ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ  СКОРОСТЕЙ  ЗВУКОВЫХ  ВОЛН  В  ДОННЫХ  ОСАДКАХ

Лужецкий  Виктор  Григорьевич

канд.  техн.  наук,  ст.  науч.  сотрудник  ФБГУ  Института  вычислительной  математики  и  математической  геофизики  СО  РАН,  г.  Новосибирск

E-mail: 

EXPERIMANTAL  STADY  OF  VELOCITIES  OF  THE  SOUND  WAVES  IN  BOTTOM  SEDIMENTS

Luzhetskiy  Victor

Candidate  of  Technical  Sciences,  Senior  Researcher  of  the  Institute  of  Computational  Mathematics  and  Mathematical  Geophysics  of  the  SB  RAS,  Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

В  мелководных  озерах  Новосибирской  области  в  донных  осадках  были  определены  скорости  звуковых  поперечных  волн,  которые  оказались  очень  высокими.  Обнаружено  существенное  увеличение  скоростей  кратных  поперечных  волн,  так,  например,  отношения  скоростей  звука  9-кратных  отражений  к  однократным  превышали  в  2,5  раза.  Установлено,  что  во  всех  озерах  появляются  звуковые  колебания  в  слоях-резонаторах  при  воздействии  на  них  коротких  ударных  импульсов.

ABSTRACT

In  the  shallow  lakes  of  the  Novosibirsk  Region,  in  the  bottom  sediments  there  were  determined  velocity  values  for  transverse  sound  waves,  which  values  appeared  very  high.  A  considerable  increase  in  the  rate  of  multiple  transverse  waves  is  revealed,  so,  for  example,  the  ratio  values  between  sound  velocity  for  9-fold  reflections  with  one-fold  ones  are  greater  than  2,5.  It  was  found  that  in  all  the  lakes  there  are  sound  oscillation  arisen  within  the  resonator  layers  due  to  short  shock  pulses  impacting  upon  them.

Ключевые  слова:  скорость  звуковых  волн;  осадки;  временной  разрез;  кратные  волны;  геопрофилограф.

Keywords:  velocity  of  sound  waves;  sediments;  time  section;  multiple  waves;  geoprofiler. 

При  изучении  скоростей  осадконакоплений  [1]  в  глубоководных  озерах  с  помощью  разработанного  нами  высокоразрешающего  геопрофилографа  [2]  мы  столкнулись  с  интересным  явлением.  Приемники  сейсмоакустических  сигналов  регистрировали  своеобразные  звуковые  волны,  возникающие  в  донных  слоях  при  ударном  воздействии  на  них  излучаемой  волны.  Причем,  при  этом  возникали  поперечные  волны,  которые  распространялись  вдоль  осадочных  структур  с  весьма  незначительным  затуханием.  Для  проверки  этого  явления  осенью  2011  года  мы  провели  ряд  натурных  экспериментов  на  мелководных  водоемах  Новосибирской  области:  озеро  Линево  (Искитимский  район);  озеро  Круглое  (Тогучинский  район);  озеро  Светлое  (Болотнинский  район);  Бердский  залив  (г.  Бердск);  пруд  (Новосибирский  сельский  район).  Полученные  результаты  представлены  в  настоящей  статье.

При  проведении  экспериментальных  геофизических  работ  применялся  сейсмоакустический  комплекс,  который  обеспечивал  генерацию  продольных  волн,  одноканальный  прием  сигналов  и  их  регистрацию  в  цифровом  виде  в  электронную  память.  В  качестве  излучателя  использовался  электродинамический  источник  (бумер),  генерирующий  звуковые  волны  в  диапазоне  4—8  кГц  с  энергией  излучения  100—300  Дж.  Дополнительно  комплекс  был  оснащен  двумя  радиостанциями.

