Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностной сейсмической волны в грунтах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат технических наук Каляшин, Степан Валерьевич

• Каляшин, Степан Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Каляшин, Степан Валерьевич

Введение.

Глава 1. Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностных волн.

1.1. История изучения вопроса.

1.2. Развитие практических методов, основанных на наблюдении поверхностных волн.

1.2.1. Геофизические и геоинженерные методы.

1.2.2. Методы решения технических задач.

1.3. Анализ современного состояния вопроса.

1.4. Теоретические модели, описывающие взаимодействие поверхностных волн в средах различной структуры.

1.4.1. Применимость решений теории упругости к исследованию грунтов

1.4.2. Постановка задачи распространения упругих волн.

1.4.3. Изучение связей полей смещения, возникающих в системе волновых уравнений.

1.4.3.1. Однородное изотропное пространство.

1.4.3.2. Однородное изотропное полупространство.

1.4.3.3. Поверхностная волна Рэлея.

1.4.3.4. Волны в твердом слое на полупространстве.

1.4.3.5. Поверхностные волны других типов.

1.4.4. Линейное взаимодействие волн.

1.4.5. Нелинейное взаимодействие волн.

1.4.6. Диссипации.

1.5. Выводы.

Глава 2. Экспериментальное исследование.

2.1. Анализ влияния измерительных искажений при регистрации волнового поля.

2.1.1. Структура измерительной системы.

2.1.2. Источник поверхностных волн.

2.1.3. Датчик сейсмических колебаний.

2.1.4. Влияние среды на измерение волнового поля.

2.1.5. Контакт датчика и среды.

2.1.6. Регистратор сейсмических колебаний.

2.1.7. Оценка и учет суммарного вклада искажений.

2.2. Условия проведения экспериментальных работ.

2.2.1. Структура и состав грунтов.

2.2.2. Схема проведения ЗС-измерений поля поверхностной волны.

2.3. Оценка идентичности импульсов возбуждения от источника.

2.4. Влияние кратности воздействия источника на параметры регистрируемой поверхностной волны.

2.5. Изучение состава наблюдаемых сейсмических волн.

2.5.1. Сейсмоакустические шумы в исследуемом диапазоне частот.

2.5.1.1. Природные шумы.

2.5.1.2. Техногенные шумы.

2.5.2. Учет влияния акустосейсмического эффекта.

2.6. Выводы.

Глава 3. Обработка экспериментальных данных.

3.1. Порядок применения процедур цифровой обработки данных.

3.1.1. Спектральное оценивание импульсов волнового поля.

3.1.1.1. Оконное преобразование Фурье.

3.1.1.2. Преобразование Вигнера-Вилля.

3.1.1.3. Вейвлетное преобразование.

3.1.2. Частотная фильтрация.

3.1.3. Когерентное накопление.

•3.1.4. Фильтрация по кажущимся скоростям в пространстве f-k.

3.2. Изучение сигналов поверхностных волн.

3.2.1. Сейсмограммы поверхностных волн.

3.2.2. Анализ модового состава.

3.2.3. Оценка глубины проникновения поверхностных волн.

3.2.4. Изучение частотно-временной структуры волновых пакетов.

3.2.5. Поляризационный анализ структуры волнового пакета.

3.3. Формирование частотного спектра волнового поля.

3.3.1. Анализ спектров компонент поля поверхностной волны вблизи источника.

3.3.2. Анализ спектров поля на больших расстояниях от источника.

3.3.2.1. Область формирования поверхностной волны.

3.3.2.2. Образование доминантных частот в спектрах компонент поля поверхностной волны.

3.4. Исследование затухания компонент поля поверхностной волны.

3.5. Трансформация частотных спектров компонент, наблюдаемая при распространении поверхностной волны.

3.6. Спектральный анализ сигнала от шага человека.

3.7. Выводы.

Глава 4. Численное моделирование физических процессов в поверхностной волне.

4.1. Построение модели среды с волновым взаимодействием.

4.1.1. Физическая модель.

4.1.2. Переход к конечно-разностной модели.

4.1.3. Результаты моделирования волнового взаимодействия.

4.2. Моделирование влияния слоистой структуры среды на параметры процессов взаимодействия.

4.3. Моделирование обнаружения заглубленных объектов.

4.4. Выводы.

Глава 5. Практическое использование результатов исследования.

