التناظر المستعرض

تُلاحَظُ خاصيةُ التناظرِ العرضي في الصخور الرسوبية عند الأطوال الموجية الطويلة. لكل طبقة خصائص متماثلة تقريبًا في المستوى، ولكنها تختلف في الخصائص عبر سُمكها. يُسمى مستوى كل طبقة بمستوى التناظر، بينما يُسمى المحور الرأسي بمحور التناظر.

المادة المتناحية عرضيًا (وتُعرف أيضًا باسم المادة المتناحية قطبيًا ) هي مادة ذات خصائص فيزيائية متناظرة حول محور عمودي على مستوى التناظر . يحتوي هذا المستوى العرضي على عدد لا نهائي من مستويات التناظر، وبالتالي، ضمن هذا المستوى، تكون خصائص المادة متطابقة في جميع الاتجاهات. في الجيوفيزياء، يُعرف التناظر العرضي الرأسي (VTI) أيضًا باسم التباين القطري.

يُظهر هذا النوع من المواد تناظرًا سداسيًا (مع أن هذا التناظر لا ينطبق تقنيًا على الموترات من الرتبة السادسة وما فوق)، لذا ينخفض ​​عدد الثوابت المستقلة في موتر المرونة (من الرتبة الرابعة) إلى 5 (من أصل 21 ثابتًا مستقلًا في حالة المادة الصلبة غير المتجانسة تمامًا ). أما موترات المقاومة الكهربائية والنفاذية الكهربائية، وما إلى ذلك (من الرتبة الثانية)، فلها ثابتان مستقلان.

مثال على المواد المتناحية عرضيًا

مادة مرنة متجانسة الخواص عرضيًا.

من الأمثلة على المواد المتناحية عرضيًا ما يُسمى بالصفائح المركبة الليفية أحادية الاتجاه المحورية ، حيث تكون الألياف دائرية المقطع العرضي. في المركب أحادي الاتجاه، يُمكن اعتبار المستوى العمودي على اتجاه الألياف مستوىً متناحيًا عند أطوال موجية طويلة (ترددات منخفضة) للإثارة. في الشكل على اليمين، ستكون الألياف محاذية لـx2{\displaystyle x_{2}}المحور، وهو عمودي على مستوى التناظر.

من حيث الخصائص الفعّالة، تُفسَّر الطبقات الجيولوجية للصخور غالبًا على أنها متجانسة عرضيًا. وقد أُطلق على حساب الخصائص المرنة الفعّالة لهذه الطبقات في علم الصخور اسم "توسيع نطاق باكوس" ، والذي سيتم شرحه أدناه.

مصفوفة تناظر المادة

مصفوفة الموادك__{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {K}}}}}يتمتع بتناظر بالنسبة لتحويل متعامد معين (أ{\displaystyle {\boldsymbol {A}}}) إذا لم يتغير عند إخضاعه لهذا التحويل. ولضمان ثبات خصائص المادة تحت هذا التحويل، نحتاج إلى

أو=ك(أد)و=(أ-1كأ)د{\displaystyle {\boldsymbol {A}}\cdot \mathbf {f} ={\boldsymbol {K}}\cdot ({\boldsymbol {A}}\cdot {\boldsymbol {d}})\implies \mathbf {f} =({\boldsymbol {A}}^{-1}\cdot {\boldsymbol {K}}\cdot {\boldsymbol {A}})\cdot {\boldsymbol {d}}}

وبالتالي فإن شرط التناظر المادي هو (باستخدام تعريف التحويل المتعامد)

ك=أ-1كأ=أتيكأ{\displaystyle {\boldsymbol {K}}={\boldsymbol {A}}^{-1}\cdot {\boldsymbol {K}}\cdot {\boldsymbol {A}}={\boldsymbol {A}}^{T}\cdot {\boldsymbol {K}}\cdot {\boldsymbol {A}}}

يمكن تمثيل التحويلات المتعامدة في الإحداثيات الديكارتية بواسطة3×3{\displaystyle 3\times 3}مصفوفةأ__{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {A}}}}}مقدم من

