Оценка степени взаимодействия твердой и жидкой фаз в неконсолидированных водонасыщенных песчаных морских осадках при распространении сдвиговой волны

В. А. Лисютин✉, О. Р. Ластовенко

Севастопольский государственный университет, Севастополь, Россия

✉ e-mail: vlisiutin@mail.ru

Аннотация

Цель. Рассматривается распространение сдвиговой волны в песчаных морских осадках. Акустическими характеристиками сдвиговой волны являются фазовая скорость и коэффициент затухания. Известно, что в сухих песчаных осадках коэффициент затухания прямо пропорционален частоте. В водонасыщенных средах отмечаются отклонения от этого закона, откуда следует, что существует два физических механизма потерь – межгранулярное и вязкое трение. Целью работы является развитие двухфазной модели распространения сдвиговой волны в неконсолидированных морских осадках и выявление диссипативных эффектов, вызванных относительным движением флюида в пространстве пор.

Методы и результаты. Методы и результаты.</em> Межгранулярное трение моделируется с помощью прумпфера – элемента, сочетающего консервативные свойства пружины и диссипативные свойства демпфера. Записывается уравнение движения, в котором часть жидкости считается связанной с твердой фазой среды, а часть жидкости считается подвижной. Уравнения состояния и уравнение движения при гармоническом смещении дают новое двухфазное дисперсионное уравнение (теория Grain Shearing + Effective Density, или сокращенно GS + EDs). Результаты теории GS + EDs сопоставляются с данными измерений скорости и затухания волны, взятыми из открытых источников. Показывается, что механизмы взаимодействия между гранулами и между гранулами и флюидом при распространении компрессионной и сдвиговой волны различаются. Анализируется характер изменения параметров межгранулярного трения при насыщении порового пространства флюидом.

Выводы. Проявление диссипативных эффектов от насыщения пор флюидом зависит от плотности упаковки гранул. В случае плотной упаковки условия для относительного движения жидкости отсутствуют и песчаные осадки проявляют свойство постоянной добротности. В случае неплотной упаковки вязкие потери вносят существенный вклад и частотная зависимость затухания нелинейна. Эффективные размеры пор для компрессионной и сдвиговой волн не совпадают.

Ключевые слова

неконсолидированные морские осадки, межгранулярное трение, вязкие потери, дисперсия, сдвиговая волна, коэффициент затухания, дисперсионное уравнение

Благодарности

Исследование выполнено в рамках внутреннего гранта СевГУ «Развитие теоретических моделей для физических методов исследования шельфа Черного моря», проект № 41/06-31.

Для цитирования

Лисютин В. А., Ластовенко О. Р. Оценка степени взаимодействия твердой и жидкой фаз в неконсолидированных водонасыщенных песчаных морских осадках при распространении сдвиговой волны // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 1. С. 98–112. EDN ZSJXBQ. doi:10.22449/0233-7584-2021-1-98-112

Lisyutin, V.A. and Lastovenko, O.R., 2021. Assessing the Power of Intensity Interaction between the Solid and Fluid Phases in the Unconsolidated Water-Saturated Sandy Marine Sediments at Shear Wave Propagation. Physical Oceanography, 28(1), pp. 90-103. doi:10.22449/1573-160X-2021-1-90-103