5.1. Требования к методике сейсмоакустических наблюдений поверхностных волн.

5.2. Результат применения методических требований при создании системы, основанной на наблюдении поверхностных сейсмических волн.

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические процессы взаимодействия, сопровождающие распространение поверхностной сейсмической волны в грунтах»

Актуальность исследования

Сейсмические исследования связаны с использованием физических эффектов, возникающих при возбуждении и распространении импульсов сейсмического поля в слоистых геологических средах с различной структурой пустотного пространства. Изучение эффектов позволяет создавать практические методы получения информации о геологической среде, а также проясняет сущность физических процессов, приводящих к изменению ее состояния.

Значительную часть сейсмических исследований выполняют по технологиям, в которых регистрация волнового поля происходит на поверхности земли или вблизи нее. В таких случаях основной с точки зрения переносимой энергии частью волнового поля являются поверхностные сейсмические и сейсмоаку-стические волны. Например, поверхностные волны Рэлея составляют более двух третей общей волновой энергии, создаваемой источником [97]. Эти волны образуются при наличии в сплошной среде протяженных границ, и обладают меньшим по сравнению с объемными волнами коэффициентом затухания [4, 10]. Распространяясь вдоль поверхности и проникая на сравнительно небольшую, порядка длины волны, глубину, они несут информацию о физико-механических и, в том числе, скоростных свойствах приповерхностной среды.

Однако интерпретация полученных данных, направленная на получение структурных и стратиграфических характеристик среды, осложнена тем, что на распространение волн сильное влияние оказывают неоднородности и резкие контрасты геофизических свойств, часто наблюдаемые вблизи поверхности [75, 103]. Например, низкоскоростные слои могут действовать как резонаторы или как волноводы, в которых энергия распространяется на большие расстояния с малыми потерями.

С одной стороны это приводит к маскированию вступлений прямых, отраженных или рефрагированных волн, затрудняя структурный анализ среды при проведении сейсмических исследований традиционными методами MOB, МПВ, ОГТ, ЗО-сейсморазведки [4, 15, 39], в которых поверхностные волны являются помехами.

С другой стороны сложные интерференционные и дисперсионные процессы, наблюдаемые в реальной среде, увеличивают неоднозначность результатов, получаемых методами изучения поверхностных волн, такими как поверхностно-волновая томография [63], методы спектрального анализа SASW, MASW [93, 100, 101, 103].

Определенные трудности возникают уже на стадии оценки качества отдельных сейсмограмм и их пригодности для дальнейшего анализа. Эти трудности усугубляются, если нет возможности провести сопоставление результатов анализа с информацией о срёде, полученной на основе других физических принципов.

Анализируя многочисленные работы, посвященные исследованиям поверхностных волн в реальных средах [6, 26, 46, 55, 69, 11, 79, 83, 103], можно сделать следующие выводы. Сложные эффекты, наблюдаемые в поверхностной волне при ее возбуждении и распространении в среде, требуют глубокого изучения. Ряд процессов, происходящих в поверхностных сейсмических волнах, может быть обнаружен и объяснен только при использовании трехкомпонент-ных исследований, охватывающих весь набор возбуждаемых волновых мод и их поляризаций. Это, прежде всего, процессы формирования поверхностной волны, ее спектра, трансформации спектра при ее распространении, обмена энергией между Р-, SV- и SH-компонентами волны или взаимодействия компонент.

Поэтому представляется актуальным провести экспериментальное исследование и численное моделирование указанных эффектов, а затем применить полученные результаты для разработки практических методов интерпретации сейсмических данных и сформулировать требования к организации систем наблюдения поверхностных сейсмических волн.

Цель диссертационной работы

Проведение исследования физических процессов, происходящие в поверхностной сейсмоакустической волне при ее распространении в ближней зоне, выделение характерных свойств процессов, позволяющих осуществить разработку практических методов интерпретации сейсмоакустических измерений поверхностных волн.

Основные задачи исследования

1. Проведение экспериментальных работ по трехкомпонентной регистрации поверхностной волны в реальной геологической среде.

2. Исследование процессов формирования частотного спектра поверхностной волны и трансформации спектра при ее распространении на основе экспериментальных данных.

3. Построение теоретико-численной модели, описывающей взаимодействие компонент поверхностной волны.

4. Разработка программного обеспечения для численного моделирования, визуализации и анализа экспериментальных и синтетических данных.

Структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Каляшин, Степан Валерьевич

5.3. Выводы

Использование результатов диссертационного исследования, а также представленных методических требований позволило разработать комплексные интеллектуальные сейсмоакустические системы, применить их на практике для ведения постоянного круглосуточного мониторинга и обеспечения безопасности крупных территорий, а также наметить пути по их развитию и созданию новых перспективных систем.

Заключение

Основные практически значимые результаты диссертации:

1. Экспериментально обнаружены и численно исследованы новые дополнительные параметры физических процессов, сопровождающих распространение поверхностной волны.

2. Показана возможность использования новых характеристик поверхностной волны для оценки мощности поверхностного слоя и выделения включений и неоднородностей в геологической среде.

3. Полученные результаты позволяют облегчить и повысить надежность определения слоистой структуры грунта при короткопрофильных наблюдениях.

4. Сформулированы и отработаны требования к методике сейсмоакусти-ческих наблюдений поверхностных волн при изучении физических процессов в верхних слоях грунта.

5. Учет методических требований позволил создать прецизионную систему освещения поверхностно-волновой обстановки на обширных территориях.

6. Разработано программное обеспечение для численного моделирования, визуализации и анализа экспериментальных и синтетических данных.

Направление развития темы

Одним из перспективных направлений для развития темы представляется исследование влияния процессов взаимодействия, сопровождающего распространение поверхностных сейсмических волн, на условия комфортного проживания человека. В многочисленных публикациях [59] приводятся сведения о негативном влиянии поверхностных волн на инженерно-технические сооружения, в том числе жилые постройки. Известно, что волны различных пространственных поляризаций оказывают разное по силе и последствиям воздействие. Такое воздействие может быть вызвано не только природными сейсмическими явлениями, но в настоящее время чаще создается техногенными событиями, в

140 том числе повседневной деятельностью человека. Исследование возможности практического управления процессами взаимодействия поверхностных волн, в результате влияния которых происходит преобразование мод и поляризаций, позволит повысить уровень комфортного проживания и увеличит степень экологической безопасности человека.

С другой стороны, изучение взаимодействия поверхностных сейсмических волн позволяет подойти к пониманию процессов преобразования мод и поляризаций при выходе глубинных волн на поверхность земли через зону малых скоростей, процессов формирования волн, предположению того, каким источником могла быть вызвана та или иная волна, зарегистрированная на большом расстоянии.

Все это связывает результаты диссертационного исследования с проблемами крупномасштабной сейсмики и сейсмологии, задающими очередные и не менее сложные вопросы, ответы на которые необходимо находить, так как этого требует Природа, Общество и Человек.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Каляшин, Степан Валерьевич, 2010 год

1. Адушкин В.В., Спивак А.А., Овчинников В.М. и др., Геоэкологический контроль за геофизическими полями мегаполиса // Геоэкология, 1995, № 2, 44-56

2. Алексеев А.С., Геза Н.И., Глинский Б.М. и др., Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, 2004

3. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В. и др., Взаимодействие акустических и сейсмических волн при вибросейсмическом зондировании // Труды ВЦ СО РАН. Мат. модел. в геофизике, т. 3, Новосибирск, 1994,3-11

4. Аки К., Ричарде П., Количественная сейсмология. М: Мир, 1983

5. Бархатов В.А., Решение волновых уравнений методом конечных разностей во временной области. Двумерная задача. Основные соотношения: Дефектоскопия, 2007, № 9

6. Бат М., Спектральный анализ в геофизике. М: Недра, 1980

7. Береснев И.А., Митлин B.C., Николаевский В.Н., Роль коэффициента нелинейности при возбуждении доминантных сейсмических частот // ДАН СССР. 1991. Т. 317. № 5

8. Болотин В.В. ред., Колебания линейных систем: Вибрации в технике. Том 1. М: Машиностроение, 1978

9. Брагов А.М, Ломунов А.К., Деменко П.В., Исследование физико-механических свойств мягких грунтов при ударе // Труды VI Забабахин-ских научных чтений. ВНИИТФ, 2001

10. Бреховских Л.М., Годин О.А., Акустика слоистых сред. М: Наука, 1989

11. Бубнов Е.Я. и др., Исследование волновой структуры движущихся непрерывных сейсмических источников // Физика Земли, 2001, № 10, 71-75