Технология  работ  состояла  в  следующем.  Вначале  в  стационарной  точке  с  помощью  груза,  опускаемого  на  дно,  на  поверхности  воды  устанавливался  двухканальный  приемный  блок  (для  регистрации  сигналов  от  гидрофона  и  радиопередатчика),  затем  измерялась  глубина  воды  с  помощью  эхолота  и  спутниковой  системой  засекались  координаты  этой  точки.  Радиопередатчик  с  геопрофилографом  размещались  на  весельной  лодке.  После  начала  процесса  профилирования  для  отметки  времени  на  радиоприемник  стационарной  точки  каждый  раз  подавался  радиопередатчиком  сигнал  в  момент  начала  возбуждения  звуковой  волны.  В  нескольких  точках  профиля  после  ручной  записи  в  журнал  координат  с  помощью  GPS  подавался  дополнительный  сигнал  в  радиопередатчик,  что  позволило  в  камеральных  условиях  определять  местоположение  точки  на  временных  разрезах  трасс  сейсмопрофилей  и  вычислять  скорости  распространения  поперечных  волн.

Рисунок  1.  Упрощенная  схема  эксперимента

На  рис.  1  приведена  упрощенная  схема  эксперимента,  для  которого  скорость  распространения  поперечной  звуковой  волны  V_к  при  многократных  отражениях  от  поверхности  дна  может  быть  представлена  как:

V_к  =  L/(T_к  –  (H_ст  +  Н_из)/1430  –  2  H_из  (К  –  1)/1430),

где:  L  —  расстояние  (измеренное  с  помощью  GPS)  по  прямой  линии  между  стационарным  приемником  и  положением  излучателя  в  известной  точке; 

Т_к  —  время  между  началом  синхроимпульса  и  передним  фронтом  соответствующей  кратной  волны,  измеренное  на  сейсмограмме; 

Н_ст  и  Н_из  —  глубины  воды  соответственно  на  стационарной  точке  и  под  излучателем; 

1430  м/с  —  скорость  звука  в  пресной  воде; 

К  —  номер  кратной  волны.

В  приведенной  формуле  не  учитывается  некоторое  увеличение  L  из-за  наклона  дна  и  двойное  время  на  прохождение  звуковых  волн  поперек  слоев,  так  как  оно  не  велико  и  для  мелководных  озер  составляет  единицы  миллисекунд.

На  рис.  2  показаны  сигналы,  регистрируемые  на  стационарной  точке.  На  канал  1  поступают  сигналы  от  сейсмоприемника,  а  на  канал  2  —  синхроимпульсы  от  радиопередатчика.  Цифры  1…4  указывают  на  расположение  начала  передних  фронтов  четырех  кратных  отражений. 

Рисунок  2.  Двухканальная  запись  сигналов  на  стационарной  точке

На  рис.  3  приведены  графики  скоростей  в  зависимости  от  расстояний  (удалений)  для  трех  водоемов.  На  бердском  профиле  изгиб  обусловлен  пересечением  старого  ложа  реки  Бердь,  а  отклонение  на  пруду  связано  с  изменением  направления  профилирования  (рис.  4).

Рисунок  3.  Графики  скоростей  поперечных  волн  для  трех  участков

Рисунок  4.  Навигация  профиля  на  пруду

Наблюдается  очень  интересная  картина  на  линевском  озере,  где  видны  существенные  изменения  скоростей  на  участках,  расположение  которых  показано  на  составленной  нами  батиметрической  карте  (рис.  5),  где  стационарный  сейсмоприемник  расположен  недалеко  от  точки  17.

Рисунок  5.  Батиметрическая  карта  озера  Линево

На  рис.  6  для  линевского  озера  изображены  временные  разрезы  одновременно  зарегистрированного  профиля.  Один  из  разрезов  получен  с  помощью  сейсмоприемника,  расположенного  рядом  с  излучателем  (рис.  6а),  а  второй  —  стационарного  сейсмоприемника  (рис.  6б).  На  обоих  профилях  время  (по  вертикали)  равно  50  мс,  а  длина  профиля  составляет  370  трасс.