DOI

10.22449/0233-7584-2021-1-98-112

Список литературы

  1. Jackson D. R., Richardson M. D. High-Frequency Seafloor Acoustics. New York : Springer, 2007. 616 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-36945-7
  2. Shear Waves in Marine Sediments / Ed. by J. M. Hovem, M. R. Richardson, R. D. Stoll. Dordrecht, Netherlands : Springer, 1991. 418 p. ). https://doi.org/10.1007/978-94-011-3568-9
  3. Kibblewhite A. C. Attenuation of sound in marine sediments: A review with emphasis on new low-frequency data // The Journal of the Acoustical Society of America. 1989. Vol. 86, iss. 2. P. 716–738. https://doi.org/10.1121/1.398195
  4. Bowles F. A. Observations on attenuation and shear-wave velocity in fine-grained, marine sediments // The Journal of the Acoustical Society of America. 1997. Vol. 101, iss. 6. P. 3385–3397. https://doi.org/10.1121/1.419374
  5. Hamilton E. L. Geoacoustic modeling of the sea floor // The Journal of the Acoustical Society of America. 1980. Vol. 68, iss. 5. P. 1313–1340. https://doi.org/10.1121/1.385100
  6. Stoll R. D. Sediment Acoustics. New York : Springer, 1989. 153 p.
  7. Brunson B. A. Shear wave attenuation in unconsolidated laboratory sediments : Ph. D. thesis. Corvalis, OR : Oregon State University, 1983. 253 p. URL: https://ir.library.oregonstate.edu/downloads/9306t181w (date of assess: 19.06.2020).
  8. Kimura M. Shear wave speed dispersion and attenuation in granular marine sediments // The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. Vol. 134, iss. 1. P. 144–155. https://doi.org/10.1121/1.4809679
  9. Kimura M. Grain-size dependence of shear wave speed dispersion and attenuation in granular marine sediments // The Journal of the Acoustical Society of America. 2014. Vol. 136, iss. 1. P. EL53–EL59. https://doi.org/10.1121/1.4885478
  10. Chotiros N. P., Isakson M. J. Shear wave attenuation and micro-fluidics in water-saturated sand and glass beads // The Journal of the Acoustical Society of America. 2014. Vol. 135, iss. 6. P. 3264–3279. https://doi.org/10.1121/1.4874955
  11. Chotiros N. P. Acoustics of the Seabed as a Poroelastic Medium. Cham : Springer, 2017. 99 p. doi:10.1007/978-3-319-14277-7
  12. Лисютин В. А. Обобщенная реологическая модель неконсолидированных морских осадков с внутренним трением и эффективной сжимаемостью // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 1. С. 85–100. doi:10.22449/0233-7584-2019-1-85-100
  13. Лисютин В. А., Ластовенко О. Р. Оценка влияния внутреннего и вязкого трения на дисперсию и затухание звука в неконсолидированных морских осадках // Акустический журнал. 2020. Т. 66, № 4. С. 420–436. doi:10.31857/S0320791920040061
  14. Лисютин В. А. Простая акустическая модель неконсолидированных морских осадков с внутренним и вязким трением // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2018. Т. 15, № 3. С. 39–51. https://doi.org/10.31429/vestnik-15-3-39-51
  15. Buckingham M. J. Analysis of shear-wave attenuation in unconsolidated sands and glass beads // The Journal of the Acoustical Society of America. 2014. Vol. 136, iss. 5. P. 2478–2488. https://doi.org/10.1121/1.4896468
  16. Buckingham M. J. Wave propagation, stress relaxation, and grain-to-grain shearing in saturated, unconsolidated marine sediments // The Journal of the Acoustical Society of America. 2000. Vol. 108, iss. 6. P. 2796–2815. https://doi.org/10.1121/1.1322018
  17. Pandey V., Holm S. Connecting the grain-shearing mechanism of wave propagation in marine sediments to fractional order wave equations // The Journal of the Acoustical Society of America. 2016. Vol. 140, iss. 6. P. 4225–4236. https://doi.org/10.1121/1.4971289
  18. Bedford A., Costley R. D., Stern M. On the drag and virtual mass coefficients in Biot’s equations // The Journal of the Acoustical Society of America. 1984. Vol. 76, iss. 6. P. 1804–1809. https://doi.org/10.1121/1.391577
  19. Buckingham M. J. Wave speed and attenuation profiles in a stratified marine sediment: Geo-acoustic modeling of seabed layering using the viscous grain shearing theory // The Journal of the Acoustical Society of America. 2020. Vol. 148, iss. 2. P. 962–974. https://doi.org/10.1121/10.0001778
  20. Brunson B. A., Johnson R. K. Laboratory measurements of shear wave attenuation in saturated sand // The Journal of the Acoustical Society of America. 1980. Vol. 68, iss. 5. P. 1371–1375. https://doi.org/10.1121/1.385104
  21. Bell D. W. Shear wave propagation in unconsolidated fluid saturated porous media. Austin : The University of Texas at Austin, 1979. (Technical Report ; No. ARL-TR-79-31).
  22. Buckingham M. J. On pore-fluid viscosity and the wave properties of saturated granular materials including marine sediments // The Journal of the Acoustical Society of America. 2007. Vol. 122, iss. 3. P. 1486–1501. https://doi.org/10.1121/1.2759167
  23. Comparison of sound speed and attenuation measured in a sandy sediment to predictions based on the Biot theory of porous media / K. L. Williams [et al.] // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2002. Vol. 27, no. 3. Р. 413–428. doi:10.1109/JOE.2002.1040928
  24. Prasad M., Meissner R. Attenuation mechanisms in sands; Laboratory versus theoretical (Biot) data // Geophysics. 1992. Vol. 57, no. 5. P. 710–719. https://doi.org/10.1190/1.1443284

Скачать статью в PDF-формате