أ__=[أ11أ12أ13أ21أ22أ23أ31أ32أ33] .{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {A}}}}={\begin{bmatrix}A_{11}&A_{12}&A_{13}\\A_{21}&A_{22}&A_{23}\\A_{31}&A_{32}&A_{33}\end{bmatrix}}~.}

لذلك، يمكن كتابة شرط التناظر في شكل مصفوفة كما يلي

ك__=أتي__ ك__ أ__{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {K}}}}={\underline {\underline {{\boldsymbol {A}}^{T}}}}~{\underline {\underline {\boldsymbol {K}}}}~{\underline {\underline {\boldsymbol {A}}}}}

بالنسبة للمادة المتناحية عرضيًا، فإن المصفوفةأ__{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {A}}}}}له الشكل

أ__=[كوسθالخطيئةθ0-الخطيئةθكوسθ0001] .{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {A}}}}={\begin{bmatrix}\cos \theta &\sin \theta &0\\-\sin \theta &\cos \theta &0\\0&0&1\end{bmatrix}}~.}

حيثx3{\displaystyle x_{3}}المحور - هو محور التناظر . تبقى مصفوفة المادة ثابتة تحت الدوران بأي زاويةθ{\displaystyle \theta }حولx3{\displaystyle x_{3}}-محور.

في الفيزياء

يمكن التعبير عن العلاقات التكوينية للمادة الخطية في الفيزياء بالشكل التالي:

و=كد{\displaystyle \mathbf {f} ={\boldsymbol {K}}\cdot \mathbf {d} }

أيند،و{\displaystyle \mathbf {d} ,\mathbf {f} }هما متجهان يمثلان كميات فيزيائية وك{\displaystyle {\boldsymbol {K}}}هو موتر مادي من الدرجة الثانية. في شكل مصفوفة،

و__=ك__ د__[و1و2و3]=[ك11ك12ك13ك21ك22ك23ك31ك32ك33][د1د2د3]{\displaystyle {\underline {\underline {\mathbf {f} }}}={\underline {\underline {\boldsymbol {K}}}}~{\underline {\underline {\mathbf {d} }}}\implies {\begin{bmatrix}f_{1}\\f_{2}\\f_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}K_{11}&K_{12}&K_{13}\\K_{21}&K_{22}&K_{23}\\K_{31}&K_{32}&K_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}d_{1}\\d_{2}\\d_{3}\end{bmatrix}}}

أمثلة على المشكلات الفيزيائية التي تتناسب مع النموذج أعلاه مدرجة في الجدول أدناه. [ 1 ]

مشكلةو{\displaystyle \mathbf {f} }د{\displaystyle \mathbf {d} }ك{\displaystyle {\boldsymbol {K}}}
التوصيل الكهربائيالتيار الكهربائيج{\displaystyle \mathbf {J} }المجال الكهربائيهـ{\displaystyle \mathbf {E} }الموصلية الكهربائيةσ{\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}}
المواد العازلةالإزاحة الكهربائيةد{\displaystyle \mathbf {D} }المجال الكهربائيهـ{\displaystyle \mathbf {E} }السماحية الكهربائيةε{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}}
المغناطيسيةالحث المغناطيسيب{\displaystyle \mathbf {B} }المجال المغنطيسيح{\displaystyle \mathbf {H} }النفاذية المغناطيسيةμ{\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}}
التوصيل الحراريالتدفق الحراريq{\displaystyle \mathbf {q} }تدرج درجة الحرارة-تي{\displaystyle -{\boldsymbol {\nabla }}T}الموصلية الحراريةκ{\displaystyle {\boldsymbol {\kappa }}}
انتشارتدفق الجسيماتج{\displaystyle \mathbf {J} }تدرج التركيز-ج{\displaystyle -{\boldsymbol {\nabla }}c}الانتشاريةد{\displaystyle {\boldsymbol {D}}}
التدفق في الأوساط المساميةسرعة السائل الموزونημv{\displaystyle \eta _{\mu }\mathbf {v} }تدرج الضغطP{\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}P}نفاذية السوائلκ{\displaystyle {\boldsymbol {\kappa }}}
مرونةضغطσ{\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}}أَضْنَىε{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}}صلابةج{\displaystyle \mathbf {C} }

