Амплитудные характеристики волн рэлеевского типа в горизонтально-неоднородных слоистых средах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Аналитически и численно рассмотрено распространение поверхностной акустической волны (ПАВ) рэлеевского типа вдоль свободной границы слоистого полупространства с плавным изменением его упругих параметров по горизонтали. Рассчитано изменение амплитуды ПАВ для перехода волны из однослойной системы в однослойную, однослойной в двухслойную и двухслойной в двухслойную в зависимости от упругих параметров, а также длины зондирующей волны. Показано, что амплитуда ПАВ уменьшается при увеличении скорости продольных волн и плотности среды по мере ее распространения, а при увеличении скорости поперечных волн в среде амплитуда ПАВ может как увеличиваться, так и уменьшаться. Изменение амплитуды ПАВ, связанное с изменением скорости продольных волн, сильнее, поэтому этот параметр следует учитывать в прикладных методах. Показано, что величина доминантной длины волны зависит как от геометрических, так и упругих параметров системы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. А. Жостков

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: shageraxcom@yandex.ru
Россия, 123995, Москва, ул. Большая Грузинская 10

Д. А. Жарков

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: denis.Zharkov2014@yandex.ru
Россия, 123995, Москва, ул. Большая Грузинская 10

Список литературы

  1. Park C., Miller R., Xia J. Multichannel analysis of surface waves // Geophysics. 1999. V. 64. № 3. P. 800–808.
  2. Okada H. Theory of efficient array observation of microtremors with special reference to the SPAC method // Exploration geophysics. 2006. V. 37. № 1. P. 73–85.
  3. Горбатиков А.В., Барабанов В.Л. Опыт использования микросейсм для оценки состояния верхней части земной коры // Физика Земли. 1993. № 7. С. 85–90.
  4. Nakamura Y. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface // QR of RTRI. 1989. V. 30. № 1. P. 25–33.
  5. Presnov D.A., Sobisevich A.L., Shurup A.S. Model of the Geoacoustic Tomography Based on Surface-type Waves // Physics of Wave Phenomena. 2016. V. 24. № 3. P. 249–254.
  6. Викторов И.А., Каёкина Т.М. Рассеяние ультразвуковых рэлеевских волн на моделях поверхностных дефектов // Акуст. журн. 1964. Т. 10. № 1. С. 30–33.
  7. Кокшайский А.И., Коробов А.И., Ширгина Н.В. Диагностика упругих свойств плоской границы двух шероховатых сред поверхностными акустическими волнами // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 2. С. 152–157.
  8. Горбатиков А.В., Цуканов А.А. Моделирование волн Рэлея вблизи рассеивающих скоростных неоднородностей. Изучение возможностей метода микросейсмического зондирования // Физика Земли. 2011. № 4. С. 96–112.
  9. Malischewsky P., Scherbaum F. Love’s Formula and H/V-ratio (Ellipticity) of Rayleigh Waves // Wave Motion. 2004 V. 40 № 1. P. 57–67.
  10. Жостков Р.А., Преснов Д.А., Шуруп А.С., Собисевич А.Л. Сравнение микросейсмического зондирования и томографического подхода при изучении глубинного строения Земли // Изв. Росс. Акад. наук. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 1. С. 72–75.
  11. Babich V.M., Kirpichnikova N.Y. A new approach to the problem of the Rayleigh wave propagation along the boundary of a non-homogeneous elastic body // Wave Motion. 2004 V. 40. № 3. P. 209–223.
  12. Жэн Б.-С., Лу Л.-Ю. Нормальные волны в слоистом упругом полупространстве // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 4. С. 501–513.
  13. Жэн Б.-С., Лу Л.-Ю. Волны Рэлея и обнаружение низкоскоростных слоев в слоистом полупространстве // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 5. С. 613–625.
  14. Zhang B., Yu M., Lan C.Q., Xiong W. Elastic wave and excitation mechanism of surface waves in multilayered media // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. № 6. P. 3527–3538.
  15. Chen X. A systematic and efficient method of computing normal mode for multi-layered half-space // Geophysical J. Int. 1993. V. 115. P. 391–409.
  16. Кейлис-Борок В.И. О поверхностных волнах в слое, лежащем на упругом полупространстве // Известия АН СССР. Сер. геофиз. 1951. Т. 17. № 2. С. 17–39.
  17. Преснов Д.А., Жостков Р.А., Гусев В.А., Шуруп А.С. Дисперсионные зависимости упругих волн в покрытом льдом мелком море // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 4. С. 426–436.
  18. Лебедев А.В., Манаков С.А. Точность оценки параметров слоистой среды при использовании когерентного векторного приема поверхностной волны Рэлея // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 1. С. 68–82.
  19. Собисевич А.Л., Преснов Д.А. О решении прямой задачи для определения параметров волн релеевского типа в слоистой геофизической среде // Докл. Рос. Акад. наук. Науки о Земле. 2020. Т. 492. № 2. С. 72–76.
  20. Разин А.В., Собисевич А.Л. Геоакустика слоистых сред. М.: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, 2012. 210 с.
  21. Яновская Т.Б. К теории метода микросейсмического зондирования // Физика Земли. 2017. № 6. С. 18–23.
  22. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981. 288 с.
  23. Бреховских Л.М. Акустика слоистых сред. М.: Наука, 1989. 416 с.
  24. Оливер А. Поверхностные акустические волны. М.: Мир, 1981. 390 с.
  25. Мальцев И.А. Основы линейной алгебры. М.: Наука, 1970. 400 с.
  26. Яновская Т.Б. Поверхностно-волновая томография в сейсмологических исследованиях. М.: Наука, 2015. 164 с.
  27. Разин А.В. Возбуждение поверхностных акустических волн Рэлея и Стонели распределёнными сейсмическими источниками // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2010. Т. 53. № 2. С. 91–109.
  28. Жостков Р.А. Восстановление неоднородностей среды при микросейсмическом зондировании вдоль криволинейной поверхности // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 5. С. 708–720.
  29. Чуркин А.А., Лозовский И.Н., Жостков Р.А. Численное моделирование сейсмоакустических методов контроля качества свай // Изв. Росс. Акад. наук. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 1. С. 124–127.
  30. Amestoy P.R., Duff I.S., l'Excellent J.-Y. Multifrontal parallel distributed symmetric and unsymmetric solvers // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2000. V. 184. № 2–4. P. 501–520.
  31. Гусев В.А., Жарков Д.А. Акустические поля и радиационные силы, создаваемые стоячей поверхностной волной в слоистых вязких средах // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 589–604.
  32. Атапин В.Г., Пель А.Н., Темников А.И. Сопротивление материалов. Базовый курс. Дополнительные главы. М.: Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), 2011. 508 с.
  33. Dziewonski A., Anderson D. Preliminary Reference Earth Model // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1981. V. 25. P. 297–356.
  34. Лебедев А.В., Манаков С.А., Дубовой Д.В. Рассеяние волны Рэлея на приповерхностном включении в упругом полупространстве // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2023. Т. 66. № 5–6. С. 483–504.
  35. Li S., Huang M., Song Y., Bo Lan, Li X. Theoretical and numerical modeling of Rayleigh wave scattering by an elastic inclusion // J. Acoust. Soc. Amer. 2023. V. 153. № 4. P. 2336–2350.
  36. Овсюченко А.Н., Горбатиков А.В., Рогожин Е.А., Андреева Н.В., Степанова М.Ю., Ларьков А.С., Сысолин А.И. Микросейсмическое зондирование и активные разломы керченско-таманского региона // Физика Земли. 2019. № 6. С. 84–95.
  37. Белянкова Т.И., Калинчук В.В. К проблеме анализа динамических свойств слоистого полупространства // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 5. С. 492–504.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Постановка задачи.

