CN110208857B - 一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地震定位领域，具体涉及一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法。由于地震计信号的耦合强度与地震计的振幅的平方成正比，本发明通过建立地震计振幅与地震计自身的结构参数以及地震计布放的地质参数的函数，为海底泥沙介质地震波与地震计信号耦合的设计提供理论依据。本发明可用于设计制作地震计壳体结构和制定地震计布放的施工工艺，对提高地震计远程探测具有重要的意义。

Description

一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法

技术领域

本发明属于地震定位领域，具体涉及一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法。

背景技术

中国海域幅员辽阔，海洋环境复杂对于舰船目标的定位识别有很大的挑战。除了利用传统的水声定位外，利用舰船所激发的海底地震是一种有效可靠的途径。但是由于海底存在淤泥层，这对地震计和地震波的信号的耦合带来了很大的困难。传统的做法是把地震计安放在耦合架上，地震波要通过耦合架作用于地震计，在这一过程中产生了能量的损耗。另外耦合架直接放置在淤泥层，没有考虑到海底地震波传播的途径，地震计的安放位置不合理。这些都影响地震计耦合的效果，严重降低了地震计远程的探测能力。

由于地震计信号的耦合强度与地震计的振幅的平方成正比，因此需要建立一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法，通过建立地震计振幅与地震计自身的结构参数以及地震计布放的地质参数的函数，从而研究提高地震计信号耦合强度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法，包括以下步骤：

步骤一：测量地震计自身的结构参数，包括测量地震计自身总体质量M、测量地震计与泥沙沉积层接触且平行于沉积层表面的面积S；

步骤二：地震计布放的地质参数，包括测量地震计对淤泥层的应力σ_淤泥和地震计对泥沙沉积层的应力σ_泥沙、测量泥沙沉积层与地震计之间的粘滞系数k、测量地震计所处位置的斯通利波角频率ω；

步骤三：计算斯通利波在传播过程中竖直方向的应力振幅N；

步骤四：根据地震计在在垂直于分界介质界面的位移值方程R(z(t))，计算R(z(t))的最大值并取绝对值，得到地震计振幅|[R(z(t))]_max|；所述的地震计在在垂直于分界介质界面的位移值方程R(z(t))为：

R(z(t))＝L+R(t)+H(t)

其中，N是斯通利波在传播过程中在竖直方向应力振幅；S是地震计与泥沙沉积层接触平行于沉积层表面的面积；ω斯通利波的角频率；M是地震计的总体的重量；k是泥沙沉积层和地震计相互运动而产生的粘滞力的粘滞系数；Q是地震计在不受到地震波作用时受到的淤泥层和泥沙沉积层在竖直方向的作用力，且Q＝σ_淤泥+σ_泥沙。

本发明还可以包括：

所述的步骤二中测量地震计对淤泥层的应力σ_淤泥和地震计对泥沙沉积层的应力σ_泥沙的方法具体为：

步骤2.1：测量地震计所处位置淤泥层杨氏模量E_淤泥和在竖直方向上淤泥层的形变量z_淤泥；

步骤2.2：测量地震计所处位置泥沙沉积层杨氏模量E_泥沙和在竖直方向上淤泥层的形变量z_泥沙；

步骤2.3：计算地震计对淤泥层的应力σ_淤泥和地震计对淤泥层的应力σ_泥沙：

所述的步骤三中计算斯通利波在传播过程中竖直方向的应力振幅N具体为：

步骤3.1：测量斯通利波的波数k_ST、纵波的波速v_p和横波的波速v_s；

步骤3.2：计算斯通利波在传播过程中竖直方向的应力振幅N：

N＝A(λ+2μ)α²-Aλk_ST

其中λ、μ和A均为常数，α按下式计算：

本发明的有益效果在于：

本发明设计了一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法，由于地震计信号的耦合强度与地震计的振幅的平方成正比，通过建立地震计振幅与地震计自身的结构参数以及地震计布放的地质参数的函数，为在海底泥沙介质地震波与地震计信号耦合的设计提供理论依据。

