Численное исследование волновых полей, генерируемых сейсмоисточником "Енисей", в блочно-слоистых средах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.37

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ СЕЙСМОИСТОЧНИКОМ «ЕНИСЕЙ», В БЛОЧНО-СЛОИСТЫХ СРЕДАХ*

О. В. Садовская, В. М. Садовский

Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: o_sadov@icm.krasn.ru

Разработана вычислительная технология для многопроцессорных систем кластерной архитектуры, позволяющая с высокой степенью детализации моделировать систему волн вблизи области возбуждения сейсмических колебаний импульсным источником «Енисей».

Ключевые слова: блочно-слоистая среда, электромагнитный источник сейсмических колебаний, упругие волны, параллельный алгоритм, суперкомпьютерное моделирование.

NUMERICAL STUDY OF WAVE FIELDS, GENERATED BY SEISMIC SOURCE "YENISEI", IN BLOCKY-LAYERED MEDIA

O. V. Sadovskaya, V. M. Sadovskii

Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: o_sadov@icm.krasn.ru

We developed computational technology for multiprocessor computing systems of cluster architecture, which allows modeling a system of waves near the region of excitation of seismic oscillations by a pulse source "Yenisei" with a high degree of details.

Keywords: blocky-layered medium, electromagnetic source of seismic oscillations, elastic waves, parallel algorithm, supercomputing simulation.

Создана вычислительная технология, конечной целью которой является детальное математическое моделирование волновых полей, возбуждаемых сейс-моисточником «Енисей» в блочно-слоистых геосредах с различными механическими характеристиками блоков (в глинистых и мерзлых грунтах, сыпучих, пористых и флюидонасыщенных средах). Электромагнитный источник сейсмических колебаний «Енисей» представляет собой невзрывной поверхностный импульсный сейсмический источник с силовым электромагнитным приводом [1]. Это оригинальная разработка ПАО «ГЕОТЕК сейсморазведка» (http://gseis.ru/our-business/field-seismic-works/impulse-technique/). Источник существует в колесном, санном, мобильном и водном вариантах. Он вполне конкурентоспособен в сравнении с источниками взрывного и вибрационного типов по эффективности и качеству производства разведочных работ, и имеет неоспори-

мые преимущества в экономическом и экологическом аспектах.

Для численного моделирования процессов распространения волн напряжений и деформаций в реологически сложных средах нами разработаны вычислительные алгоритмы и программные комплексы на языке Fortran с использованием библиотеки MPI (Message Passing Interface), ориентированные на многопроцессорные вычислительные системы кластерной архитектуры. Применяются математические модели упругопластических, сыпучих и пористых сред с учетом разного сопротивления материалов растяжению и сжатию [2-4]. Используются также уравнения динамики моментного континуума Коссера, описывающие волновые движения структурно-неоднородных сред, в которых наряду с поступательными степенями свободы учитываются независимые вращения материальных частиц [5].

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках научного проекта: «Анализ волновых сейсмических полей, генерируемых электромагнитным импульсным источником «Енисей» в неоднородных грунтовых массивах при проведении геологоразведочных работ в условиях северных районов Восточной Сибири».

Решетневскуе чтения. 2018

Поверхности уровня нормального напряжения в вертикальном направлении: нижний слой - грунт; верхний слой - глина (а), твердый грунт (б), вода (в), верхний слой - лед, средний слой - вода (г)

При численной реализации моделей применяется метод расщепления по физическим процессам и по пространственным переменным на структурированной криволинейной сетке в сочетании с конечно-объемной ENO (Essentially Non Oscillatory) - схемой для решения одномерных гиперболических систем. Расчеты трехмерных задач для блочно-слоистых сред под воздействием источника сейсмических колебаний "Енисей" проводились с помощью комплекса параллельных программ 3Dyn Granular [6], зарегистрированного в Роспатенте. На рисунке представлены результаты расчетов для двухслойного и трехслойного массивов упругой среды (в один из моментов времени), выполненные на 96 процессорах кластера ИВМ СО РАН.

На рисунке, а изображены характерные поверхности уровня нормального напряжения в случае податливого верхнего слоя (глина), на рисунке, б - в случае жесткого верхнего слоя (твердый грунт). Верхний слой - вода на рисунке, в. Верхний слой - лед, средний слой - вода на рисунке, г. В качестве нижнего слоя всюду в расчетах взяты параметры мягкого грунта.

Результаты моделирования с применением высокопроизводительных вычислений будут использоваться для оптимизации режимов функционирования источника при проведении сейсмических исследований.

Библиографические ссылки

1. Детков В. А., Щадин П. Ю., Ивашин В. В. Импульсные электромагнитные сейсмоисточники «Енисей»: особенности технического решения и применения // Приборы и системы разведочной геофизики. 2007. Т. 22, № 4. С. 30-33.

2. Садовская О. В., Садовский В. М. Параллельная реализация алгоритма для расчета упругопластиче-ских волн в сыпучей среде // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. 2005. Т. 6, № 2. С. 86-93.

3. Sadovskaya O., Sadovskii V. Mathematical Modeling in Mechanics of Granular Materials. Vol. 21 of Advanced Structured Materials. Heidelberg - New York -Dordrecht - London: Springer, 2012. 390 p.

4. Садовский В. М., Садовская О. В. Анализ деформации пористой среды с учетом схлопывания пор

// Прикладная механика и техническая физика. 2016. Т. 57, № 5. С. 53-65.

5. Sadovskii V. M., Sadovskaya O. V. Modeling of elastic waves in a blocky medium based on equations of the Cosserat continuum // Wave Motion. 2015. Vol. 52. P. 138-150.

6. Садовский В. М., Садовская О. В. Программный комплекс для решения трехмерных упругопластиче-ских задач динамики сыпучих сред (3Dyn_Granular). Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012613990 от 28.04.2012 // Программы, зарегистрированные в реестре программ для ЭВМ Российской Федерации. RU ОБПБТ № 3 (80). М. : ФИПС, 2012. С. 209.

References

1. Detkov V. A., Schadin P. Yu., Ivashin V. V. [Pulsed electromagnetic seismic sources "Yenisei": Features of technical solutions and applications]. J. Devices Systems Explor. Geophys. 2007. Vol. 22, No. 4. P. 30-33. (In Russ.)

2. Sadovskaya O. V., Sadovskii V. M. [Parallel implementation of an algorithm for the computation of elasto-plastic waves in a granular medium]. Numer.

Methods Program. 2005. Vol. 6, No. 2. P. 86-93. (In Russ.)

3. Sadovskaya O., Sadovskii V. Mathematical Modeling in Mechanics of Granular Materials. Vol. 21 of Advanced Structured Materials. Heidelberg - New York -Dordrecht - London, Springer, 2012. 390 p.

4. Sadovskii V. M., Sadovskaya O. V. Analyzing the deformation of a porous medium with account for the collapse of pores. J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2016. Vol. 57, No. 5. P. 808-818.

5. Sadovskii V. M., Sadovskaya O. V. Modeling of elastic waves in a blocky medium based on equations of the Cosserat continuum. Wave Motion. 2015. Vol. 52. P. 138-150.

6. Sadovskii V. M., Sadovskaya O. V. Parallel program system for the solution of three-dimensional elastic-plastic problems of the dynamics of granular media (3Dyn_Granular). Certificate of state registration of the computer program no. 2012613990 from 28.04.2012. Programs registered in the registry of computer programs of the Russian Federation. RU OBPBT No. 3 (80), Moscow, FIPS, 2012. Р. 209. (In Russ.)

© Садовская О. В., Садовский В. М., 2018