RU2087926C1 - Method of determination of structure of sedimentary thickness in shallow sea - Google Patents
Method of determination of structure of sedimentary thickness in shallow sea Download PDFInfo
- Publication number
- RU2087926C1 RU2087926C1 RU92013781A RU92013781A RU2087926C1 RU 2087926 C1 RU2087926 C1 RU 2087926C1 RU 92013781 A RU92013781 A RU 92013781A RU 92013781 A RU92013781 A RU 92013781A RU 2087926 C1 RU2087926 C1 RU 2087926C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sedimentary
- oscillations
- coherence
- thickness
- layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области геологоразведочных работ и может быть использовано при исследовании структуры осадочных отложений океанического и морского шельфа, озер и водохранилищ для целей строительства морских и гидротехнических сооружений, разработки полезных ископаемых и нефти на шельфе, геологии и экологии, а также для решения задач гидро- и сейсмоакустики. The invention relates to the field of exploration and can be used to study the structure of sedimentary deposits of the oceanic and marine shelf, lakes and reservoirs for the construction of marine and hydraulic structures, development of minerals and oil on the shelf, geology and ecology, as well as for solving problems of hydro- and seismoacoustics.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения слоистой структуры осадочной толщи в море, основанный на ее волновом зондировании короткими импульсами акустических колебаний с последующим определением по полученным данным мощности осадочных слоев, скорости распространения продольных волн в слоях, плотности среды [1] Способ предполагает использование специализированных судов и, обычно, взрывных работ на море. The closest in technical essence and the achieved result is a method for determining the layered structure of the sedimentary strata in the sea, based on its wave sounding with short pulses of acoustic vibrations with subsequent determination of the power of the sedimentary layers, the velocity of propagation of longitudinal waves in the layers, and the density of the medium from the data [1] Method involves the use of specialized vessels and, usually, blasting at sea.
Однако данный способ практически неприменим для исследования структуры осадочной толщи в мелком море при глубинах менее 200 400 м из-за мешающего влияния многократных отражений излучаемых колебаний от водной поверхности и дна и слабых отражательных свойств границ осадочных слоев. Кроме того, этот метод неприменим для определения скоростей поперечных волн в осадках, наиболее информативных для выявления границ слоев и оценок прочности свойств грунта [2]
Техническим результатом изобретения является осуществление оперативного определения осадочной толщи, включающего определение толщин осадочных слоев и скоростей поперечных волн в них, при глубинах моря менее 200 400 м без использования специализированных судов и взрывных работ.However, this method is practically not applicable for studying the structure of the sedimentary stratum in the shallow sea at depths of less than 200 400 m due to the interfering effect of multiple reflections of emitted vibrations from the water surface and the bottom and weak reflective properties of the boundaries of the sedimentary layers. In addition, this method is not applicable for determining the shear wave velocities in sediments, the most informative for identifying layer boundaries and assessing the strength of soil properties [2]
The technical result of the invention is the implementation of the operational determination of sedimentary strata, including determining the thickness of the sedimentary layers and shear wave velocities in them, at sea depths of less than 200,400 m without the use of specialized vessels and blasting.
Поставленный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа определения структуры осадочной толщи в море, основанного на ее волновом зондировании акустическими колебаниями и последующем определении толщин слоев и скорости продольных волн, волновое зондирование ведут на частотах ниже критической частоты акустических колебаний в водном слое, при этом регистрацию колебаний проводят одновременно не менее чем двумя приемниками, установленными на заданном расстоянии на исследуемом участке дна моря, а толщину верхнего слоя осадков и скорости поперечных волн в осадках определяют путем сопоставления расчетных дисперсных характеристик среды, полученных для различных вариантов структуры осадочной толщи, с теми же характеристиками, определенными по данным пространственной когерентности регистрируемых колебаний, а также тем, что в качестве источника колебаний используют естественное волнение водной поверхности. The technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known method for determining the structure of the sedimentary stratum in the sea, based on its wave sounding by acoustic vibrations and the subsequent determination of layer thicknesses and velocity of longitudinal waves, wave sounding is carried out at frequencies below the critical frequency of acoustic vibrations in the water layer, the registration of vibrations is carried out simultaneously by at least two receivers installed at a given distance in the studied section of the sea bottom, and the thickness in The upper sediment layer and the shear wave velocity in the precipitation are determined by comparing the calculated disperse characteristics of the medium obtained for different variants of the structure of the sedimentary thickness with the same characteristics determined by the spatial coherence of the recorded vibrations, as well as the fact that natural waves are used as the source of vibrations water surface.
