNT (0,5—3 фунта), подрываемые на ходу судна в специальных камерах через каждые 2—3 минуты.

Остановимся вкратце на принципах работы упомянутых выше сейсмопрофилографов.

Принцип работы вибраторов основан на использовании эффекта магнитострикции, заключающегося в изменении размеров ферромагнитных материалов при намагничивании. Поле упругих колебаний создается благодаря вибрации стержня, помещенного в воду.

Для получения интенсивных колебаний используется обычно целая система, составленная из нескольких вибраторов, обмотки которых соединяются параллельно. Питание вибраторов осуществляется напряжением в 1000 вольт, ток подмагничивания не превышает 15 ампер на пакет. Мощность излучаемого импульса достигает ватт/см2, длительность — 2 м/c.

Заключенные в обтекатели (для уменьшения влияния кавитации) магнитострикционные вибраторы закрепляются на подводной части борта судна. Вследствие довольно высокой рабочей частоты излучения (до 10 Кгц) и сравнительно малой мощности вибраторы обладают небольшой глубинностью. Как правило, она не превышает 100—150 метров.

Запись отраженных сигналов производится на электрохимической бумаге способом, аналогичным работе самописца эхолота (рис.

13). Поскольку магнитострикционные вибраторы являются обратимыми, то они могут как в режиме излучения, так и в режиме приема.

Специально буксируемые гидрофоны здесь не используются.

Созданный в электронной лаборатории ВМФ США в 1960 году электрогидравлический излучатель (спаркер) возбуждает акустические волны с помощью искрового разрядника электроды которого находятся под водой. Для накопления энергии используется блок электрических конденсаторов емкостью до 2000 мкф, заряжаемый до 10 квольт. Пиковое напряжение такого разрядника может достигать 100000 джоулей при глубине погружения электродов на 4 метра.

В зависимости от направленности работ применяются разрядники самой различной мощности с накапливаемой энергией от 1 до 100 килоджоулей. Они характеризуются значительно меньшей преобладающей частотой излучения, чем вибраторы: максимум спектра обычно заключается в полосе 100—1500 гц. Звуковые волны при этом проникают под дно на глубину до 200—500и более метров.

Существенным недостатком спаркера является возникновение пульсирующего парогазового пузыря, который приводит к появлению вторичных ударов, маскирующие глубинные отражения. Создание направленных источников затруднено вследствие больших длин волн излучения. Отраженные сигналы принимаются группой пьезоприемников из керамики титаната бария, размещенных в неопреновом шланге на расстоянии 3,5 метра один от другого. Разрядные электроды и приемный гидрофон буксируются на плавающем кабеле в 100 метрах от корабля. Регистрация ведется через усилители, имеющие фильтры высокой и низкой частоты на электрохимической бумаге способом переменной интенсивности. Разрез верхних слоев земной коры во временном масштабе. Производительность метода 50 км/сутки.

Описанный в 1962 году индукционный излучатель, или как его называют бумер, работает на принципе использования пондеромоторных сил, отталкивающих толстую рабочую мембрану из алюминия от плоской катушки. Упругие колебания возникают благодаря резкому движению мембраны в жидкости, примыкающей к ней.

Давление в импульсе зависит от целого ряда факторов и, в частности, от индуктивности катушки и толщины мембраны. При работающем напряжении 4 киловольта накопительные емкости обычно не превышают 160 мкф. При длительности импульса в 0,5 мс и токе 1600 ампер акустическое давление достигало 0,5—2 атмосфер. Для исключения повторных ударов излучатель либо крепится к корпусу судна, либо используются две симметричные катушки, которые уравновешивают пондеромоторные силы. В последнем случае повторный удар наблюдался через 6 секунд, при этом система буксировалась за кораблем пи вертикальном расположении мембран по отношению к поверхности воды. Это обусловлено тем, что бумер вследствие большой длины излучаемого сигнала (частота излучения 40—200 гц) является ненаправленным источником. Достоинство бумера по сравнению со спаркером в том, что при одинаковой мощности излучаемого импульса он работает на более низких напряжениях (до 4 киловольт), что позволяет обеспечить лучшую безопасность работ и меньшие трудности с обеспечением питания в корабельных условиях. В качестве приемного устройства используется буксируемый гидрофон, такой же как и при работах со спаркером.



Использование газовых взрывных источников находит значительно меньшее применение при глубоководных исследованиях, вследствие сложности и небезопасности их эксплуатации. Кроме того, наличие сильных повторных ударов существенно затрудняет интерпретацию получаемого материала. Существует несколько типов установок газовой детонации (УГД). Один из них был описан в году в журнале “Oil and Gas”. Смесь кислорода и ацетилена в пропорции 3:1 закачивается в буксируемую за кораблем на глубине 5— 9 метров камеру из неопрена. Смесь воспламеняется от искры, вырабатываемой специальным искровым разрядником и детонирует. Частота подрывания составляет 6 секунд. Длина камеры 3 метра, толщина стенок 20 мм. Обычно используют одновременно 10 таких камер, суммарное действие которых эквивалентно взрыву 200-400 г динамита. Глубинность метода достигает 4,5 км, производительность — 160 км/сутки. Одна камера выдерживает до 36 тысяч взрывов. Иногда применяют камеры из стального корпуса, а в качестве детонирующей смеси используют кислород и жидкий пропан. Максимум спектра находится на полосе 30-70 гц, частота повторения импульсов — 1—2 в секунду.

