بخشی از مقاله
چکیده
در ژئومکانیک و ژئوتکنیک از موجهای سطحی برای تعیین ساختار و ویژگی مواد زمین استفاده میکنند. در این مقاله برای یک محیط خاک چهار لایهای با توجه به آزمایشهای میدانی انجام شده و داده های به دست آمده از آن، به بررسی مقایسه ای منحنی پراکندگی آزمایشگاهی حاصل از آزمایش میدانی، تحلیل نظری و مدلسازی عددی با نرمافزار اجزا محدود ABAQUS پرداخته شد.
نتایج نشان دادند که منحنی پراکندگی آزمایشگاهی بهدستآمده از مدلسازی عددی با نرمافزار ABAQUS با نتایج آزمایشگاهی امواج سطحی بهدستآمده از سطح زمین تطابق مناسب تری نسبت به روشهای نظری دارد. لذا میتوان از تطابق منحنی پراکندگی بهدستآمده از دادههای آزمایشگاهی و دادههای عددی در محدوده فرکانسی وسیعی به تشخیص لایهها و اکتشافات زمین پرداخت.
-1 مقدمه
اولین مرحله برای دستیابی به نفت و بهرهبرداری از آن، اکتشاف مخازن است. با به دست آوردن مجموعهای از اطلاعات لایههای مختلف زمین با استفاده از روشهای زمینشناسی و ژئوفیزیکی، محل و کیفیت نفت خام یا گاز کشف میشود و بدین ترتیب با تشخیص محل صحیح نفت و گاز موجود در اعماق زمین میتوان به حفاری و استخراج این مواد اقدام کرد . بنابراین نیاز به استفاده از تکنولوژیهای جدید و نوعی بازنگری در اکتشاف مخازن نفت و گاز بهشدت احساس میشود. روشهای موجود برای اکتشافات نفتی شامل روشهای سطحی، روشهای ژئوالکتریکی، گرانی سنجی، مغناطیس سنجی، لرزهنگاری [1]، ژئوشیمی آلی و حفر چاههای اکتشافی [2] میباشد.
روشهای لرزهنگاری برای تعیین ویژگیهای سایت بسیار مورداستفاده قرار میگیرند. بهطور سنتی، برای اکتشافات مواد نفتی که در اعماق زیاد قرار دارند و همچنین تعیین ساختار زمین از روشهای انکساری و انعکاسی استفاده میشود که منابع و گیرندهها بهطورمعمول در سطح زمین قرار میگیرند. گرچه این روشها بر پایه انتشار موج طولی هستند، اما لرزهنگاشتها که برای اکتشافات عمیق استفادهشدهاند حضور مؤلفههای بااهمیتی از موج سطحی را نشان میدهند.
موجهای سطحی حامل انرژی زیادی هستند و کاهیدگی هندسی آنها هم کمتر از موج طولی است. روشهای لرزهای به دو دسته تقسیم میشوند: روشهای مخرب و روشهای غیر مخرب. روشهای مخرب یا نیاز به گمانه دارند - روشهای بین گمانهای - cross-hole - گمانهای رو به پایین - down-hole - و گمانهای روبه بالا - - up-hole - و یا نیاز به یک کاوشگر در خاک دارند - آزمایش نفوذ مخروط لرزهای - seismic cone - penetration test و یا دایلیتومتر لرزهای - - - seismic dilatometer اما روشهای غیر مخرب بهطور کامل در سطح زمین انجام میشود - آزمایشهای بازتاب لرزهای، انکسار لرزهای و موج سطحی - . بهطورکلی روشهای غیر مخرب تحت تأثیر درجه عدم قطعیت بالایی هستند اما اکتشافات بیشتری در حجم بزرگتری انجام میدهند و اغلب صرفه اقتصادی بیشتری نسبت به روشهای مخرب دارند
اخیراً استفاده از امواج سطحی برای تعیین خصوصیات مواد میباشد، روزبهروز در حال افزایش میباشد. در روش امواج سطحی از خواص انتشار موج رایلی در محیط برای تعیین پروفیل سرعت موج برشی در لایههای زیرسطحی استفاده میشود. موجهای رایلی بهسادگی ایجاد میشوند و بهسادگی در سطح زمین انتشار مییابند و یک ابزار قدرتمندی برای تعیین مشخصات زمین هستند
اخیراً مدلسازی عددی امواج سطحی موردتوجه بسیاری از محققان گرفته است و با مدلسازی صحیح محیط، میتوان در تشخیص مشخصات لایههای زمین و اکتشاف مخازن نفتی دقت بیشتری داشت. برای تحلیل انتشار موج لرزهای، روشهای عددی متفاوتی در دسترس میباشد. روش تفاضل محدود - FDM - در مسائل الاستو دینامیک بسیار دقیق میباشد اما بهطور عمده برای مسائل با هندسه ساده بکار میرود
روش اجزا محدود - FEM - برای هندسههای پیچیده و محیط بهشدت غیر همگن - حتی برای مدلهای غیر الاستیک - [8]، بسیار مناسب میباشد اما هزینه عددی آن در مسائل سهبعدی بالا میباشد
روش المان طیفی - SEM - برای تحلیل انتشار موج در محیط خطی بهشدت مورد ملاحظه قرارگرفته است و به دلیل ویژگی همگرایی طیفی که دارد، با دقت مناسبی همراه بوده است
روش المان مرزی - BEM - روش خوبی برای توصیف شرایط تشعشعی میباشد اما بهتر است که برای مدلهایی که ناهمگنی کم و ساختار خطی دارند استفاده گردد هنگامیکه انتشار موج در محیط نامحدود را بررسی میکنیم، بسیاری از روشهای بالا نیاز به داشتن مرز جاذب میباشند که از برگشت موج به داخل محیط جلوگیری کنند.