Способ теоретически и экспериментально обоснован. Каждый из признаков, включенных в формулу изобретения, необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели. The method is theoretically and experimentally justified. Each of the features included in the claims is necessary, and together they are sufficient to achieve the goal.
Так, использование для волнового воздействия на дно частот ниже критической для акустических волн в водном слое позволяет работать с волнами, не распространяющимися в воде, а распространяющимися только в осадочном грунте (упругие поверхностные и объемные волны в грунте), и тем самым избавиться от помех от многочисленных отражений волн от водной поверхности и дна, обычно мешающих проведению измерений в мелководных областях. Thus, the use of frequencies below the critical frequency for acoustic waves in the water layer for wave action on the bottom allows working with waves that do not propagate in water but propagate only in sedimentary soil (elastic surface and volume waves in the soil), and thereby get rid of interference from numerous wave reflections from the water surface and bottom, usually interfering with measurements in shallow areas.
Используемые упругие поверхностные волны в грунте чрезвычайно чувствительны к слоистой структуре среды под дном, что отражается в модовом составе волнового поля с существенно различными скоростями распространения мод. The used elastic surface waves in the soil are extremely sensitive to the layered structure of the medium under the bottom, which is reflected in the mode composition of the wave field with significantly different mode propagation velocities.
Использование двух и более разнесенных в горизонтальной плоскости приемников колебаний позволяет измерить пространственную когерентность поля упругих волн, которая сама по себе несет информацию о слоистой и скоростной структуре среды под дном. The use of two or more receivers of oscillations spaced apart in the horizontal plane makes it possible to measure the spatial coherence of the field of elastic waves, which in itself carries information about the layered and velocity structure of the medium under the bottom.
Способ осуществляется следующим образом. На исследуемый участок дна моря устанавливают по меньшей мере два приемника колебаний на заданном расстоянии друг от друга. Приемники посредством кабельной линии связывают с судном обеспечения работ или с береговым постом и подключают через усилитель к анализирующей аппаратуре, рассчитывающей функцию когерентности регистрируемых колебаний. The method is as follows. At least two vibration detectors are installed on the studied section of the sea bottom at a given distance from each other. The receivers are connected via a cable line to a work support vessel or to a coastal post and connected through an amplifier to analyzing equipment that calculates the coherence function of the recorded oscillations.
В исследуемом участке дна возбуждают колебания с частотой ниже критической частоты для акустических колебаний в водном слое. Источником возбуждаемых в дне колебаний может служить естественное волнение водной поверхности, имеющее подходящий частотный состав. In the studied section of the bottom, vibrations with a frequency below the critical frequency for acoustic vibrations in the water layer are excited. The source of oscillations excited in the bottom can be a natural wave of the water surface having a suitable frequency composition.
Затем измеряют пространственную когерентность поля регистрируемых колебаний, возбуждаемых в дне. Наблюдаемые характеристики когерентности отражают свойства канала распространения колебаний и по ним определяют толщину верхнего слоя осадков и скорости поперечных волн в осадках. При этом в расчетах задаются или используются известные значения скоростей продольных волн и плотности среды. Then measure the spatial coherence of the field of recorded vibrations excited in the bottom. The observed coherence characteristics reflect the properties of the oscillation propagation channel and determine the thickness of the upper layer of sediments and the velocity of shear waves in the sediments from them. In this case, the known values of the longitudinal wave velocities and the medium density are specified or used in the calculations.
По современным представлениям сравнительно тонкий слой современных осадков (толщина несколько десятков метров) со скоростями продольных волн, близкими к скорости звука в воде, и поперечных волн порядка 200 м/с лежит на мощном слое консолидированных осадков со скоростью продольных волн порядка 1,8 км/с и поперечных 1 км/с. Как показали исследования, именно эти два слоя осадков определяют характер распространения в дне низкочастотных (0,5 5 Гц) колебаний, возбуждаемых, в частности, волнением водной поверхности. According to modern concepts, a relatively thin layer of modern precipitation (several tens of meters thick) with longitudinal wave velocities close to the speed of sound in water and transverse waves of about 200 m / s lies on a thick layer of consolidated precipitation with a longitudinal wave velocity of about 1.8 km / s and transverse 1 km / s. As studies have shown, it is these two layers of precipitation that determine the nature of the propagation in the bottom of low-frequency (0.5-5 Hz) oscillations excited, in particular, by the excitement of the water surface.