В последнее время широкое распространение получили пневматические пушки, работающие на сжатом воздухе. В настоящее время в России созданы и широко используются в морских исследованиях отечественные геолокаторы и сейсмопрофилографы, работающие как на принципе использования сжатого воздуха газовой детонации, так и электрогидравлического удара (спаркеры). Дальнейшее усовершенствование этих систем и разработка новых продолжается в НПО Геофизика (Санкт-Петербург), ВНИИ МОРГЕО (Геленджик), СахНИИ (Южно-Сахалинск) и в других организациях. Простота и безопасность их эксплуатации создают благоприятные предпосылки для их использования при исследованиях в океане. Один из вариантов пневматической пушки был предложен в 1964 году Дж. Юингом и Р. Цейнером. Импульсы генерировались за счет передач давления внутри камер, создаваемого мощным компрессором. При этом силой импульса можно было варьировать. Пушка буксируется за кораблем и снабжается воздухом посредством гибкого шланга.

Глава II Волновая теория распространения звука в море §1. Упругие свойства горных пород. Закон Гука.

При действии на минерал внешней растягивающей (сжимающей) силы расстояние между атомами меняется, что нарушает также их равновесное положение. Возникают внутренние силы, стремящиеся вернуть атомы в первоначальное положение равновесия. Эти силы называются напряжением.

F=-x (II.1) — жесткость связи, x — смещение. Под действием силы F тело совершает гармоническое колебание, когда малым напряжениям F соответствуют малые смещения x.

L = (II.2) L Величина характеризует относительное удлинение (сжатие) параметров кристаллической решетки. Если напряжение мало, то имеет место выражение = E, (II.3) которое называется — закон Гука.

При =1, =Е, что имеет место, когда L=L (с ростом пород Е растет) (Е=1010—1011 Па).

Величина Е, называется модулем Юнга или модулем упругости. Модуль сдвига = G (II.4) d = - деформация сдвига (II.5) d возникает при касательном напряжении. E и G - являются основными упругими характеристиками среды. Есть также коэффициент Пуассона, связывающий Е и G и являющийся безразмерной величиной E - 2G = (II.6) 2G Величины Е и G имеют размерность н/м2 (Си).

Закон Гука в своей линейной части (рис. 14) характеризует область упругой деформации, происходящей в малом отрезке времени (доли секунды). Однако упругое тело Гука в геологическом масштабе времени (тысячи, миллионы лет) может вести себя как пластичное тело, т.е. подчиняться нелинейным законам. Такую среду называют телом Максвелла. В общем случае деформация в твердых породах слагается из упругой f1() и пластичной f2( t), т.е. L= f1()+f2( t).

Таким образом, горные породы в разных временных масштабах могут одновременно рассматриваться и как упругие тела Гука и как пластичные тела Максвелла.

§2. Уравнение плоской волны. Анализ решения уравнения Если к горной породе приложить внешние нагрузки, вызывающие напряжение (взрыв), то произойдет деформация, смещение частиц породы на расстояние x в направлении силы F(). Так как частицы пород жестко связаны между собой таким образом, что смещение одной частицы вызывает смещение другой и т.д. (принцип домино). Произойдет распространение упругой гармонической деформации с некоторой скоростью. Найдем уравнение возникающих при этом гармонических колебаний частиц. Для простоты ограничимся вначале случаем, когда напряжение действует вдоль одной координаты x. Согласно второму закону Ньютона ma=F, (II.7) где а — ускорение, m — масса частицы, U a = (II.8) t Величина U=x — характеризует смещение частиц от некого положения равновесия. Обозначим массу частицы как произведение объема V на плотность m=V·=xyz· (II.9) Перепишем выражение (II.7) с учетом (II.8) и (II.9):





2 U U F = m = xyz (II.10) 2 t t Если силы действуют вдоль одной оси x, то сумма всех сил F будет равна сумме напряжений x, действующих на соответствующую площадь (объем) S x F = S, (II.11) x где S=xyz.

Подставим (II.11) в левую часть уравнения (II.10) и после сокращения получим:

U x =. (II.12) t x m ( = ).

V Теперь воспользуемся законом Гука (II.3):

x = Ex, U U где x = ;x = E (II.13) x x В итоге получаем волновое уравнение вида:

2 U E U = (II.14) t xE Здесь коэффициент есть не что иное как скорость распростране ния продольной волны в породе сp:

E cp = (II.15) или 2 U U = c2 (II.16) p t xЭто и есть уравнение распространения упругих гармонических колебаний части у среды вдоль координаты x, фронт которых имеет вил плоскости. Отсюда название — уравнение плоских волн.