附图说明

图1为本发明中谐振系统示意图

图2为本发明中谐振系统建系示意图

图3为一种地震计具体参数示意图

图4为一种地震计海底布放示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

浅海底由主要由泥沙沉积层和淤泥层构成，地震波是一种冲击波，在这种冲击波的作用下淤泥层、地震计、泥沙沉积层等发生微小振动，可以把地震计和淤泥层以及泥沙沉积层简化为一个谐振系统如附图1所示，其中淤泥层1简化为上弹簧4，地震计2简化为圆柱模型2，泥沙沉积层3简化为下弹簧6。地震波对地震计的作用主要是通过海底泥沙沉积层再对地震计作用，其中淤泥层厚度为l′，地震计位于泥沙沉积层的部分高为h，地震计高为l。

如图2所示，以淤泥层和泥沙沉积层分界面方向向右为x轴，以垂直于淤泥层和泥沙沉积层分界面竖直向上为z轴，从上到下依次为海水层，淤泥层，地震计和泥沙沉积层。

海底地震计和由泥沙沉积层以及淤泥层构成一个谐振系统，在这个系统中地震计对淤泥层的应力为σ_淤泥＝z_淤泥E_淤泥，地震计对泥沙沉积层的应力为σ_泥沙＝z_泥沙E_泥沙，其中E表示杨氏模量，z淤泥、z泥沙在这个谐振系统中淤泥层和泥沙层在z方向的形变量。z方向垂直于淤泥和泥沙沉积层分界界面竖直向上，地震计的重量为M，地震计与泥沙沉积层接触垂直于z方向的面积为S，地震计与沉积层接触平行于z方向的面积为S₀。对于泥沙沉积层来对于地震计的粘滞力可以表示为：

f＝-kv (1)

其中k是粘滞系数和S₀成正比，r₀是泥沙沉积层中沙子颗粒半径。而η是泥沙沉积层中泥水的粘度。

在不受地震波的冲击作用时，一方面地震计受淤泥层压力f₁和泥沙沉积层支持力f₂的影响，另一方面受到海底沉积层介质和地震计之间的表面静摩擦力f₃的作用，地震计的总重量为G＝Mg。通过受力分析可知，在地震计不受地震波作用时处于受力平衡状态，可以表达为下式：

f₁+f₂+f₃+G＝0 (3)

由地震计和泥沙沉积层以及淤泥构成的谐振系统在受到地震波的冲击作用时，通过受力分析建立运动方程为：

其中(4)式中的f₃不是静摩擦力，而是由沉积层的粘滞作用形成的粘滞力，通过分析可以知道f₃＝-kv，其中v是地震计相对于沉积层在垂直于分界介质分界面上的运动速度，在这里就是可以视为地震计z方向的振动速度。所以有v＝z′。f₄是地震波通过泥沙沉积层对地震计在z方向的作用力，这种作用力虽然会被泥沙沉积介质吸收一部分，但是作用力的具体形式没有变。

斯通利波的位移位函数为：

在(5)、(6)式中相关的参数为：

A(z)＝Ae^αz (7)

B(z)＝Be^βz (9)

k_ST为斯通利波的波数，v_p为纵波的波速，v_s为横波的波速，ω斯通利波的角频率，其中A、B为常数。

斯通利波对介质的在z方向上正应力可以表示为：

其中λ、μ为拉梅常数，当z→0，x→0时正应力表示为：

σ_zz＝[A(λ+2μ)α²-Aλk_ST]e^-iωt (12)

f₄＝σ_zzS (13)

f₁＝σ_淤泥·S (14)

f₂＝σ_泥沙·S (15)

代入(4)式可以求得：

z(t)＝e^-kt/Mξ(t) (16)

在这里其中：

Q＝σ_淤泥+σ_泥沙 (18)

N＝A(λ+2μ)α²-Aλk_ST (19)

其中，在实际情况下，初始条件t→0⁺时，z(0⁺)＝0，z′(0⁺)＝0。代入(17)式可以的到关于C₁、C₂方程组，此方程组可以表达为：

求解(20)式可得：

把求解的(21)式代入到(17)中可以得到ξ(t)的具体表达式，再把(17)式代入(16)式中可以求出z(t)的具体表达式。地震计在垂直于分界介质界面的位移值的大小只和z(t)的实部有关，为了书写方便实部Rz(z(t))表示为：