استخدامθ=π{\displaystyle \theta =\pi }فيأ__{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {A}}}}}المصفوفة تعني أنك13=ك31=ك23=ك32=0{\displaystyle K_{13}=K_{31}=K_{23}=K_{32}=0}. استخدامθ=π2{\displaystyle \theta ={\tfrac {\pi }{2}}}يؤدي إلىك11=ك22{\displaystyle K_{11}=K_{22}}وك12=-ك21{\displaystyle K_{12}=-K_{21}}تتطلب قيود الطاقة عادةًك12،ك210{\displaystyle K_{12},K_{21}\geq 0}وبالتالي يجب أن يكون لديناك12=ك21=0{\displaystyle K_{12}=K_{21}=0}لذلك، فإن الخصائص المادية لمادة متناحية الخواص عرضيًا تُوصف بواسطة المصفوفة.

ك__=[ك11000ك11000ك33]{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {K}}}}={\begin{bmatrix}K_{11}&0&0\\0&K_{11}&0\\0&0&K_{33}\end{bmatrix}}}

في المرونة الخطية

شرط التناظر المادي

في المرونة الخطية ، يرتبط الإجهاد والانفعال بقانون هوك ، أي

σ__=ج__ ε__{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {\sigma }}}}={\underline {\underline {\mathsf {C}}}}~{\underline {\underline {\boldsymbol {\varepsilon }}}}}

أو باستخدام تدوين فويغت ،

[σ1σ2σ3σ4σ5σ6]=[ج11ج12ج13ج14ج15ج16ج12ج22ج23ج24ج25ج26ج13ج23ج33ج34ج35ج36ج14ج24ج34ج44ج45ج46ج15ج25ج35ج45ج55ج56ج16ج26ج36ج46ج56ج66][ε1ε2ε3ε4ε5ε6]{\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_{14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\\C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}

الشرط اللازم لتناظر المادة في المواد المرنة الخطية هو. [ 2 ]

ج__=أε__تي ج__ أε__{\displaystyle {\underline {\underline {\mathsf {C}}}}={\underline {\underline {{\mathsf {A}}_{\varepsilon }}}}^{T}~{\underline {\underline {\mathsf {C}}}}~{\underline {\underline {{\mathsf {A}}_{\varepsilon }}}}}

أين

أε__=[أ112أ122أ132أ12أ13أ11أ13أ11أ12أ212أ222أ232أ22أ23أ21أ23أ21أ22أ312أ322أ332أ32أ33أ31أ33أ31أ322أ21أ312أ22أ322أ23أ33أ22أ33+أ23أ32أ21أ33+أ23أ31أ21أ32+أ22أ312أ11أ312أ12أ322أ13أ33أ12أ33+أ13أ32أ11أ33+أ13أ31أ11أ32+أ12أ312أ11أ212أ12أ222أ13أ23أ12أ23+أ13أ22أ11أ23+أ13أ21أ11أ22+أ12أ21]{\displaystyle {\underline {\underline {{\mathsf {A}}_{\varepsilon }}}}={\begin{bmatrix}A_{11}^{2}&A_{12}^{2}&A_{13}^{2}&A_{12}A_{13}&A_{11}A_{13}&A_{11}A_{12}\\A_{21}^{2}&A_{22}^{2}&A_{23}^{2}&A_{22}A_{23}&A_{21}A_{23}&A_{21}A_{22}\\A_{31}^{2}&A_{32}^{2}&A_{33}^{2}&A_{32}A_{33}&A_{31}A_{33}&A_{31}A_{32}\\2A_{21}A_{31}&2A_{22}A_{32}&2A_{23}A_{33}&A_{22}A_{33}+A_{23}A_{32}&A_{21}A_{33}+A_{23}A_{31}&A_{21}A_{32}+A_{22}A_{31}\\2A_{11}A_{31}&2A_{12}A_{32}&2A_{13}A_{33}&A_{12}A_{33}+A_{13}A_{32}&A_{11}A_{33}+A_{13}A_{31}&A_{11}A_{32}+A_{12}A_{31}\\2A_{11}A_{21}&2A_{12}A_{22}&2A_{13}A_{23}&A_{12}A_{23}+A_{13}A_{22}&A_{11}A_{23}+A_{13}A_{21}&A_{11}A_{22}+A_{12}A_{21}\end{bmatrix}}}