12. Викторов И.А., Звуковые и поверхностные волны в твердых телах. М: Наука, 1981

13. Гальперин Е.Н., Ситников А.В., Кветинский С.И., Опыт и результаты экспериментального изучения высокочастотных сейсмических шумов // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1989, с. 99-109

14. Гринченко В.Т., Мелешко В.В., Гармонические колебания и волны в упругих телах. Киев: Наукова думка, 1981

15. Гурвич И.И., Боганик Г.Н., Сейсмическая разведка. М: Недра, 1980

16. Гольдштейн М.Н., Механические свойства грунтов. М: Стройиздат, 1971

17. Далматов Б.И., Механика грунтов, основания и фундаменты. JI: Стройиздат, 1988

18. Динариев О.Ю., Николаевский В.Н., Колебания с высокой добротностью в слоистой упругой среде // Акустический журнал, 2005, т. 51, № 5, 623-627

19. Добеши И., Десять лекций по вейвлетам. Ижевск, 2001

20. Ерофеев В.И., Кажаев В.В, Семерикова Н.П., Волны в стержнях. Дисперсия. Диссипация. Нелинейность. М: Физматлит, 2002

21. Железняков В.В., Комаровский В.В., Кочаровский Вл.В., Линейное взаимодействие электромагнитных волн в неоднородных слабоанизотропных средах// Успехи физических наук, 1983, № 141, с. 257

22. Завадский В.Ю., Вычисление волновых полей в открытых областях и волноводах. М: Наука, 1972

23. Зайцев В.Ю., О «неклассических» проявлениях микроструктурно-обусловленной акустической нелинейности на примере контакто-содержащих сред // Нелинейные волны 2006, под ред. Гапонов-Грехов А.В., Некор-кин В.И. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2007, 170-190

24. Зайцев В.Ю., Гурбатов С.Н., Прончатов-Рубцов Н.В., Нелинейные акустические явления в структурно-неоднородных средах. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2009

25. Заславский Г.М., Мейтлис В.П., Филоненко Н.Н., Взаимодействие волн в неоднородных средах, Новосибирск: Наука, 1982

26. Заславский Г.М., Сагдеев Р.З., Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса, М: Наука, 1988

27. Каляшин С.В., Изменение спектрального состава поверхностной упругой волны в грунте // Технологии сейсморазведки, 2008, № 1

28. Каляшин С.В., Особенности спектрального состава поверхностной сейсмической волны при возбуждении и распространении // Геофизика, 2008, №4

29. Каляшин С.В., Взаимодействие компонент поверхностной сейсмической волны // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции преподавателей, студентов, аспирантов и молодых ученых. Дубна: Университет «Дубна», 2009

30. Каляшин С.В., Эффект волнового взаимодействия, наблюдаемый при 3-компонентной регистрации и моделировании поверхностной волны в грунте // Геофизика, 2010, № 2

31. Каляшин С.В., Изменение характеристик сейсмических волн при многократном воздействии ударного источника на грунт // Электронное научное издание «ГЕОразрез», 2010

32. Кауфман А.А., Левшин А.Л., Акустические и упругие поля в геофизике: Введение в теорию геофизических методов. Том 5, М: Недра, 2006

33. Ковалевский В.В., Исследование акустосейсмических волновых полей, генерируемых поверхностными сейсмическими вибраторами // Акустический журнал, 2005, т. 51, 104-114

34. Крауклис А.П., Крауклис П.В., Фатьянов А.Г., Резонансные волны в средах с ослабленными границами // Записки научных семинаров ПОМИ, 2008, т. 354

35. Кузнецов В.В., Сильные движения грунта при взаимодействии поверхностных и акустических волн вблизи мощного сейсмовибратора

36. Кузнецов O.JI., Графов Б.М., Сунцов А.Е., Арутюнов С.Л., Технология АНЧАР. О теории метода // Геофизика, 2003, Спецвыпуск, 103-107

37. Кузнецов O.JL, Чиркин И.А., Курьянов Ю.А. и др., Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред. Том 2. М: ВНИИгеосистем, 2004

38. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю., Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. М: Физ-матлит, 2001

39. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теория упругости: Теоретическая физика. Том 7. М: Наука, 1987

40. Лиит Л.Д., Сейсмические явления при испытании атомной бомбы // Успехи физических наук, 1947, т. XXXI, вып. 2, 264-277