R(z(t))＝L+R(t)+H(t) (22)

其中在(22)式中L、R(t)、H(t)具体表示为：

对于I强度正比于振幅|[R(z(t))]_max|的平方，可以表示为：

I∝|[R(z(t))]_max|² (24)

在(22)式Rz(z(t))中的参数，Q所描述的是地震计在这个谐振系统中在不受到地震波作用时所受到的淤泥层和泥沙沉积层的在z方向的作用力，并且Q值和淤泥以及泥沙的性质有关，具体关系见(18)式。N是斯通利波在传播过程中的z方向应力振幅。N值的大小和斯通利波远程传播的介质有关，具体关系见(19)式。k是泥沙沉积层和地震计相互运动而产生的粘滞力的粘滞系数，具体关系见(2)式。S是地震计与泥沙沉积层接触平行于沉积层表面的面积，M是地震计的总体的重量。

N、ω与斯通利波远程传播介质有关，取决于远离这个谐振系统之外区域的地质参数，所以视为已知的条件。提高地震计的耦合能力只能从地震计自身的结构、地震计地质结构来考虑。地震计内部安装有必要的仪器，决定了内部结构的大小，所以只能从地震计壳体的设计来提高地震计信号耦合能力。舰船地震波的能量主要是集中在淤泥层和泥沙层的分界面上，地震计放置在泥沙沉积层，淤泥层的作用很小。提高地震计信号的耦合能力主要是从泥沙沉积层来考虑，可以制定地震计的施工工艺来提高地震计信号的耦合能力。从(24)式中可以知道强度的提高需要增大地震计振动幅度，振动幅度是振动位移函数的最大值。依据(22)、(23)式优化表达式中参数，可以增大振动的幅度值。对于地震计来讲减小地震计总重量M，增大和泥沙沉积层的接触面积S，能够提高地震计信号耦合的强度。对于地震计所布放的泥沙沉积层来讲，可以改变Q以及k值提高地震计信号耦合的强度，想要增大Q和减小k值，泥沙沉积层的沙子颗粒应该尽量大，有利于地震计信号耦合。

实施例1：

本发明可用于提高海底沉积层区域地震计信号耦合能力，包括地震壳体的设计制作、地震计布放施工工艺。

地震计的壳体的设计制作：

通过调查可以知道在我国海域，海底沉积层的弹性模量平均值在0.137×10⁹Pa，而淤泥的弹性模量在3×10⁶Pa，沙子的颗粒半径在0.5mm左右，在海底的淤泥粘度为40Pa·S。斯通利波的频率在0～300Hz。地震计的总重量在50kg左右，这是由地震计所需内部所需的一些仪器以及外部壳体结构所决定的。通过地震计耦合理论计算，设计出的地震计包括上盖板、舱体、下盖板构成。地震计壳体结构具体参数如附图3所示。上盖板直径为40cm后为8cm的圆盘。舱体是直径36cm的空心圆柱，舱体内部预留安装地震计电路控制板和三维电子罗盘以及三维光纤加速度计的安装位置，舱体外舱身加工有两处厚为4cm外径为50cm的内径为36cm圆环两个圆环相距20cm，为了增大与泥沙沉积层的接触面积，舱体下部为厚4cm，直径为40cm圆盘方便与下盖板连接。地震计耦合圆盘的设计是结合所调查的地质参数，通过(22)、(23)式求解在一个周期内振动幅度的最佳值。当地震计总重量为50kg时，设计出的下盖板直径为下部分为直径150cm厚2cm的耦合圆盘，一方面增大与泥沙沉积层的接触面积，同时又保持地震计能够长时间处于水平状态不至于地震计在使用过程中发生倾斜。下盖板上部分为直径45cm，厚度为4cm的圆盘方便与舱身连接，地震计整体高为70cm，选用抗海水腐蚀的钛合金材料加工制作。

地震计布放施工工艺

地震计布放示意图如附图4所示，在海水层下面是淤泥层，地震计被布放在泥沙沉积层中，利用高压水枪在海底冲击出一个梯形槽，利用吊装设备把地震计水平放置梯形槽中，重新覆盖泥沙使得梯形槽和地震计被泥沙覆盖，地震计布放完成。