در این مقاله سعی بر آن است تا با استفاده از نرمافزار اجزا محدود ABAQUS، و با در نظر گرفتن مرزهای جاذب مناسب، انتشار موج در لایههای خاک را بهخوبی مدلسازی و منحنی پراکندگی آزمایشگاهی را ترسیم نماییم.
-2 موجهای سطحی
برخی ویژگیهای موجهای سطحی باعث میشود که از آنها در تعیین ویژگیهای زمین استفاده شود. این موجها از زایل شدن تنش در مرز یک محیط - مانند سطح زمین - ایجاد میشوند و الگوی انتشار آنها بهصورت دوبعدی است و درنتیجه نسبت به موجهای طولی که انتشارشان در جهت افقی و قائم است، کاهیدگی بسیار کمتر دارند.[19] لمب در سال [20] 1904 اولین شخصی بود که به این ویژگی اساسی موج سطحی و به مفهوم انتقال انرژی زلزله در فاصلههای زیاد پی برد. موج رایلی در نیم فضای الاستیک خطی، همگن و همسانگرد پراکنده نمیشود و سرعت انتشار تابعی از خواص مکانیکی محیط میباشد و تابعی از فرکانس نیست. در محیط ناهمگن قائم، پدیدهی پراکندگی هندسی افزایشیافته و سرعت فازی موج رایلی تابعی از فرکانس میشود و مبنای آزمایش موج سطحی را ایجاد میکند.
-3 پراکندگی هندسی تئوری و آزمایشگاهی
روش تامسون-هسکل [21, 22] برای حل مسئله انتشار موج سطحی و پراکندگی آن در محیطهای لایهای ارائه گردید. این روش که بر پایه ماتریس انتقال در فضای فرکانس-عددموج استوار میباشد، روش ماتریس انتقال نامیده میشود. بر پایه تئوری انتشار موج، منحنی پراکندگی تئوری تابعی غیرخطی از سرعت موج برشی - Vs - سرعت موج فشاری - Vp - ، چگالی - - و ضخامت - d - لایهها میباشد. این تابع غیرخطی را میتوان با استفاده از روش ماتریس انتقال حل نمود و منحنی پراکندگی تئوری را برای پروفیل خاک به دست آورد. به این روش آنالیز پیشرو گفته میشود.
برای به دست آوردن منحنی پراکندگی آزمایشگاهی، باید ابتدا دادههای آزمایشگاهی را برداشت نمود و سپس آنها را آنالیز کرد. در مرحله برداشت دادهها، منابع اکتیو - چکشهای کوچک تا وزنههای بزرگ قابل سقوط و تفنگهای لرزهای - و منابع پسیو - میکروترومور یا ریز لرزهها - که دارای انرژی کافی در محدوده فرکانسی موردنیاز باشند، میتوانند برای ایجاد موجهای سطحی استفاده گردند. امواج سطحی توسط گیرندههایی در سطح زمین ثبت میگردند. گیرندههای مورداستفاده برای ثبت امواج سطحی،عمدتاً ژئوفنها هستند که قادر به ثبت مؤلفهی قائم سرعت میباشند.
در مرحله پردازش دادههای آزمایشگاهی، با استفاده از تبدیل فوریه، تاریخچه زمانی حرکت قائم ذرات به مؤلفههای فرکانسیشان تجزیه میشوند که این امر موجب میشود تا مؤلفههای فرکانسی متفاوت سیگنال از یکدیگر جدا گردند و سرعت فازی تخمین زده شود که درنهایت منجر به ترسیم منحنی پراکندگی آزمایشگاهی میگردد.
-4 تحلیل برگردان
حل مسئله تحلیل برگردان منحنی پراکندگی گام نهایی تفسیر آزمایش میباشد. آنالیز پیشرو شکلدهنده اساس روش تحلیل برگردان میباشد. با در نظر گرفتن یک مدل چندلایه با مشخصاتی که در بالا ذکر گردید، با حداقل کردن تابع هدف که ارائهدهندهی فاصله بین منحنی پراکندگی آزمایشگاهی و نظری میباشد، پارامترهای مدل به دست میآید . تابع هدف میتواند با هر نوع نرم ریاضی بیان شود معمولاً - از روش ریشه میانگین مربعات استفاده میشود - که اختلاف بین منحنی پراکندگی آزمایشگاهی و نظری را در هر نقطه ارائه میکند. در عمل هر مجموعه پارامترهای مدل که مسئله پیشرو - منحنی پراکندگی نظری - را طوری حل میکند که در نزدیکترین حالت ممکن به دادههای آزمایشگاهی - منحنی پراکندگی آزمایشگاهی - داشته باشد بهعنوان حل تحلیل برگردان انتخاب میگردد.
-5 دادههای آزمایشگاهی
مشخصات دادههای مورداستفاده برای مدلسازی موج سطحی در این مقاله در جدول - 1 - ارائهشده است. همچنین آزمایش برداشت دادههای موج سطحی نیز با ویژگیهای زیر انجامگرفته است: فاصله زمانی برداشت دادهها برابر با 0,002 ثانیه، فاصله ژئوفنها برابر با 2 متر، تعداد ژئوفنها برابر با 48 عدد، فاصله اولین ژئوفن تا منبع اکتیو برابر با 2 متر میباشد؛ بنابراین طول کلی چیدمان ژئوفنها برابر با 96 متر میباشد.