موتر المرونة

باستخدام القيم المحددة لـθ{\displaystyle \theta }في المصفوفةأ__{\displaystyle {\underline {\underline {\boldsymbol {A}}}}}[ 3 ] يمكن إثبات أن موتر الصلابة المرنة من الرتبة الرابعة يمكن كتابته في تدوين فويغت ذي المؤشرين على شكل مصفوفة

ج__=[ج11ج12ج13000ج12ج11ج13000ج13ج13ج33000000ج44000000ج44000000(ج11-ج12)/2]=[ج11ج11-2ج66ج13000ج11-2ج66ج11ج13000ج13ج13ج33000000ج44000000ج44000000ج66].{\displaystyle {\underline {\underline {\mathsf {C}}}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&0&0&0\\C_{12}&C_{11}&C_{13}&0&0&0\\C_{13}&C_{13}&C_{33}&0&0&0\\0&0&0&C_{44}&0&0\\0&0&0&0&C_{44}&0\\0&0&0&0&0&(C_{11}-C_{12})/2\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{11}-2C_{66}&C_{13}&0&0&0\\C_{11}-2C_{66}&C_{11}&C_{13}&0&0&0\\C_{13}&C_{13}&C_{33}&0&0&0\\0&0&0&C_{44}&0&0\\0&0&0&0&C_{44}&0\\0&0&0&0&0&C_{66}\end{bmatrix}}.}

مصفوفة الصلابة المرنةجأناج{\displaystyle C_{ij}}يحتوي على 5 ثوابت مستقلة، ترتبط بمعاملات المرونة الهندسية المعروفة بالطريقة التالية. يتم تحديد هذه المعاملات الهندسية تجريبياً.

مصفوفة الامتثال (معكوس مصفوفة الصلابة المرنة) هي

ج__-1=1Δ[ج11ج33-ج132ج132-ج12ج33(ج12-ج11)ج13000ج132-ج12ج33ج11ج33-ج132(ج12-ج11)ج13000(ج12-ج11)ج13(ج12-ج11)ج13ج112-ج122000000Δج44000000Δج440000002Δ(ج11-ج12)]{\displaystyle {\underline {\underline {\mathsf {C}}}}^{-1}={\frac {1}{\Delta }}{\begin{bmatrix}C_{11}C_{33}-C_{13}^{2}&C_{13}^{2}-C_{12}C_{33}&(C_{12}-C_{11})C_{13}&0&0&0\\C_{13}^{2}-C_{12}C_{33}&C_{11}C_{33}-C_{13}^{2}&(C_{12}-C_{11})C_{13}&0&0&0\\(C_{12}-C_{11})C_{13}&(C_{12}-C_{11})C_{13}&C_{11}^{2}-C_{12}^{2}&0&0&0\\0&0&0&{\frac {\Delta }{C_{44}}}&0&0\\0&0&0&0&{\frac {\Delta }{C_{44}}}&0\\0&0&0&0&0&{\frac {2\Delta }{(C_{11}-C_{12})}}\end{bmatrix}}}

أينΔ:=(ج11-ج12)[(ج11+ج12)ج33-2ج13ج13]{\displaystyle \Delta :=(C_{11}-C_{12})[(C_{11}+C_{12})C_{33}-2C_{13}C_{13}]} . في الترميز الهندسي،

