CC BY
53
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЗАДАЧЕ ЗОНДИРОВАНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ПОДЗЕМНЫХ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Александр Александрович Якименко
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)330-70-69, e-mail: al--le@yandex.ru
Дмитрий Алексеевич Караваев
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)330-70-69, e-mail: kda@opg.sscc.ru
В работе освещаются актуальные направления развития технологии математического моделирования для решения задач геофизики, связанные с экспериментальными исследованиями методом вибрационного просвечивания Земли (ВПЗ). К таким задачам относится инспекция на месте в проблеме мониторинга подземных ядерных испытаний. Численное моделирование распространения сейсмических волновых полей в сложнопостроенных 2D и 3D средах на основе разностных методов показывает, что анизотропия по-разному влияет на прохождение продольных и поперечных волн тех или иных структур.
Ключевые слова: разностная схема, моделирование, волновое поле, подземный ядерный взрыв.
SEISMIC FIELD SIMULATION IN THE PROBLEM OF SOUNGING THE AFTEREFFECTS OF UNDERGROUND NUCLEAR TESTS
Alexander A. Yakimenko
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS; 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher, tel. (383)330-70-69, e-mail: al--le@yandex.ru.
Dmitriy A. Karavaev
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS; 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Candidate of Physics and Mathematical Sciences, Junior Researcher, tel. (383)330-70-69, e-mail: kda@opg.sscc.ru.
The paper describes an actual development trends of mathematical technology for solving the geophysical problems associated with experimental researches using the method of vibrational Earth sounding. These tasks include in-site inspection in the monitoring the underground nuclear tests. Seismic wave field simulation in 2D and 3D media with complex subsurface structure with use of difference method shows that anisotropy differently affects the longitudinal and transversal waves propagation for different structures.
Key words: difference scheme, simulation, wave field, an underground nuclear explosion.
В задах инспекции на месте, возникающих при мониторинге последствий подземных ядерных испытаний, требуется получать картины сейсмических волновых полей на предполагаемых моделях сред. По таким снимкам можно выделить группы волн, являющиеся предвестниками кавернозных включений и оценить их геометрические размеры. Для численного моделирования таких сейсмических волновых полей требуются высокопроизводительные вычислительные системы и современное программное обеспечение с использованием технологий параллельного программирования.
Для исследования структуры волнового поля, образующегося в результате сейсмического просвечивания среды, проведены тестовые расчеты для различных моделей кавернозной зоны. При этом изучалось влияние геометрии модели на структуру волнового поля неоднородной среды, содержащей каверну, с целью выделения отличительных свойств поля, обусловленных ее присутствием. Для создания физико-геологической модели подземного ядерного взрыва использовались материалы работы [1]. Все численные расчеты проведены с использованием разработанной программы на основе структурной схемы организации параллельных вычислений (рис. 1) на кластере НКС-30Т ССКЦ СО РАН (ИВМиМГ СО РАН).
X ъ '
массив
МР1
процессО
МР1
<=>
процессі
МР1 МР1
процесс2
процессЗ
ОрепМР
р/]\^ О^МР/]^ ОрсМР/^ »-»Д
поток 0 поток 0 поток 0 поток 0
поток 1 поток 1 поток 1 поток 1
поток 2 поток 2 поток 2 поток2
Рис. 1. Используемая структурная схема параллельных вычислений
На рис. 2 показана исследованная 2D модель неоднородной упругой среды с линейными размерами 3.4 км по оси Ox и 1.0 км по оси Oz, содержащая одну подобласть, являющуюся каверной (4). Каверна окружена двумя внешними кольцами: одно из них полностью однородно (3), второе (2), имитирующее зону трещиноватости, заполнено равномерно распределенными включениями. Размеры этих включений, выраженные в
единичных ячейках (со стороной 5.23*10-4 км): вдоль оси Ох - одна ячейка, вдоль оси Oz - две ячейки.
Рис. 2. Схема 2D модели упругой среды в плоскости xOz,(верхняя часть рисунка) и детализация области А с каверной (нижняя часть рисунка).
Цифра - номер элемента модели
Результатами расчетов являются синтетические сейсмограммы и мгновенные снимки волнового поля. Рассмотрена в основном одна из компонент волнового поля, а именно №, соответствующая вертикальной составляющей сейсмического поля (Oz) [2].
На рис. 3 приведен пример синтетической сейсмограммы для компоненты №, в прямоугольной системе координат, при которой по горизонтали представлены координаты сейсмоприемников, по вертикали -время вступления различных волн.
На синтетической сейсмограмме рис. 4 отчетливо видны несколько групп упругих волн, отмеченных цифрами 1 - 6 и описанные в [3]. Судя по времени прихода волн к сейсмоприемникам, выделенные группы соответствуют следующим типам волн: 1 - прямая Р волна; 2 - поверхностная волна Рэлея; 3 - Р волна, отраженная от каверны; 4 - S волна, отраженная от каверны; 5 - SР волна, отраженная от каверны, 6 - SS волна, отраженная от каверны. Таким образом, группы волн, отмеченные цифрами 3 - 6, вызваны присутствием каверны. При этом волна (3) имеет значительную амплитуду и может являться предвестником присутствия каверны.
Процесс образования отраженных волн, приведенных на синтетической сейсмограмме (рисунок 3), иллюстрируют рассчитанные мгновенные снимки волнового поля для 8 различных временных промежутков (рис. 4).
Рис. 3. Рассчитанная синтетическая сейсмограмма для компоненты № волнового поля. Горизонтальный линейный размер модели 3,4 км
Рис. 4. Рассчитанные мгновенные снимки компоненты и волнового поля для 8 различных промежутков времени
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №14-07-00832-а, 1307-00589, 14-07-00832. 14-05-00867, 12-05-00786, проектов МИП СО РАН № 39, №54, №130.
1. Каплан Ю.В. Пассивная сейсмометрия при проведении инспекции на месте: этап поиска и этап локализации события / Каплан Ю.В., Шилина Г.В. // Вестник НЯЦ РК, -июнь 2004, - № 2 (18), - с. 112 - 117.
2. Якименко А.А. Численное моделирование распространения упругих волн в средах с подземными полостями на суперЭВМ / Якименко А.А., Караваев Д.А. // Научный вестник НГТУ. - 2013, №2. - с.99-104.
3. Родин Г. Сейсмология ядерных взрывов: Пер. с англ. М.: изд. «Мир», - 1974. -
190с.
© А. А. Якименко, Д. А. Караваев, 2014