Скачать (69KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пример модели среды, сетки конечных элементов, использовавшихся при численном моделировании, и результатов расчета распределения амплитуды ПАВ вдоль свободной границы среды.

Скачать (282KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость относительного изменения амплитуды горизонтальной и вертикальной компонент смещений на поверхности от (а) – коэффициента изменения плотности, (б) – скорости продольных волн, (в) – скорости поперечных волн, (г) – совместного изменения скорости продольных и поперечных волн, (д) – совместного изменения всех трех упругих параметров; сплошная линия – теория, черные точки – численное моделирование (зона перехода – 50λ), серые точки – численное моделирование (зона перехода – λ).

Скачать (364KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость относительного изменения амплитуды горизонтальной и вертикальной компонент смещений на поверхности от коэффициента совместного изменения скорости продольных и поперечных волн (а) – в верхнем и (б) – нижнем слое, (в) - коэффициента изменения мощности слоя; λ/H = 2.5; сплошная линия – теория, черные точки – численное моделирование (зона перехода – 50λ), серые точки – численное моделирование (зона перехода – λ).

Скачать (224KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость (а) – относительного изменения амплитуды горизонтальной и вертикальной компонент смещений на поверхности, (б) – фазовой и групповой скорости и (в) – эллиптичности на поверхности от длины волны; сплошная черная – Kc1 = 0.8, Kc2 = 1, KH = 1, сплошная серая – Kc1 = 1, Kc2 = 0.8, KH = 1, штриховая черная – Kc1 = 1.2, Kc2 = 1, KH = 1, штриховая серая – Kc1 = 1, Kc2 = 1.2, KH = 1, штрихпунктирная черная – Kc1 = 1, Kc2 = 1, KH = 1.2, штрихпунктирная серая – Kc1 = 1, Kc2 = 1, KH = 0.8.

Скачать (233KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость доминантной длины волны относительной амплитуды вертикальной компоненты смещений на поверхности (черная линия), относительной амплитуды горизонтальной компоненты смещений на поверхности (штриховая черная линия), групповой скорости (серая линия) и эллиптичности (штриховая серая линия) от (а) – коэффициента совместного изменения скорости продольных и поперечных волн в верхнем слое, (б) – коэффициента совместного изменения скорости продольных и поперечных волн в нижнем слое и (в) – коэффициента изменения мощности.

Скачать (133KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость относительного изменения амплитуды горизонтальной и вертикальной компонент смещений на поверхности от длины волны; сплошная черная – Kc1 = 0.8, Kc2 = 1, KH = 1, сплошная серая – Kc1 = 1, Kc2 = 0.8, KH = 1, штриховая черная – Kc1 = 1.2, Kc2 = 1, KH = 1, штриховая серая – Kc1 = 1, Kc2 = 1.2, KH = 1, штрихпунктирная черная – Kc1 = 1, Kc2 = 1, KH = 1.2, штрихпунктирная серая – Kc1 = 1, Kc2 = 1, KH = 0.8.

Скачать (48KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024