ج__-1=[1هـx-νyxهـx-νzxهـz000-νxyهـx1هـx-νzxهـz000-νxzهـx-νxzهـx1هـz0000001جيxz0000001جيxz0000002(1+νxy)هـx]{\displaystyle {\underline {\underline {\mathsf {C}}}}^{-1}={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {x}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {yx}}}{E_{\rm {x}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {zx}}}{E_{\rm {z}}}}&0&0&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {xy}}}{E_{\rm {x}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {x}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {zx}}}{E_{\rm {z}}}}&0&0&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {xz}}}{E_{\rm {x}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {xz}}}{E_{\rm {x}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {z}}}}&0&0&0\\0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {xz}}}}&0&0\\0&0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {xz}}}}&0\\0&0&0&0&0&{\tfrac {2(1+\nu _{\rm {xy}})}{E_{\rm {x}}}}\end{bmatrix}}}

بمقارنة هذين الشكلين لمصفوفة الامتثال، يتضح لنا أن معامل يونغ الطولي يُعطى بالصيغة التالية:

هـل=هـz=ج33-2ج13ج13/(ج11+ج12){\displaystyle E_{L}=E_{\rm {z}}=C_{33}-2C_{13}C_{13}/(C_{11}+C_{12})}

وبالمثل، فإن معامل يونغ العرضي هو

هـتي=هـx=هـy=(ج11-ج12)(ج11ج33+ج12ج33-2ج13ج13)/(ج11ج33-ج13ج13){\displaystyle E_{T}=E_{\rm {x}}=E_{\rm {y}}=(C_{11}-C_{12})(C_{11}C_{33}+C_{12}C_{33}-2C_{13}C_{13})/(C_{11}C_{33}-C_{13}C_{13})}

معامل القص في المستوى هو

جيxy=(ج11-ج12)/2=ج66{\displaystyle G_{xy}=(C_{11}-C_{12})/2=C_{66}}

ونسبة بواسون للتحميل على طول المحور القطبي هي

νلتي=νzx=ج13/(ج11+ج12){\displaystyle \nu _{LT}=\nu _{zx}=C_{13}/(C_{11}+C_{12})}.

هنا، يمثل L الاتجاه الطولي (القطبي) ويمثل T الاتجاه العرضي.

في الجيوفيزياء

في الجيوفيزياء، يُفترض عادةً أن التكوينات الصخرية للقشرة الأرضية متباينة الخواص قطبياً محلياً (متجانسة الخواص عرضياً)؛ وهذه أبسط حالة ذات أهمية جيوفيزيائية. ويُستخدم توسيع نطاق باكوس [ 4 ] غالباً لتحديد ثوابت المرونة الفعالة المتجانسة الخواص عرضياً للوسائط الطبقية للموجات الزلزالية ذات الأطوال الموجية الطويلة.

الافتراضات التي يتم وضعها في تقريب باكوس هي:

  • جميع المواد مرنة خطيًا
  • لا توجد مصادر لتبديد الطاقة الذاتية (مثل الاحتكاك)
  • صالحة في حالة الطول الموجي اللانهائي، وبالتالي لا تُحقق نتائج جيدة إلا إذا كان سمك الطبقة أصغر بكثير من الطول الموجي.
  • إن إحصائيات توزيع الخصائص المرنة للطبقة ثابتة، أي أنه لا يوجد اتجاه مرتبط في هذه الخصائص.

بالنسبة للأطوال الموجية الأقصر، يُوصف سلوك الموجات الزلزالية باستخدام مبدأ تراكب الموجات المستوية . تدعم الأوساط المتناحية عرضيًا ثلاثة أنواع من الموجات المستوية المرنة:

  • موجة شبه- P ( اتجاه الاستقطاب يكاد يكون مساوياً لاتجاه الانتشار)
  • موجة شبه S
  • موجة S (مستقطبة بشكل متعامد مع الموجة شبه S، ومع محور التناظر، ومع اتجاه الانتشار).