41. Митлин B.C., Николаевский В.Н., Нелинейные поверхностные волны в средах со сложной реологией // Собрание трудов. Геомеханика. Земная кора. Нелинейная сейсмика. Вихри и ураганы. Том 2, М: НИЦ РХД, 2010

42. Монахов Ф.И., Низкочастотный сейсмический шум Земли. М: Наука, 1997, с. 96

43. Николаевский В.Н., Геомеханика и флюидодинамика. М: Недра, 1996

44. Новацкий В., Теория упругости. М: Мир, 1975

45. Оден Дж., Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М: Мир, 1976

46. Озеров Д.К., Волин А.П., Теоретико-экспериментальное исследование волн Лява // Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Под ред. Петрашень Г.И, Сборник 2, 1959

47. Павленко О.В., Самомодуляция сейсмических волн в приповерхностных грунтах // Доклады Академии наук, 2007, т. 414, № 5, 676-682

48. Петрашень Г.И, Решетников В.В., Разработка инженерных подходов к изучению интерференционных волновых полей, возбуждающихся в пачках тонких упругих слоев // Записки научных семинаров ПОМИ, 1999, т. 253

49. Петрашень Г.И, Распространение сейсмических волновых полей в слоистых средах // Записки научных семинаров ПОМИ, 2000, т. 273

50. Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Вторая региональная научно-техническая конференция. Петропавловск-Камчатский, 2009. Тезисы докладов. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН, 2009

51. Руденко О.В., Солуян С.И., Теоретические основы нелинейной акустики, М: Наука, 1975

52. Савиных Ю.А., Музипов Х.Н., Кузнецов О.Л., Создание помехозащищен-ного канала для передачи забойной информации с помощью подавления шумов стоячими звуковыми волнами // Нефтяное хозяйство, 2007, № 1

53. Самарский А.А., Введение в теорию разностных схем, М: Наука, 1971

54. Смирнова Н.С., Сурков Ю.А., Классическая и обобщенная задачи Лява в области низкочастотных интерференционных волн сигнального типа // Записки научных семинаров ПОМИ, 1999, т. 253

55. Сурков Ю.А., Решетников В.В., Численное исследование свойств квазилокальных плоских волн модального типа в случае тонкого низкоскоростного упругого слоя, контактирующего с упругим полупространством // Записки научных семинаров ПОМИ, 2004, т. 308

56. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г., Барабошкина Т.А. и др., Трансформация экологических функций литосферы в эпоху техногенеза. М: Ноосфера, 2006149

57. Хмелевской В.К., Попов М.Г., Калинин А.В. и др., Геофизические методы исследования. М: Недра, 1988

58. Шагинян А.С., Циммерман В.В, Гинзбург B.C., Развитие методов теоретического анализа динамики процесса излучения сейсмических волн вибрационным источником // Нефтегазовая геология и геофизика, 1983, № 10, 14-15

59. Шнеерсон М.Б., Майоров В.В., Наземная невзрывная сейсморазведка, М. Недра, 1988

60. Яновская Т.Б., Методика поверхностно-волновой томографии, основанная на использовании данных от удаленных землетрясений // Физика Земли, № 3, 2009, 50-55

61. Al-Eqabi G.I., Herrmann R.B., Ground Roll: A potential tool for constraining shallow shear wave structure // Geophysics, 1993, № 58, 713-719

62. Allen R.L., Mills D.W., Signal analysis. Time, frequency, scale and structure. Wiley, 2004

63. Azimi Sh.A., Kalinin A.V., Kalinin V.V., Pivovarov B.L., Impulse and transient characterictics of media with linear and quadratic absorption laws // Isvestia Physics of the Solid Earth, AGU, 1968, 88-93

64. Badri M., Mooney H.A., Q measurements from compressional waves in unconsolidated media// Geophysics, 1978, № 52, 772-784

65. Berenger J.-P., A perfectly matched layer for absorption of electromagnetic waves // Journal of Computational Physics, 1994, № 114

66. Bukchin B.G., Yanovskaya T.B., Montagner J.-P. et al., Surface wave focusing effects: Numerical modeling and statistical observations // Physics of the Earth and Planetary Interiors, № 155, 2006, 191-200

67. Dorman J., Ewing M., Numerical inversion of seismic surface wave dispersion data and crust-mantle structure in the New York-Pennsylvania area // J. Geo-phys. Res., 1962, № 67, 5227-5241

