Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г. "Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия"
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

15. О способах определения скорости продольных и поперечных волн

     Поставив перед собой с самого начала задачу не оперировать понятиями, которые не могут быть определены экспериментально, мы запретили себе, в частности, даже само упоминание каких-либо типов упругих колебаний. Как известно, каждый тип упругих колебаний отличается от других соотношением между ориентацией движения колеблющихся частиц и направлением их распространения. В продольных волнах, по определению, направление смещения колеблющихся частиц совпадает с направлением их распространения, в поперечных - они ортогональны, и т.д. Однако эти модели возникли чисто умозрительно и описаны математически еще в XIX веке, и экспериментально выявить траектории смещения колеблющихся частиц невозможно и сегодня. После открытия эффекта АРП наше отношение к продольным и поперечным волнам изменилось.

15.1. Как до сих пор определяли скорости продольных и поперечных волн

     Упоминания того, что скорости продольных и поперечных волн как-то связаны с множеством каких-то параметров различных сред, можно встретить в очень многих источниках - как в научной, так и в учебной литературе. Так, упругие константы, которыми оперируют в теории упругости, определяются через соотношения между скоростями продольных и поперечных волн. Далее, прочностные характеристики горных пород определяют также по соотношению этих скоростей.
     Во всех справочниках даются значения скоростей продольных и поперечных волн. Но как же их определяли? Ведь нигде нет конкретных указаний - как их определять1.
     Что касается продольных волн, то здесь казалось все более или менее ясным - за эту скорость воспринимали самую большую скорость. Чаще всего, это скорость распространения фронта. Отсюда и огромный разброс значений скорости VL , поскольку значение Vфр очень зависит от геометрии измерений. Ну, теперь-то мы понимаем ошибочность этого подхода.
     Как определяют скорость поперечных волн Vsh - совершенно непонятно. То, что момент вступления второй пачки (или пакета) при сейсморазведочных работах никак не связан со скоростью поперечных волн, это, полагаю, уже совершенно ясно. Но вот мне встретилось утверждение о том, что геологи делают заключение о прочностных характеристиках горных пород, залегающих на больших глубинах на основании соотношения VL и Vsh, значения которых определяют с помощью скважинной ультразвуковой установки.
     В результате ознакомления с документацией аппаратуры типа "Парус" я узнал, что назначение этой аппаратуры - дать информацию, достаточную для определения VL и Vsh в породах, мимо которых перемещается снаряд установки. Однако непосредственно из документации можно было узнать только про скорость VL, которая определяется, как и следовало ожидать, по моменту первого вступления. О том, как определять скорость Vsh, мне найти не удалось. Но тем не менее, ознакомившись с лентами самописца, так называемыми каротажками, я увидел, что информация, достаточная для определения скорости Vsh , там присутствовала. То есть наряду с графиком зависимости момента первого вступления от глубины снаряда, там присутствует и график зависимости момента времени, соответствующего скорости Vsh.
     Для того, чтобы узнать, как получается эта зависимость мне пришлось поработать на нескольких установках "Парус" - в Донбассе, Кузбассе... С большим трудом мне удалось выяснить, что кривую эту рисует оператор, проводя ручкой линию так, чтобы скорость Vsh составляла примерно половину от скорости VL. Ну что тут скажешь... Но что меня поразило, так это то, что таким "способом" определяют VL во всем Мире.
     Думаю, мы в праве считать, что скорости VL и Vsh на метрологически приемлемом уровне до сих пор были неопределяемы.
     Обнаружение эффекта АРП и работа с эффектом монохроматора изменили ситуацию, и в разделе 3-5 изложены принципы метрологически корректного определения скоростей продольных и поперечных волн.


1 Мне не хотелось бы здесь обсуждать метод критических углов. Даже если этот метод и позволяет определять скорости продольных и поперечных волн, то погрешность его не ниже 20%.