يمكن بناء حلول لمشاكل انتشار الموجات في مثل هذه الوسائط من هذه الموجات المستوية، باستخدام تركيب فورييه .

تكبير الصورة باستخدام طريقة باكوس (تقريب الطول الموجي الطويل)

يمكن توسيع نموذج متعدد الطبقات لمادة متجانسة ومتساوية الخواص إلى وسط متناحي الخواص عرضيًا، كما اقترح باكوس. [ 4 ]

قدّم باكوس نظرية الوسط المكافئ، حيث يمكن استبدال الوسط غير المتجانس بوسط متجانس يتنبأ بانتشار الموجات في الوسط الفعلي. [ 5 ] بيّن باكوس أن للطبقات على نطاق أدق بكثير من الطول الموجي تأثيرًا، وأنه يمكن استبدال عدد من الطبقات المتناحية بوسط متجانس متناحٍ عرضيًا يتصرف تمامًا بنفس طريقة الوسط الفعلي تحت تأثير الحمل الساكن في حالة الطول الموجي اللانهائي.

إذا كانت كل طبقةأنا{\displaystyle i} يتم وصفها بخمسة معلمات متناحية عرضيًا(أأنا،بأنا،جأنا،دأنا،هـأنا){\displaystyle (a_{i},b_{i},c_{i},d_{i},e_{i})}، وتحديد المصفوفة

جأنا__=[أأناأأنا-2هـأنابأنا000أأنا-2هـأناأأنابأنا000بأنابأناجأنا000000دأنا000000دأنا000000هـأنا]{\displaystyle {\underline {\underline {{\mathsf {C}}_{i}}}}={\begin{bmatrix}a_{i}&a_{i}-2e_{i}&b_{i}&0&0&0\\a_{i}-2e_{i}&a_{i}&b_{i}&0&0&0\\b_{i}&b_{i}&c_{i}&0&0&0\\0&0&0&d_{i}&0&0\\0&0&0&0&d_{i}&0\\0&0&0&0&0&e_{i}\\\end{bmatrix}}}

ستكون معاملات المرونة للوسط الفعال هي

جهـوو__=[أأ-2هـب000أ-2هـأب000ببج000000د000000د000000هـ]{\displaystyle {\underline {\underline {{\mathsf {C}}_{\mathrm {eff} }}}}={\begin{bmatrix}A&A-2E&B&0&0&0\\A-2E&A&B&0&0&0\\B&B&C&0&0&0\\0&0&0&D&0&0\\0&0&0&0&D&0\\0&0&0&0&0&E\end{bmatrix}}}

أين

أ=أ-ب2ج-1+ج-1-1بج-12ب=ج-1-1بج-1ج=ج-1-1د=د-1-1هـ=هـ{\displaystyle {\begin{aligned}A&=\langle a-b^{2}c^{-1}\rangle +\langle c^{-1}\rangle ^{-1}\langle bc^{-1}\rangle ^{2}\\B&=\langle c^{-1}\rangle ^{-1}\langle bc^{-1}\rangle \\C&=\langle c^{-1}\rangle ^{-1}\\D&=\langle d^{-1}\rangle ^{-1}\\E&=\langle e\rangle \\\end{aligned}}}

{\displaystyle \langle \cdot \rangle }يشير إلى المتوسط ​​المرجح بالحجم عبر جميع الطبقات.

يشمل ذلك الطبقات المتجانسة، حيث تكون الطبقة متجانسة إذابأنا=أأنا-2هـأنا{\displaystyle b_{i}=a_{i}-2e_{i}}،أأنا=جأنا{\displaystyle a_{i}=c_{i}}ودأنا=هـأنا{\displaystyle d_{i}=e_{i}}.