68. Dorman J., Ewing W. M., Olivier J., Study of the shear-velocity distribution in the upper mantle by mantle Rayleigh waves // Bulletin of the Seismological Society of America, 1960, 50, 87-115

69. Drijkoningen et al., The usefulness of geophone ground-coupling experiments to seismic data // Geophysics, 2000, v. 65, № 6, 1780-1787

70. Drijkoningen et al., A new elastic model for ground coupling of geophones with spikes // Geophysics, 2006, v. 71, № 2, Q9-Q17

71. Ewing W. M., Jardetzky W. S., Press F., Elastic waves in layered media, New York: McGraw Hill, 1957

72. Goforth Т., Hayward C., Seismic reflection investigations of a bedrock surface buried under alluvium//Geophysics, 1992, №57, 1217-1227

73. Havskov J., Alguacil G., Instrumentation in Earthquake Seismology // Modem Approaches in Geophysics, 2004, № 22, Springer

74. Hoover G.M., O'Brien J.T., The influence of the planted geophone on seismic land data // Geophysics, 1980, № 45, 1239-1253

75. Huerta-Lopez C.L., Shin Y., Powers E.J., Roesset J.M., Time-Frequency analysis of earthquake records // 12th World Conference on Earthquake Engineering, 2000

76. Jongmans D., Demanet D., The importance of surface waves in vibration study and the use of Rayleigh waves for determining the dynamic characteristics of soils // Engineering Geology, 1993, № 34, 105-113

77. Jones R., Surface wave technique for measuring the elastic properties and thickness of roads: Theoretical development // British Journal of Applied Physics, 1962, № 13,21-29

78. Knopoff L., Observation and inversion of surface wave dispersion // Tectono-physics, 1972, № 13, 497-519

79. Krohn Ch. E., Geophone ground coupling // Geophysics, 1984, № 49, 772-731

80. Lacoss R.T., Kelly E.J., Toksoz M.N., Estimation of seismic noise structure using arrays // Geophysics, 1969, № 34, 21-38

81. Lamb H., On the propagation of tremors over the surface of an elastic solid // Phil. Trans. R. Soc., 1904, v. A203, 1-42

82. Leet L.D., Empirical investigation of surface waves generated by distant earthquakes // Publications of the Dominion Observatory, Ottawa, 1931, v. 7

83. Li Y., Zheng X., Wigner-Ville distribution and its application in seismic attenuation estimation // Applied Geophysics, 2007, v. 4, № 4, 245 254

84. Love A.E.H., Some problems of geodynamics, Cambridge: University Press, 1911

85. Matthews M.C., Hope V.S., Clayton C.R.I., The use of surface waves in the determination of ground stiffness profiles // Proc. Instn. Civ. Engrs. Geotech. Engng., 1996, № 119, 84-95

86. Miller G.F., Pursey H., On the partition of energy between elastic waves in a semi-infinite solid // Proceedings of the Royal Society, 1955, v. A233, 55-59

87. Milsom J., Field geophysics. Wiley, 2003

88. Nazarian S., In situ determination of elastic moduli of soil deposits and pavement systems by spectral-analysis-of-surface-waves method. Ph.D. Dissertation, 1984, The University of Texas at Austin

89. Park C.B., Miller R.D., Ivanov J., Filtering surface waves

90. Park C.B., Miller R.D., Xia J., Multichannel analysis of surface waves // Geophysics, 1999, № 64, 800-808

91. Pelton J.R., Near-Surface Seismology: Surface-Based Methods // Near-surface Geophysics, 2005, № 13, 242-247

92. Plona T.J., Observation of a second bulk compressional wave in a porous medium at ultrasonic frequencies // Appl. Phys. Let., 1980, № 36, 259

93. Rayleigh J.W., On waves propagated along the plane surface of an elastic solid // Proc. Lond. Math. Soc., 1885, 17, № 253, 4-11

94. Richart F.E., Hall J.R., Woods R.D., Vibrations of soils and foundations, Prentice-Hall, 1970

95. Saenger E.H., Gold N., Shapiro S.A., Modeling the propagation of the elastic waves using a modified finite-difference grid // Wave motion, 2000, № 31152

96. Sezawa К., Dispersion of elastic waves propagated on the surface of stratified bodies and on curved surfaces // Bull. Earthquake Res. Inst. Tokyo, 1927, v. 3, 1-18

97. Socco L.V., Strobbia C., Surface-wave method for near-surface characterization: a tutorial //Near Surface Geophysics, 2004, № 2,165-185

98. Stokoe К. H., Rix G. J., Nazarian S., In Situ Seismic Testing with Surface Waves // In Proc. XII Intl. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1989,331-334

99. Stoneley R., Elastic waves at the surface of separation of two solids // Proc. Royal Soc., 1924, vol. A106, 416-428 .