На фиг.1 представлены рассчитанные дисперсионные характеристики нулевой (верхний рис. ) и первой (нижний рис.) мод упругих поверхностных волн в дне для трехслойной среды (вода верхний слой осадков нижнее подстилающее полупространство) в диапазоне толщин верхнего слоя осадков h 20 200 м, а на фиг.2 наблюдаемые в Балтийском море и на шельфе Черного и Японского морей характеристики когерентности колебаний между приемниками, установленными на дне на заданных расстояниях D. Figure 1 presents the calculated dispersion characteristics of the zero (upper fig.) And first (lower fig.) Modes of elastic surface waves in the bottom for a three-layer medium (water, upper sediment layer, lower underlying half-space) in the thickness range of the upper sediment layer h 20 200 m, and figure 2 observed in the Baltic Sea and on the shelf of the Black and Sea of Japan characteristics of the coherence of oscillations between receivers installed on the bottom at given distances D.
Как видно из фиг.1, с понижением частоты фазовая скорость нулевой моды упругих поверхностных волн асимптотически стремится к значению скорости поверхностной волны Рэлея CR в нижнем слое осадков, близкому к скорости поперечных волн в нижнем слое осадков CS2. С увеличением частоты скорость снижается из-за влияния верхнего слоя осадков чем больше толщина верхнего слоя осадков, тем раньше по частоте проявляется его влияние. Уменьшение скорости с частотой прекращается при достижении значения скорости волн Cтоунли CSt, близкого к скорости поперечных волн в верхнем слое осадков CS1.As can be seen from figure 1, with decreasing frequency, the phase velocity of the zero mode of elastic surface waves asymptotically tends to the value of the surface velocity of the Rayleigh wave C R in the lower sediment layer, close to the shear wave velocity in the lower sediment layer C S2 . With increasing frequency, the speed decreases due to the influence of the upper layer of precipitation, the greater the thickness of the upper layer of precipitation, the earlier its influence manifests itself in frequency. The decrease in velocity with frequency ceases when the Stounley wave velocity C St is close to the shear wave velocity in the upper sediment layer C S1 .
Особенностью первой моды упругих поверхностных волн является наличие граничной частоты, выше которой эта мода может существовать в задаваемой слоистой среде. Как видно из фиг.1 (нижний рис.), для заданных типичных значений толщин верхнего слоя осадков ожидаемые граничные частоты первой моды лежат в диапазоне 0,5 2 Гц. На частотах, близких к граничной, фазовая скорость первой моды близка к скорости поперечных волн в нижнем слое осадков CS2, а с увеличением частоты она снижается до предельного значения, равного скорости поперечных волн в верхнем слое осадков CS1.A feature of the first mode of elastic surface waves is the presence of a boundary frequency above which this mode can exist in a given layered medium. As can be seen from Fig. 1 (bottom figure), for the given typical values of the thicknesses of the upper layer of precipitation, the expected boundary frequencies of the first mode lie in the range of 0.5–2 Hz. At frequencies close to the boundary, the phase velocity of the first mode is close to the velocity of transverse waves in the lower sediment layer C S2 , and with increasing frequency it decreases to a limiting value equal to the velocity of transverse waves in the upper sediment layer C S1 .
Рассмотренные рассчитанные дисперсионные характеристики согласуются с экспериментально полученными данными по когерентности колебаний, представленными на фиг. 2. Здесь в когерентности действительно наблюдаются два участка, соответствующие нулевой и первой модам колебаний с граничной частотой, обнаруживаемой по участку резкого увеличения когерентности с частотой. The considered calculated dispersion characteristics are consistent with experimentally obtained data on the coherence of vibrations presented in FIG. 2. Here, in coherence, two sections are really observed, corresponding to the zero and first modes of oscillations with a boundary frequency detected in the section of a sharp increase in coherence with frequency.
Отсюда следует метод определения толщины слоев и скорости поперечных волн путем сопоставления расчетных дисперсионных характеристик среды для различных вариантов структуры осадочной толщи с теми же характеристиками, определенными по данным пространственной когерентности регистрируемых колебаний, относящихся к нулевой и первой модам упругих поверхностных волн для модели изотропного в горизонтальной плоскости поля шума
γ=I
где γ когерентность, I0 функция Бесселя нулевого порядка, K=2πfD/Cф волновое число, f частота, Cф фазовая скорость.From here follows a method for determining the layer thickness and shear wave velocity by comparing the calculated dispersion characteristics of the medium for different variants of the structure of the sedimentary thickness with the same characteristics determined by the spatial coherence of the recorded vibrations related to the zero and first modes of elastic surface waves for the model of isotropic in the horizontal plane noise fields
γ = I
where γ is coherence, I 0 is the zero-order Bessel function, K = 2πfD / C f wave number, f frequency, C f phase velocity.
Методика проведения расчетов иллюстрируется на фиг.3. Здесь на верхнем рис. представлен пример решения обратной задачи по определению зависимости фазовой скорости от частоты. Экспериментально полученная кривая когерентности γ (f) при некотором фиксированном расстоянии между приемниками наносится на семейство теоретических кривых (1) для разных значений фазовой скорости. The calculation procedure is illustrated in figure 3. Here in the top pic. an example of solving the inverse problem of determining the dependence of the phase velocity on frequency is presented. The experimentally obtained coherence curve γ (f) for some fixed distance between the receivers is plotted on the family of theoretical curves (1) for different values of the phase velocity.
Область минимума когерентности на экспериментальных кривых соответствует значению граничной частоты fгр, при которой происходит вступление первой моды упругих поверхностных волн и соответственно резкое возрастание когерентности на частотах f > fгр.The region of minimum coherence in the experimental curves corresponds to the value of the boundary frequency f g at which the first mode of elastic surface waves comes in and, accordingly, a sharp increase in coherence at frequencies f> f g .
Точки пересечения экспериментальной и теоретической кривых позволяют выявить зависимость Cф(f) отдельно для нулевой (f < fгр) и первой (f > fгр) мод упругих поверхностных волн. Эти зависимости в виде точек наносятся далее на семейство теоретических кривых Cф(f) для каждой из мод (нижние рисунки), где параметром кривых является толщина верхнего слоя осадков D. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими кривыми позволяет выбрать ту из них, которая соответствует искомому значению D Для первой моды выбор кривой облегчается дополнительным привлечением наблюдаемого значения fгр.The intersection points of the experimental and theoretical curves make it possible to reveal the dependence C f (f) separately for the zero (f <f g ) and first (f> f g ) modes of elastic surface waves. These dependences in the form of points are then applied to the family of theoretical curves C f (f) for each of the modes (lower figures), where the parameter of the curves is the thickness of the upper layer of precipitation D. Comparison of the experimental data with theoretical curves allows you to choose the one that corresponds to the desired the value of D For the first mode, the choice of the curve is facilitated by the additional involvement of the observed value of f gr .
Значения скоростей поперечных волн для верхнего и нижнего слоев осадков, соответственно CS1 и CS2, задаются в вариантах расчета, а также находятся на концах кривых Cф(f).The values of the shear wave velocities for the upper and lower layers of precipitation, respectively, C S1 and C S2 , are set in the calculation options, and are also located at the ends of the curves C f (f).
Использование предлагаемого метода определения толщины верхнего слоя осадков и скорости поперечных волн в верхнем и нижнем слоях может быть проиллюстрировано для представленных на фиг. 2 экспериментальных данных по пространственной когерентности шума моря. Одна из экспериментальных кривых из верхней группы на фиг.2 (шельф Японского моря) была использована на фиг.3 при объяснении методики расчетов. Из фиг.3 видно, что для этой кривой получаются значения толщины верхнего слоя 80 м и скорости 0,2 и 1,0 км/с соответственно в верхнем и нижнем слоях. Те же значения величин получаются при использовании двух других кривых из этой группы. Аналогичные вычисления для двух других групп кривых на фиг.2, относящихся к шельфовому району Черного моря и к Балтийскому морю, дали меньшие значения толщины верхнего слоя осадков 50 60 м. Using the proposed method for determining the thickness of the upper layer of precipitation and the velocity of shear waves in the upper and lower layers can be illustrated for those shown in FIG. 2 experimental data on the spatial coherence of sea noise. One of the experimental curves from the upper group in Fig. 2 (the shelf of the Sea of Japan) was used in Fig. 3 to explain the calculation procedure. Figure 3 shows that for this curve the values of the thickness of the upper layer of 80 m and speeds of 0.2 and 1.0 km / s are obtained in the upper and lower layers, respectively. The same values of the values are obtained using two other curves from this group. Similar calculations for the other two groups of curves in Fig. 2, related to the shelf region of the Black Sea and the Baltic Sea, gave lower values of the thickness of the upper layer of precipitation of 50 to 60 m