تقريب الأطوال الموجية القصيرة والمتوسطة

يمكن إيجاد حلول لمسائل انتشار الموجات في الأوساط المرنة الخطية المتناحية عرضيًا عن طريق تراكب حلول الموجة شبه-P، والموجة شبه-S، وموجة S مستقطبة عموديًا على الموجة شبه-S. مع ذلك، فإن معادلات التغير الزاوي للسرعة معقدة جبريًا، وسرعات الموجة المستوية هي دوال لزاوية الانتشار.θ{\displaystyle \theta }[ 6 ] يمكن إيجاد سرعات الموجات المعتمدة على الاتجاه للموجات المرنة عبر المادة باستخدام معادلة كريستوفيل ويتم إعطاؤها بواسطة [ 7 ]

VqP(θ)=ج11الخطيئة2(θ)+ج33كوس2(θ)+ج44+م(θ)2ρVqS(θ)=ج11الخطيئة2(θ)+ج33كوس2(θ)+ج44-م(θ)2ρVS=ج66الخطيئة2(θ)+ج44كوس2(θ)ρم(θ)=[(ج11-ج44)الخطيئة2(θ)-(ج33-ج44)كوس2(θ)]2+(ج13+ج44)2الخطيئة2(2θ){\displaystyle {\begin{aligned}V_{qP}(\theta )&={\sqrt {\frac {C_{11}\sin ^{2}(\theta )+C_{33}\cos ^{2}(\theta )+C_{44}+{\sqrt {M(\theta )}}}{2\rho }}}\\V_{qS}(\theta )&={\sqrt {\frac {C_{11}\sin ^{2}(\theta )+C_{33}\cos ^{2}(\theta )+C_{44}-{\sqrt {M(\theta )}}}{2\rho }}}\\V_{S}&={\sqrt {\frac {C_{66}\sin ^{2}(\theta )+C_{44}\cos ^{2}(\theta )}{\rho }}}\\M(\theta )&=\left[\left(C_{11}-C_{44}\right)\sin ^{2}(\theta )-\left(C_{33}-C_{44}\right)\cos ^{2}(\theta )\right]^{2}+\left(C_{13}+C_{44}\right)^{2}\sin ^{2}(2\theta )\\\end{aligned}}}

أينθ{\displaystyle {\begin{aligned}\theta \end{aligned}}}هي الزاوية بين محور التناظر واتجاه انتشار الموجة،ρ{\displaystyle \rho }هي كثافة الكتلة وجأناج{\displaystyle C_{ij}}هي عناصر مصفوفة الصلابة المرنة . تُستخدم معاملات تومسن لتبسيط هذه التعبيرات وتسهيل فهمها.

معلمات ثومسن

تُعدّ معاملات تومسن [ 8 ] تراكيب لا بُعدية لمعاملات المرونة التي تُميّز المواد المتناحية عرضيًا، والتي تُصادف، على سبيل المثال، في الجيوفيزياء . وتُعرّف هذه المعاملات بدلالة مُكوّنات مصفوفة الصلابة المرنة كما يلي:

ϵ=ج11-ج332ج33دلتا=(ج13+ج44)2-(ج33-ج44)22ج33(ج33-ج44)γ=ج66-ج442ج44{\displaystyle {\begin{aligned}\epsilon &={\frac {C_{11}-C_{33}}{2C_{33}}}\\\delta &={\frac {(C_{13}+C_{44})^{2}-(C_{33}-C_{44})^{2}}{2C_{33}(C_{33}-C_{44})}}\\\gamma &={\frac {C_{66}-C_{44}}{2C_{44}}}\end{aligned}}}

حيث يشير الرقم 3 إلى محور التناظر (هـ3{\displaystyle \mathbf {e} _{3}}يمكن استخدام هذه المعاملات، بالإضافة إلى سرعات الموجات الأولية والثانوية المرتبطة بها ، لتوصيف انتشار الموجات عبر الأوساط الطبقية ذات التباين الضعيف. عمليًا، تكون معاملات تومسن لمعظم التكوينات الصخرية الطبقية أقل بكثير من 1.

يشير الاسم إلى ليون تومسن، أستاذ الجيوفيزياء في جامعة هيوستن ، الذي اقترح هذه المعلمات في ورقته البحثية عام 1986 بعنوان "التباين المرن الضعيف".