100. Stumpel H., Kahler S., Meissner R., Milkereit В., The use of seismic shear waves and compressional waves for lithological problems of shallow sediments // Geophysical Prospecting, 1984, № 32, 662-675

101. Tokimatsu K., Kuwayama S., Tamura S., Miyadera Y., Vs determination from steady state Rayleigh wave method // Soils and Foundations, 1991, v.31, № 2,• 153-163.

102. Van der Poel C., Dynamic testing of road constructions // J. appl. Chem., 1 July, 1951

103. Van Vossen R., Curtis A., Laake A., Trampert J., Surface-consistent deconvolu-tion using reciprocity and waveform inversion // Geophysics, 2006, № 71, 1930

104. Virieux J., P-SV wave propagation in heterogeneous media // Velocity-stress finite difference method // Geophysics, 1986, № 51, 889-901

105. Willis D.E., DeNoyer J.M., Seismic attenuation and spectral measurements from the Lake Superior experiment // Am. Geophys Union. Geophys Monogr., v. 10,218-226

106. Winkler K.W., Murphy W.F., Acoustic velocity and attenuation in porous rocks // Rock physics and phase relations, ed. Ahrens T.J., AGU, 19951. Условные обозначения1. Обозначение Наименованиеt Время

107. X Горизонтальная координата, расстояние

108. У Горизонтальная координатаz Вертикальная координата, глубинаh Толщина слояf Частотасо Угловая частота1. X Длина волныи Вектор смещения частиц

109. V Вектор скорости смещения частицр Плотность1. К ц Постоянные Ламе

110. В Модуль объемной деформацииц Модуль сдвига1. V Коэффициент Пуассона1. Vp Скорость Р-волны1. Vs Скорость S-волны1. Vr Скорость волны Рэлеяvsx Скорость волны Стоунли

111. V Вертикальная компонента ЗС-записит Поперечная компонента ЗС-записи

112. R Продольная компонента ЗС-записиfd Доминантная частота

113. Pd Доминантный пространственный период1. Подписи к рисункам

114. Рисунок 1. Динамические диаграммы для суглинка (по 9.).24

115. Рисунок 2. Взаимодействие волн на границе полупространства.30

116. Рисунок 3. Зависимость коэффициента отражения Р-волн на свободной границепо 10.).32

117. Рисунок 4. Амплитуды смещений в волне Рэлея (по 14.).35

118. Рисунок 5. Зависимость средней по времени плотности энергии в волне Рэлеяот глубины (по 14.).36

119. Рисунок 6. Слой на полупространстве.37

120. Лява на границе твёрдое полупространство твёрдый слой.39

121. Рисунок 8. Пересечение решений (по 26.).42

122. Рисунок 9. Блочная схема построения измерительной системы.49

123. Рисунок 10. Спектральные искажения при измерении: а — спектр источника, б, в, г передаточные функции среды, датчика и регистратора, д — спектрпринятого сигнала.511. Рисунок 11. Источник.52

124. Рисунок 12. Амплитудный спектр источника S0.53

125. Рисунок 13. Устройство датчика.54

126. Рисунок 14. АЧХ сейсмодатчика.55

127. Рисунок 15. ФЧХ сейсмодатчика.55

128. Рисунок 16. АЧХ для среды.57

129. Рисунок 17. ФЧХ для среды.57

130. Рисунок 18. Влияние контакта на АЧХ датчика.59

131. Рисунок 19. Влияние контакта на ФЧХ датчика.59

132. Рисунок 20. Электрическая схема регистратора.61

133. Рисунок 21. Состав верхнего слоя грунта: А почвенный слой, Б - слойподзолов, В слой суглинков.64

134. Рисунок 22. Схема проведения эксперимента.64

135. Рисунок 23. Стэк из 10 последовательных импульсов источника, измеренных вертикальной (V), поперечной (Т) и продольной (R) компонентами датчика прих = 1 м.67