Рассмотренные вычислительные операции могут выполняться автоматически с использованием компьютера при наличии в нем соответствующих программ по расчету дисперсионных характеристик слоистой среды и возможности ввода экспериментальных данных с вычислением по ним функции когерентности. Или обработку экспериментальных данных можно получить специализированным стандартным прибором анализатором сигналов, вычисляющим функцию когерентности вводимых сигналов, у которых предусмотрен выход на внешний компьютер для дальнейшей обработки результатов анализа. Такими стандартными приборами являются, например, анализаторы 2034, 2111, CF-930, SM-2100 соответственно фирм Брюль и Къер, Нидерланды, Хьюлетт Паккард, США, Оно-Соки и Ивацу, Япония. The considered computational operations can be performed automatically using a computer if it has the appropriate programs for calculating the dispersion characteristics of a layered medium and the possibility of entering experimental data with calculating the coherence function from them. Or, the processing of experimental data can be obtained with a specialized standard instrument, a signal analyzer, which calculates the coherence function of the input signals, which have an external computer for further processing of the analysis results. Such standard instruments are, for example, analyzers 2034, 2111, CF-930, SM-2100, respectively, from Bruhl and Kjерr, the Netherlands, Hewlett Packard, USA, Ono-Soki and Iwatsu, Japan.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92013781A RU2087926C1 (en) | 1992-12-23 | 1992-12-23 | Method of determination of structure of sedimentary thickness in shallow sea |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU92013781A RU2087926C1 (en) | 1992-12-23 | 1992-12-23 | Method of determination of structure of sedimentary thickness in shallow sea |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU92013781A RU92013781A (en) | 1995-02-27 |
| RU2087926C1 true RU2087926C1 (en) | 1997-08-20 |
Family
ID=20134125
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU92013781A RU2087926C1 (en) | 1992-12-23 | 1992-12-23 | Method of determination of structure of sedimentary thickness in shallow sea |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2087926C1 (en) |
-
1992
- 1992-12-23 RU RU92013781A patent/RU2087926C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Справочник по гидроакустике.-Л.: Судостроение, 1982, с. 32. 2. Акустика морских осадков.-М.: Мир, 1977, с. 48 - 65. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Webb et al. | Observations and modeling of seafloor microseisms | |
| CN102016643B (en) | Method for attenuating low frequency noise in a dual-sensor seismic streamer | |
| Klein et al. | Acquisition and inversion of dispersive seismic waves in shallow marine environments | |
| Morang et al. | Monitoring the coastal environment; part III: geophysical and research methods | |
| OA13110A (en) | Method and apparatus for determining the nature ofsubmarine reservoirs. | |
| Rogers et al. | Experimental investigation of sediment effect on acoustic wave propagation in the shallow ocean | |
| Lee et al. | P-wave reflection imaging | |
| Presnov et al. | Tomographic estimation of waterbody parameters in the presence of ice cover using seismoacoustic sources | |
| McClure et al. | Marine sonoprobe system, new tool for geologic mapping | |
| RU2087926C1 (en) | Method of determination of structure of sedimentary thickness in shallow sea | |
| Rui et al. | Application of Sub-Bottom Profiler to Study Riverbed Structure and Sediment Density | |
| Kozaczka et al. | Processing data on sea bottom structure obtained by means of the parametric sounding | |
| Osler et al. | Seismo-acoustic determination of the shear-wave speed of surficial clay and silt sediments on the Scotian shelf | |
| Kumagai et al. | Efficient surface wave method for investigation of the seabed | |
| RU2292569C1 (en) | Method of determining tsunami precursor | |
| Miyamoto et al. | Seismic prospecting method applied to the detection of offshore breakwater units settling in the seabed | |
| Officer Jr | The refraction arrival in water covered areas | |
| Courtney et al. | Acoustic properties of fine‐grained sediments from Emerald Basin: Toward an inversion for physical properties using the Biot–Stoll model | |
| Kermabon et al. | Acoustic and other physical properties of deep-sea sediments in the Tyrrhenian Abyssal Plain | |
| RU2090984C1 (en) | Hydrophone sensitivity measurements on board sea-going ships by method of comparison in low-frequency range | |
| Klyuev et al. | Seismic-Acoustic Methods for Paleo-Channel Studies | |
| JPH06294793A (en) | Nondestructive measuring method using acoustic wave of physical property of stratum | |
| Nilu | Investigating the Capability of a New Surface-based EM Instrument, the Sea Ice Sensor (SIS), to Measure Sea Ice Thickness | |
| Winokur et al. | Sound Reflection from a Low‐Velocity Bottom | |
| Chapman et al. | Propagation loss modelling on the Scotian Shelf: the geo-acoustic model |