تعابير مبسطة لسرعات الموجات

في الجيوفيزياء، يكون التباين في الخصائص المرنة ضعيفًا عادةً، وفي هذه الحالةدلتا،γ،ϵ1{\displaystyle \delta ,\gamma ,\epsilon \ll 1}عندما يتم تبسيط التعبيرات الدقيقة لسرعات الموجات المذكورة أعلاه في هذه الكميات الصغيرة، فإنها تصبح أبسط إلى

VqP(θ)VP0(1+دلتاالخطيئة2θكوس2θ+ϵالخطيئة4θ)VqS(θ)VS0[1+(VP0VS0)2(ϵ-دلتا)الخطيئة2θكوس2θ]VS(θ)VS0(1+γالخطيئة2θ){\displaystyle {\begin{aligned}V_{qP}(\theta )&\approx V_{P0}(1+\delta \sin ^{2}\theta \cos ^{2}\theta +\epsilon \sin ^{4}\theta )\\V_{qS}(\theta )&\approx V_{S0}\left[1+\left({\frac {V_{P0}}{V_{S0}}}\right)^{2}(\epsilon -\delta )\sin ^{2}\theta \cos ^{2}\theta \right]\\V_{S}(\theta )&\approx V_{S0}(1+\gamma \sin ^{2}\theta )\end{aligned}}}

أين

VP0=ج33/ρ ؛  VS0=ج44/ρ{\displaystyle V_{P0}={\sqrt {C_{33}/\rho }}~;~~V_{S0}={\sqrt {C_{44}/\rho }}}

تمثل سرعات الموجتين P و S اتجاه محور التناظر (هـ3{\displaystyle \mathbf {e} _{3}}) (في الجيوفيزياء، يكون هذا عادةً، ولكن ليس دائمًا، الاتجاه الرأسي). لاحظ أندلتا{\displaystyle \delta }قد يتم تبسيطها بشكل أكبر، لكن هذا لا يؤدي إلى مزيد من التبسيط.

تتميز الصيغ التقريبية لسرعات الموجات ببساطتها الكافية لتفسيرها فيزيائياً، ودقتها العالية التي تفي بمعظم التطبيقات الجيوفيزيائية. كما أن هذه الصيغ مفيدة في بعض السياقات التي لا يكون فيها التباين ضعيفاً.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ميلتون، جي دبليو (2002). نظرية المواد المركبة . مطبعة جامعة كامبريدج.
  2. سلاوينسكي، ماجستير (2010). الموجات والأشعة في الأوساط المرنة المتصلة (ملف PDF) . دار النشر العالمية. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 10 فبراير 2009.
  3. يمكننا استخدام القيمθ=π{\displaystyle \theta =\pi }وθ=π2{\displaystyle \theta ={\tfrac {\pi }{2}}}للحصول على اشتقاق مصفوفة الصلابة للمواد المتناحية عرضيًا. تم اختيار قيم محددة لتسهيل الحساب.
  4. 1 2 باكوس، جي إي (1962)، التباين المرن ذو الموجات الطويلة الناتج عن الطبقات الأفقية، مجلة البحوث الجيوفيزيائية، 67 (11)، 4427-4440
  5. إيكيل، لوك تي. وأموندسن، لاس (2005)، مقدمة في علم الزلازل البترولية، تحقيقات جمعية الجيوفيزيائيين الاستكشافيين في الجيوفيزياء رقم 12
  6. ناي، جيه إف (2000). الخصائص الفيزيائية للبلورات: تمثيلها بواسطة الموترات والمصفوفات . مطبعة جامعة أكسفورد.
  7. جي. مافكو ، تي. موكرجي، جيه. دفوركين. دليل فيزياء الصخور . مطبعة جامعة كامبريدج 2003 (غلاف ورقي). ISBN 0-521-54344-4
  8. تومسن، ليون (1986). "التباين المرن الضعيف". الجيوفيزياء . 51 (10): 1954-1966 . Bibcode : 1986Geop...51.1954T . doi : 10.1190/1.1442051 .