Рисунок  6.  Временные  разрезы  линевского  профиля,  когда  сейсмоприемник  расположен:  а  —  рядом  с  излучателем;  б  —  на  стационарной  точке

На  рис.  6б  цифрами  обозначены  начала  фронтов  шести  кратных  волн,  отраженных  от  дна,  тогда  как  на  этом  же  временном  интервале  (рис.  6а)  уместилось  всего  двукратное  отражение,  а  это  свидетельствует  о  том,  что  скорости  поперечных  волн  имеют  очень  высокие  значения.  Так,  например,  на  рис.  7  для  линевского  озера  на  участке,  расположенном  посредине  между  точками  2  и  3,  построен  график  изменений  отношений  кратных  скоростей  V_к/V_1к  в  зависимости  от  номера  кратной  волны.  На  графике  видно,  что  максимальное  отношение  достигает  значения  2,5.  В  бердском  заливе  в  ложе  реки  Бердь  значение  V_6k/V_1k  не  превышает  1,5.

Причины  происхождения  большого  разброса  скоростей  кратных  волн  нам  пока  не  известны.  Такое  увеличение  скоростей  кратных  волн  мы  наблюдаем 

Рисунок  7.  График  зависимости  V_к/V_1к  от  номера  кратной  волны

только  при  малых  глубинах  воды,  тогда  как  в  глубоководных  озерах  этот  эффект  отсутствует.  Первые  предварительные  результаты  по  измерению  скоростей  поперечных  волн  первой  кратности  на  Телецком  озере  получили  в  2012  году,  но  они  показались  настолько  высокими,  что  мы  решили  повторить  этот  эксперимент  в  2013  году.

Интересен  и  тот  факт,  что  мы  наблюдаем  высокие  значения  скоростей  поперечных  волн,  в  то  время  как  геофизики  утверждают,  что  скорости  поперечных  волн  всегда  меньше  скоростей  продольных  волн  (почти  в  2  раза),  а  в  нашем  случае  —  совсем  иная  картина. 

Поперечные  волны  мы  используем  при  анализе  данных  в  разработанном  нами  «бескерновым»  методе  определения  возраста  донных  осадков  на  основе  высокоразрешающих  сейсмоакустических  профилей  и  датировок  ледовых  кернов  антарктических  станций  «Восток»  и  «EPICA».  Очень  хотелось  бы  расширить  границы  применения  кратных  волн,  но  для  этого  необходимо  иметь  данные  литологических  разрезов  кернов  озер,  хотя  бы  с  глубин  3—5  м. 

Резонирующие  свойства  донных  слоев  наблюдаются  всегда,  но  наиболее  наглядно  мы  это  увидели  на  сейсмопрофилях,  полученных  на  Посольской  банке  Байкала  [3].  Для  иллюстрации  этого  явления  на  рис.  8  приведен  временной  разрез  трассы  на  мелководном  озере  Круглое,  где  хорошо  наблюдается  эффект  резонанса.  Амплитуда  регистрируемого  сигнала  первой  отраженной  волны  мала,  тогда  как  последующие  5  отражений  имеют  увеличенные  амплитуды  вплоть  до  насыщения  и  совершенно  другой  спектральный  состав.  Очень  интересная  картина  наблюдается  на  линевском  озере  (рис.  9),  где  представлены  шесть  кратных  отражений.  Постепенное  увеличение  амплитуд  отраженных 

Рисунок  8.  Временной  разрез  трассы  на  озере  Круглое

Рисунок  9.  Временной  разрез  трассы  с  6-кратным  отражением

кратных  сигналов  можно  объяснить  резонансными  свойствами  среды.  Только  на  четвертом  отражении  произошло  совпадение  собственной  частоты  слоя-резонатора  с  основной  частотой  падающей  на  него  волны  (отраженной  от  поверхности  воды  3-кратной  волны).

Когда  мы  столкнулись  с  новым  для  нас  явлением,  то  при  поисках  обоснования  нашли  единственного  автора  работ  в  этом  направлении  —  Гликмана  А.Г.  [4],  по  словам  которого  он  более  35  лет  пытается  доказать  факт  присутствия  при  ударном  воздействии  колебательного  процесса  в  слоях-резонаторах,  но  в  это,  практически,  никто  не  верит.  Так,  например,  автор  не  признает  сейсморазведчиков,  а  те  в  свою  очередь  его,  и  стена  между  ними  непреодолимая.  Наши  экспериментальные  данные  говорят  о  том,  что  он  прав  в  одном,  а  именно  в  том,  что  регистрируются  частоты  каждых  отдельных  слоев-резонаторов.  Но,  кроме  того,  Гликман  А.Г.  утверждает  и  то,  что  первичный  зондирующий  импульс  в  земной  толще  просто  отсутствует,  а  распространяется  в  ней  уже  возникший  там  колебательный  процесс,  но  это  абсолютно  не  верно.