Отметим, что в средах кроме продольных волн сp распространяются поперечные волны сs, скорость которых определяется выражением:

G cs = (II.17) Отношение сp/сs с учетом (II.6) и (II.15) равно:

cp 1 - = 2 (II.18) cs 1 - В кристаллических породах сp/сs1,71,9, в осадочных — сp/сs=1.51,4.

Продольные волны распространяются как волны сжатияразряжения; поперечные — как волны сдвига. Скорость сp больше скорости сs в 1,4—1,9 раз и зависит, как мы видим, от литологического состава пород.

Для полного определения волны необходимо задать еще начальные и граничные условия колебания. Начальные условия характеризуют состояние колеблющегося источника в начальный момент времени, т.е. при t=0.

U (x,0) = U (x) - смещение частиц среды, U = (x) - скорость смещения в начальный момент времени t.

t Граничные условия показывают характер волнового колебания на границах вдоль оси x, т.е. при x=0 и x=l:

U (0,t) =, (II.20) U (l,t) = (t) Совокупность начальных и граничных условий называется также краевыми условиями. Уравнение (II.16) представляет собой линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка. Его общее решение имеет вид:

x x x x U = Acost - + iAsint - + B cost + + iB sint +, (II.21) c c c c где A и B — постоянные интегрирования, зависящие от краевых условий. Первое слагаемое в правой части уравнения (II.21) выражает плоскую волну, распространяющуюся в положительном направлении оси x, второе слагаемое выражает обратную, т.е. отраженную от границы l волну, возвращающуюся к источнику (рис. 15). В безграничной среде отраженной волны не будет, т.е. уравнение примет вид:

x U = Acost -, (II.22) c где А характеризует амплитуду смешения U в точке x=0, т.е. амплитуду источника возбуждения. Колебания частиц среды вдоль оси x создаются движением бесконечной плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Верхняя поверхность этой плоскости называется фронтом волны. Согласно принципу Гюйгенса каждую точку, лежащую на поверхности фронта, можно рассматривать как самостоятельный источник колебаний.

В однородной среде, где скорость распространения волны по всем направлениям одинакова (с=const), положение фронта в момент времени t2=t1+t, т.е. радиус колебаний r, определяется из выражения:

r = ct (II.23) В неоднородной среде скорость волны по разным направлениям будет различна. Следовательно, и радиусы r будут также различны.

Таким образом, зная скорость в среде и положение начального фронта волны, можно построить последовательность фронтов, распространяющихся от источника воды для времени t+ t, t+2t...t+nt и т.д. Для этого каждую точку поверхности следующей линии равного времени (изохроны) можно рассматривать в качестве самостоятельного источника колебаний.

§3. Уравнение сферической волны. Анализ решения уравнения Рассмотрим более общую задачу, когда распределение плотности среды, скорости и акустического давления зависят от расстояния до некоторого источника, представляющего собой пульсирующую сферу (рис. 6).

В этом случае волны распространяются во все стороны от источника, а их фронты являются окружностями. Учитывая симметричность фронтов относительно центра источника, рассмотрение удобнее провести не в прямоугольной, а в сферической системе координат, в которой r — длина радиус-вектора, — долгота, — полярное расстояние. Источник поместим в начало координат (рис.

6). Из рисунка видно, что x = r sin cos y = r sin cos (II.24) z = r cos где:

x2 + yy r = x2 + y2 + z2, = arctg, = arctg. (II.25) x z Полученное ранее волновое уравнение плоской волны 2 U U = ct xПерепишем с учетом пространственной формы распространения колебаний:

2 2 2 U U U U = c2 + + (II.26) t x2 y2 zЗаметим, что выражение в скобках представляет собой лапласиан 2, т.е.

2 2 U U U 2 = + + (II.27) x2 y2 zили U = c22U (II.28) t Таким образом, уравнение плоской волны есть лишь частный случай общего волнового уравнения вида U (x, y, z,t) = c22U (II.29) t когда U 2U = (II.30) xДля получения волнового уравнения в сферической системе координат необходимо значение (II.24) подставить в соответствующих производных) в уравнение (II.26). Подсчитаем лапласов оператор 2U.

U U r (r ) r = ; = 2r = 2x (II.31) x r x x x или r x = x r Таким же путем найдем r y r z = и = (II.32) y r z r Следовательно, U U x U U y U U z = ; = ; = (II.33) x z r y z z z z r Найдем вторые производные по x. По правилу Лейбница ' '' ( ) UV = U V + UV, т.е.

2 U U x U x U x = = + x2 x r r xr r r x r С учетом (II.31) найдем первое слагаемое правой части последнего уравнения U x U x x U x = =.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 15 |










© 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.