通过所提出的方法，地震计信号耦合和地震计布放的位置有关，而地震计的安放位置与斯通利波传播区域有关，地震计安放在斯通利波能量传播区域最大的位置地震计信号耦合的效果最好，斯通利波传播是在固液分界面附近传播的，并且离开分界面能量迅速衰减，斯通利波的能量主要集中于固液分界面附近。在海底固液分界面是很模糊的，淤泥含水量很大并不能视为固体，由于淤泥层对海水有阻隔作用，泥沙层含水量相对较小泥沙层可以视为固体。所以可以把淤泥和泥沙沉积层的接触面附近视为固液分界面。通过地震计信号耦合的理论(22)、(23)、(24)式，地震计的布放应该选择沙子颗粒应该尽量大的泥沙沉积层，有利于地震计信号的耦合，利用高压水枪在海底泥沙沉积层冲出一个梯形槽。利用吊装设备把地震计水平放置在梯形槽中，重新覆盖泥沙使得梯形槽和地震计被泥沙覆盖。地震计很好地和海底沉积层融合在一起，地震计安装施工完成。

本发明利用淤泥和泥沙沉积层以及地震计构成的一个谐振系统，这个谐振系统中受到地震波冲击作用时。地震计信号耦合的强度和地震计壳体的结构参数以及布放的地质参数成函数关系。利用所提出的理论设计制作地震计壳体结构和制定地震计布放的施工工艺。使得在海洋沉积层中地震计信号的耦合能力得到进一步的提升。为解决我国海底沉积层地震计耦合问题提供了一个有效的解决方法，对提高地震计远程探测具有重要的意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：测量地震计自身的结构参数，包括测量地震计自身总体质量M、测量地震计与泥沙沉积层接触且平行于沉积层表面的面积S；

步骤二：地震计布放的地质参数，包括测量地震计对淤泥层的应力σ_淤泥和地震计对泥沙沉积层的应力σ_泥沙、测量泥沙沉积层与地震计之间的粘滞系数k、测量地震计所处位置的斯通利波角频率ω；

步骤三：计算斯通利波在传播过程中竖直方向的应力振幅N；

步骤四：根据地震计在垂直于分界介质界面的位移值方程R(z(t))，计算R(z(t))的最大值并取绝对值，得到地震计振幅|[R(z(t))]_max|；所述的地震计在垂直于分界介质界面的位移值方程R(z(t))为：

R(z(t))＝L+R(t)+H(t)

其中，N是斯通利波在传播过程中在竖直方向应力振幅；S是地震计与泥沙沉积层接触平行于沉积层表面的面积；ω斯通利波的角频率；M是地震计的总体的重量；k是泥沙沉积层和地震计相互运动而产生的粘滞力的粘滞系数；Q是地震计在不受到地震波作用时受到的淤泥层和泥沙沉积层在竖直方向的作用力，且Q＝σ_淤泥+σ_泥沙。

2.根据权利要求1所述的一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法，其特征在于：所述的步骤二中测量地震计对淤泥层的应力σ_淤泥和地震计对泥沙沉积层的应力σ_泥沙的方法具体为：

步骤2.1：测量地震计所处位置淤泥层杨氏模量E_淤泥和在竖直方向上淤泥层的形变量z_淤泥；

步骤2.2：测量地震计所处位置泥沙沉积层杨氏模量E_泥沙和在竖直方向上泥沙沉积层的形变量z_泥沙；

步骤2.3：计算地震计对淤泥层的应力σ_淤泥和地震计对泥沙沉积层的应力σ_泥沙：

σ_淤泥＝z_淤泥E_淤泥

σ_泥沙＝z_泥沙E_泥沙。

3.根据权利要求1或2所述的一种海底沉积层区域地震计信号振幅测量方法，其特征在于：所述的步骤三中计算斯通利波在传播过程中竖直方向的应力振幅N具体为：

步骤3.1：测量斯通利波的波数k_ST、纵波的波速v_p和横波的波速v_s；

步骤3.2：计算斯通利波在传播过程中竖直方向的应力振幅N：

N＝A(λ+2μ)α²-Aλk_ST

其中λ、μ和A均为常数，α按下式计算：

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