По  нашему  представлению,  происходит  следующее.  Первичный  зондирующий  короткий  импульс  при  подходе  к  поверхности  дна  частично  отражается,  затем  почти  мгновенно  возбуждает  колебания  в  слоях-резонаторах,  которые  в  виде  поперечных  волн  с  малым  затуханием  распространяются  во  все  стороны  вдоль  слоев.  При  этом  происходит  некоторая  потеря  энергии  зондирующего  импульса,  который  затем  проходит  дальше  в  следующий  низлежащий  слой,  и  описанный  процесс  повторяется.  На  сейсмоакустический  приемник,  расположенный  у  поверхности  воды  рядом  с  излучателем,  вначале  приходит  отраженная  полуволна  зондирующего  импульса  и  вслед  за  ней  появляются  звуковые  волны  от  каждого  слоя-резонатора. 

Мы  пришли  к  выводу,  что  присутствие  колебаний  в  слоях-резонаторах  при  ударном  воздействии  на  них  зондирующего  короткого  импульса  приводит  к  тому,  что  широко  применяемый  при  моделировании  волновых  полей  лучевой  метод  здесь  не  работает.  Конечно,  эта  гипотеза  требует  теоретических  обоснований  и  в  этой  связи  мы  преследовали  цель  —  привлечь  внимание  специалистов  к  совместному  изучению  этой  очень  интересной  проблемы.  Сейчас  необходимо  накапливать  знания,  а  для  этого  следует  проводить  дальнейшие  экспериментальные  и  теоретические  работы  по  изучению  скоростных  характеристик  звуковых  волн  в  донных  осадках  мелководных  и  глубоководных  акваторий.  Мы  предполагаем,  что  в  результате  этого  может  появиться  новая  теория  распространения  звуковых  волн  в  упругих  средах.

Список  литературы:

1.Лужецкий  В.Г.,  Высокоразрешающее  сейсмопрофилирование  Телецкого  озера.  //  ГЕО-Сибирь-2008.  Т.  5.  ч.  2.  Недропользование.  Горное  дело.  Новые  направления  и  технологии  поиска,  разведки  и  разработки  месторождений  полезных  ископаемых:  Сб.  матер.  IV  междунар.  науч.  конгресса,  22—24  апреля  2008.  —  Новосибирск,  СГГА,  2008.  —  С.  169—173.

2.Лужецкий  В.Г.,  Сейсмоакустический  комплекс  высокого  разрешения.  //  ГЕО-Сибирь-2006.  Т.  5.  ч.  2.  Недропользование.  Горное  дело.  Новые  направления  и  технологии  поиска,  разведки  и  разработки  месторождений  полезных  ископаемых:  сб.  матер.  II  междунар.  науч.  конгресса,  24—28  апреля  2006,  Новосибирск,  СГГА,  2006.  —  С.  166—170.

3.Лужецкий  В.Г.,  Газогидраты  в  районе  Посольской  бани  озера  Байкал.  //  ГЕО-Сибирь-2008.  Т.  5.  ч.  2.  Недропользование.  Горное  дело.  Новые  направления  и  технологии  поиска,  разведки  и  разработки  месторождений  полезных  ископаемых:  Сб.  матер.  IV  междунар.  науч.  конгресса,  22—24  апреля  2008.  —  Новосибирск,  СГГА,  2008.  —  С.  164—168. 

4.Гликман  А.Г.  Физика  и  практика  спектральной  сейсморазведки  //  Сайт  [Электронный  ресурс].  —  Режим  доступа.  —  URL;  www.newgeophys.spb.ru/ru/book  (дата  обращения:  25.03.13).