136. Рисунок 24. Зависимость нормированных волновых компонент, регистрируемых на расстоянии х = 1 м, от числа импульсов. Пунктирные линиипоказывают сглаженные значения.68

137. Рисунок 25. Стэк 50 импульсов источника (каждого 10-го из 500), измеренных вертикальной (V), поперечной (Т) и продольной (R) компонентами датчика прих = 1 м. Черным цветом выделены первые 12 импульсов.70

138. Рисунок 26. Наблюдаемые сейсмические волны: А поверхностная, В -прямая, С - преломленная, D - отраженная, Е - рефрагированная, F - каналовая.72

139. Рисунок 27. Оконное спектральное оценивание Фурье.81

140. Рисунок 28. Фрагмент ЗС-записи с сигналом от источника (1) и тот же сигналпосле накопления (2).87

141. Рисунок 29. Фильтрация по кажущимся скоростям.88

142. Рисунок 30. Сейсмограммы продольной (R), вертикальной (V) и поперечной (Т)компонент поля скорости смещений в поверхностной волне.90

143. Рисунок 31. Дисперсионные кривые волн Рэлея.91

144. Рисунок 32. Дисперсионные кривые по многоканальным данным для V-, Т- и Rкомпонент.93

145. Рисунок 33. Проникновение поверхностных волн.95

146. Рисунок 34. Вейвлетное представление импульсов поверхностной волны нарасстоянии 20 м.97

147. Рисунок 35. Полярограммы смещений в волне: а — х=1 м, t=0^50 мс, б — х—20 м, t=0-^-50 мс, в — х=20 м, t=50-H00 мс. По осям отложены относительные единицы длины. Ось х направлена вдоль профиля наблюдения, ось у поперек, ось zвверх.98

148. Рисунок 36. Амплитудные спектры компонент на расстоянии 1м от источника.100

149. Рисунок 37. Спектры компонент: 1 на расстоянии 1 м от источника, 2 — нарасстоянии 20 м.101

150. Рисунок 38. Область формирования волны.101

151. Рисунок 39. Спектры компонент на расстояниях 1, 20, 30, 40 и 50 м.104

152. Рисунок 40. Зависимость энергии волновых компонент от расстояния.106

153. Рисунок 41. Экспериментальная зависимость энергии (по данным S. Foti.). 107

154. Рисунок 42. Спектрограмма SR(f,x) продольной компоненты колебаний.109

155. Рисунок 43. Спектрограмма Sv(f,x) вертикальной компоненты колебаний. 109

156. Рисунок 44. Спектрограмма ST(f,x) поперечной компоненты колебаний.109

157. Рисунок 45. Зависимость энергии волновых компонент в полосе 50 70 Гц отрасстояния.111

158. Рисунок 46. Прямая сумма спектрограмм всех компонент.112

159. Рисунок 47. Динамика воздействия на грунт движущегося человека: а — положение центра масс, б циклограмма, в, г - опорная реакция при ходьбе ибеге (по данным Н. А. Берштейна).113

160. Рисунок 48. Спектрограмма Sv шага человека.114

161. Рисунок 49. Модель среды.119

162. Рисунок 50. Сейсмограммы компонент поля скоростей v, (а) и v2 (б).120

163. Рисунок 51. Спектрограмма ^(У,*) продольной компоненты v,.121

164. Рисунок 52. Спектрограмма S2(f,х) вертикальной компоненты v2.121

165. Рисунок 53. Зависимость fd и Pd от толщины слоя h.122

166. Рисунок 54. Принцип формирования пространственного периода.124

167. Рисунок 55. Модель среды с заглубленным объектом.126

168. Рисунок 56. Сейсмограммы вдоль профиля над заглубленным объектом: апродольной, б вертикальной компоненты.126

169. Рисунок 57. Спектрограммы для поиска заглубленного объекта: а — попродольной, б — по вертикальной компоненте.127

170. Рисунок 58. Участок охраняемой территории.137

171. Рисунок 59. Охраняемая территория.138

172. Рисунок 60. Структура пространственной вычислительной сетки: а -стандартная (по Virieux 107.), б с повернутыми осями (по Saenger [98]). 143 Рисунок 61. Применение PML к вычислительной сетке.144с/'