15.2. Еще раз о сути продольных и поперечных волнах

     В начале XIX века, в качестве исходного момента, Пуассон предположил, что процесс распространению продольных упругих волн можно уподобить распространению смещения вдоль цепочки, состоящей из шариков, соединенных пружинками. В дальнейшем, с развитием учения о веществе, эта модель воспринималась как цепочка, состоящая из отдельных молекул, которые и считались носителями или проводниками поля упругих колебаний. Силы взаимодействия между молекулами уподоблялись действию пружинок. Такова была модель продольных волн или волн давления. При совпадении направлений воздействия и реакции, то есть, смещения можно говорить о том, что имеет место чисто активный, реальный процесс, так как энергетика его определяется произведением силы воздействия на путь смещения и на косинус угла между ними, который в данном случае равен единице. Это все в пределах отдельной цепочки.
     Поскольку количество таких "цепочек" очень велико, то, в общем случае, любое воздействие на "шарики" в нормальном направлении вызывает также и тангенциальное их смещение. Смещение носителей в направлении, ортогональном воздействию - это модель волн поперечных. Здесь косинус угла между силой и смещением равен нулю. То есть имеет место чисто мнимая энергетика.
     Но вот со временем оказалось, что гипотеза того, что носителями поля упругих колебаний являются атомы, не оправдалась. Дело в том, что цепочка, состоящая из совокупности масс и упругостей, может транспортировать упругое воздействие, частота которого не может превышать некоторой предельной частоты fmax. Если считать, что единичная масса равна массе атома, а упругость определяется силами междуатомного взаимодействия, то, как было подсчитано, предельная частота поля упругих колебаний, распространяющегося в твердых средах, не должна превышать скольких-то мегагерц. В учебниках 30-х годов ХХ века утверждалось, что когда будет достигнута частота акустического воздействия такого порядка, то мы увидим предел, выше которого сигнал не распространяется. Однако когда где-то в 40-х годах были достигнуты частоты акустического воздействия порядка 108 Гц, никаких признаков уменьшения звукопроводности не наблюдалось. Из этого был сделан вывод, что элементарные частицы среды - атомы и молекулы - носителями поля упругих колебаний не являются.
     Таким образом, что является носителями (проводниками) поля упругих колебаний - осталось неясным. И когда говорят о колеблющихся частицах в акустической волне, то это чисто абстрактное понятие. Никаких таких частиц не существует. А параметры абстрактной, конкретно неощутимой субстанции нельзя, естественно, и померить. И не случайно не существует датчиков параметров движения этих самых колеблющихся частиц.
     Тем не менее, предположив наличие двух взаимно ортогональных составляющих смещения колеблющихся частиц, Пуассон заложил основу того, чтобы относиться к полю упругих колебаний как к функции комплексного переменного. При этом совершенно логично было бы относиться к продольным волнам как к реальной части поля, а к поперечным - как к мнимой. Однако этого не произошло, и свойства всех типов упругих волн, рассматриваемых в существующей теоретической акустике и сейсмике рассматриваются на реальной оси.
     Это выражается, в частности, в том, что идет бесконечный спор о том, какие волны затухают быстрее. А ведь затухание мнимой части поля (любого поля) несоизмеримо меньше затухания реальной части. Собственно, затухание как показатель перехода энергии поля в тепловую энергию для мнимой составляющей поля просто отсутствует. В этом можно убедиться на целом ряде примеров. Чисто мнимый процесс - движение маятника. Там усилие (натяжение нити) всегда ортогонально движению маятника. И если бы не было сопротивления воздуха движению грузика маятника, то движение маятника было бы вечным. Если кто наблюдал движение маятника Фуко в Исаакиевском соборе в Петербурге, тот наверняка отмечал чрезвычайно низкий уровень затухания его движения. Иначе говоря, наличие сопротивления воздуха делает косинус угла между результирующим вектором силы и направления движения отличным от нуля.
     Еще один приведем пример - затухание поперечных по самой своей природе электромагнитных колебаний. Всем радиолюбителям известен факт, заключающийся в том, что для связи между двумя радиолюбителями, находящимися по обе стороны Земли достаточно одноваттного (!!!) передатчика. Я думаю, что здесь даже комментировать не нужно.
     Что же касается затухания акустических колебаний, то в разделе 6.1 показано, как затухает сигнал в оргстекле (продольные колебания) и в стекле (поперечные).
     Но вот возникает вопрос - какова же связь поперечных колебаний со свойствами среды? Если скорость поперечных волн Vsh действительно определяется отношением модуля сдвига G к плотности среды 2 , то через какое соотношение выразить скорость Vsh в жидкостях и газах?

2 Согласно известного из теории упругости соотношения .

15.2.1. Измерения через лед

     Проведение ССП-профилей через лед реализует ситуацию, когда водяной слой является слоем-резонатором. В самом деле, сверху к воде примыкает ледяной слой-резонатор, и его зона h является одновременно принадлежащей воде, а снизу воде принадлежит зона h, сформированная донными породами. Следовательно, с помощью метода ССП, получается, можно определять толщину воды подольдом. Возникает только вопрос, чему равна скорость поперечных волн для воды. Предположительно, это примерно половина скорости распространения звука в воде, которая равна, как известно, примерно 1400 - 1500 м/с. Более точно можно было бы определить значение Vсдв для воды, делая измерения там, где глубина воды уже определена другим методом, скажем, лотом или эхолотом.
     Кроме того, с помощью этих же ССП-измерений можно было бы определять и толщину льда. И здесь также, для определения Vсдв для льда, первое измерение должно проводиться в таком месте, где толщина льда известна.
     Результаты первого же ССП-измерения на замерзшей реке оказались довольно неожиданными.
     Работы проводились на реке Урал, под Оренбургом, зимой 2003-2004 года. Толщина льда в месте измерения составляла 40-50 см, а глубина – около 3 м. Измерения показали хо-рошее совпадение с глубиной дала скорость Vсдв воды, равная 600 м/с. Но самым удивительным было то, что совпадение с толщиной льда получилось при значении скорости Vсдв льда, также равная 600 м/с.
     Вот это совершенно непонятно. Получается, что скорость поперечных волн при переходе воды в другое агрегатное состояние, а проще говоря, при замерзании, не изменяется?!
     Примем это как факт и оставим для дальнейших исследований.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: