На правах рукописиДАВЫДОВ Вадим АнатольевичПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ МАЛОГЛУБИННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХСпециальность – 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемыхАВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наукЕкатеринбург 2011 Работа выполнена на кафедре геофизики ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор ^ Сковородников Игорь ГригорьевичОфициальные доктор геолого-минералогических наук, доцент оппоненты: Писецкий Владимир Борисович,кандидат технических наук, доцент ^ Ратушняк Александр НиколаевичВедущая организация - Горный институт УрО РАН, г. ПермьЗащита состоится 15 февраля 2012 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г.Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, ауд. 3326).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».Автореферат разослан « 12 » января 2012 г.Ученый секретарь диссертационного совета, А.Б. Макаров д. г.-м. н., профессор Общая характеристика работыАктуальность темы. После кризиса 90-х годов в области геологического изучения недр наблюдается некоторое оживление. Не считая поисков и разведки нефтегазовых месторождений, современные геологические исследования носят в основном малоглубинный характер. Это связано в первую очередь с экономической рентабельностью последующей добычи минерального сырья. Геофизические методы исследований характеризуются высокой производительностью и относительно низкой стоимостью, что позволяет прогнозировать повышение спроса на них, при условии нормального развития экономики. В этом случае малоглубинные геофизические работы будут востребованы как в горно-геологической отрасли, так и в сфере инженерных изысканий. Одними из главных особенностей малых глубин являются разнообразие и быстрая изменчивость свойств геологической среды. К геофизическим исследованиям здесь предъявляются высокие требования по разрешающей способности и детальности наблюдений. Для того чтобы наиболее полно и качественно выполнить поставленные геологические задачи, необходимо повышать информативность геофизических исследований за счет разнообразия состава и увеличения объема работ. Данная ситуация вынуждает обратить внимание на быстроту получения достоверных данных при использовании различных методов и методик исследований, а также на экономичность технического оборудования. В связи с этим достаточно актуальным направлением является повышение эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет разработки недорогой универсальной аппаратуры, применения новых технологий обработки данных и использования оптимального комплекса геофизических методов. Цель диссертационной работы: разработка полевой аппаратуры, методики наблюдений и комплексирования геофизических методов, а также нахождение новых приемов обработки и интерпретации полученных данных для повышения геологической информативности малоглубинных геофизических исследований.Основные задачи. Разработка, изготовление и испытание макета широкополосного многофункционального приемника электрических, магнитных и сейсмоакустических сигналов. Изготовление и калибровка датчиков магнитного поля для методов АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) и радиокип СДВР (радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций). Разработка новой методики наблюдения и интерпретации сейсморазведочных данных с одновременным использованием продольных и поперечных волн. Опробование новой аппаратуры, методических приемов и способов обработки данных на контрольных интерпретационных профилях. Анализ возможностей отдельных геофизических методов и выбор рационального комплекса исследований при изучении верхней части геологического разреза (ВЧР).Защищаемые положения. Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии. Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач. На основе реализации возможностей новых технологий обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения верхней части геологического разреза, позволяющий повысить достоверность и информативность исследований.Научная новизна. Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях новая геофизическая аппаратура широкого применения с датчиками электромагнитных сигналов. Впервые предложены и осуществлены аудиомагнитотеллурические измерения в движении. Впервые предложен новый электрометрический параметр для выявления поляризационных свойств разреза – электрический параметр гармоник (Пг). Для малых глубин разработан способ повышения горизонтального разрешения многоканального анализа поверхностных волн (MASW) на базе алгоритма оконного суммирования спектров скоростей релеевских волн. В ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность обнаружения подземных пустот по поведению коэффициента Пуассона. На ряде альпинотипных массивов показана перспективность изучения хромового оруденения с помощью индукционной электроразведки и комбинированной малоглубинной сейсморазведки.Практическая значимость. Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором в производственных условиях при: изучении интервалов, перспективных на золотоносное оруденение в горных выработках шахты «Северная» Березовского рудника [2]; опытных геофизических работах по выявлению коренных источников Полдневского месторождения демантоидов [3]; инженерно-геофизическом обследовании плотин г. Екатеринбурга [6, 7]; геолого-геофизических поисковых работах на хромиты в пределах ультраосновных массивов – Наранского (Монголия) и Рай-Из (Урал); изучении геоэлектрического разреза вблизи трасс магистральных газопроводов Тюменской, Свердловской и Челябинской областей. Разработанная аппаратура «ОМАР-2м» позволяет выполнять исследования методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также может применяться как сейсмоэлектрическая или сейсмоакустическая станция. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов аппаратура может выступать в качестве универсального приемника электромагнитных методов разведки [10]. Технология совместной обработки данных сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) и многоканального анализа поверхностных волн (MASW) была успешно применена автором на практике при: изучении территории под строительство обогатительной фабрики шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» в Верхне-Буреинском районе Хабаровского края [1]; поиске старых горных выработок Березовского золоторудного месторождения (Свердловская обл.) [4]; опытно-методических работах в пределах хромитоносных участков Ключевского и Первомайского офиолитовых массивов Среднего Урала; инженерно-геологических работах на участках планируемого строительства ряда объектов Свердловской и Челябинской областей. Разработанная технология обработки сейсмических данных позволяет определять коэффициент Пуассона в естественном залегании и идентифицировать подземные пустоты различного происхождения. Предложенный рациональный комплекс геофизических методов по изучению верхней части геологического разреза может с большой эффективностью применяться при: изучении россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней; поиске и разведке коренных рудных месторождений, залегающих на небольших глубинах (от 2 до 30 метров); инженерно-геологических изысканиях.Личный вклад автора.Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных непосредственно автором в период с 1995 по 2011 год. Полевые работы на месторождениях золота выполнялись в содружестве с В.П. Бакаевым (ИГф УрО РАН), обследование плотин и инженерно-геологические изыскания - совместно с А.Н. Назаровым (ПИИ «ГЕО»). Вопросы обработки сигналов решались вместе с А.В. Давыдовым (УГГУ). Личный вклад автора: постановка задач исследований;разработка, изготовление и испытания на практике новой многофункциональной аппаратуры;разработка технологии совместного выполнения и обработка результатов сейсморазведки МПВ и MASW;предложен способ локализации подземного пустотного пространства;непосредственное участие в проведении полевых работ;обработка и интерпретация полученных материалов.Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований отражены в 12 технических отчетах, написанных автором и находящихся в фондах горно-геологических и проектно-изыскательских организаций. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа – регионам» (УГГУ, 21-28 апреля 2009); Пятых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 6-10 июля 2009); Шестых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 12-14 сентября, 2011). По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 3 работы напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией (ВАК), подана заявка на изобретение.^ Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 5 фотографий и 8 таблиц.Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя д.г-м.н., профессора И.Г. Сковородникова за ценные замечания; своих полевых коллег В.П. Бакаева и А.Н. Назарова за совместную работу. А также выражает признательность к.г-м.н. Н.В. Вахрушевой, д.т.н. А.И. Человечкову, д.т.н. Л.Н. Сенину, к.т.н. А.Н. Ратушняку и к.т.н. А.Д. Коноплину за неформальные консультации и дискуссии по разным вопросам.Я всегда буду благодарен своему отцу д.г-м.н. профессору А.В. Давыдову за понимание.^ Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, охарактеризованы новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту. В первой главе отражены области применения, цели и задачи малоглубинных геофизических исследований. Охарактеризованы основные методы и технологии малоглубинной геофизики. Особое внимание уделено изучению верхней части разреза с помощью естественных электромагнитных полей, описана структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1 – 100 000 Гц. Проведен обзор и сравнительный анализ используемой серийной аппаратуры методов АМТЗ и радиокип СДВР.^ Вторая глава посвящена разработанной автором опытной малогабаритной аппаратуре регистрации геофизических сигналов «ОМАР-2м». Приведено описание структурной схемы и принципа работы, указаны технические характеристики изготовленного прибора и датчиков сигналов. Продемонстрирован способ расширения динамического диапазона измеряемых сигналов и борьбы с промышленными помехами. Описана методика наблюдений, обработки и интерпретации результатов методом АМТЗ. Приведены примеры применения аппаратуры «ОМАР-2м» в качестве аудиомагнитотеллурической и сейсмоэлектрической станции.^ Третья глава содержит изложение методики комбинированного использования преломленных и поверхностных волн. Проанализированы стандартные схемы наблюдений и способы обработки сейсморазведки методом преломленных волн (МПВ) и многоканального анализа поверхностных волн (MASW). Предложена технология оконного суммирования сейсмограмм в спектральной области при модифицированной системе наблюдений. Рассмотрено поведение упругих характеристик в реальных средах. Приведены примеры применения новой методики для идентификации подземных пустот. В четвертой главе представлены примеры по изучению верхней части геологического разреза с помощью различных геофизических методов. Перечислена применяемая аппаратура и методические приемы исследований. Основная часть работ посвящена изучению россыпных месторождений. За ними следуют примеры геофизических исследований при инженерно-геологических изысканиях и опытно-методические работы на коренных месторождениях хромитов. По результатам работ предложен и обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения малых глубин. В заключении приводятся основные результаты представленных работ.^ Под повышением эффективности понимается: увеличение информативности и производительности работ при снижении их себестоимости. Средствами достижения этой цели являются: применение производительных методов и методик при выполнении полевых работ; внедрение новые технологий обработки и интерпретации данных; использование недорогой универсальной аппаратуры.Малоглубинные исследования – это изучение верхней части геологического разреза (ВЧР), состоящего из: рыхлых отложений разного происхождения (аллювий, делювий, элювий и др.), включая кору выветривания коренных пород; кровли собственно коренных пород. Мощность рыхлых отложений обычно варьирует от единиц до десятков метров, таким образом, ВЧР ограничивается первой сотней метров. Основные области применения малоглубинных геофизических исследований: крупномасштабное геологическое картирование; поиск и разведка неглубоко залегающих коренных месторождений; поиск и разведка россыпных месторождений; изучение горно-геологических условий и процессов при эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых; гидрогеологические, геокриологические и экологические исследования; инженерно-геологические изыскания; археология. К основным геофизическим методам изучения малых глубин следует отнести электроразведку и сейсморазведку. В качестве дополнительных методов для решения некоторых специфических задач применяют магниторазведку, гравиразведку и радиометрию. Главным сейсморазведочным методом изучения верхней части разреза является метод преломленных волн (МПВ). При возбуждении упругих колебаний с помощью ручного тампера (кувалды), сейсморазведка МПВ позволяет получить информацию о скоростных характеристиках геологического разреза в интервале глубин от 1 до 30 метров. В случае применения механических невзрывных источников глубинность исследований возрастает до 100 метров. Развитие современных технологий дало толчок новым методическим приемам получения и обработки сейсмической информации. Одно из таких направлений – использование спектрального анализа поверхностных волн. Электроразведка объединяет многочисленные геофизические методы исследования геологической среды, основанные на изучении постоянных или переменных электромагнитных полей естественных и искусственно созданных источников. В настоящее время в электроразведке насчитывается свыше пятидесяти различных методов и модификаций. Наиболее востребованными являются электромагнитные зондирования, основанные на измерении элементов поля при последовательном увеличении глубины проникновения электрических токов. Наиболее распространены: вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), дистанционные индукционные зондирования (ДИЗ), индукционные частотные зондирования (ИЧЗ) и метод переходных процессов (МПП). К относительно малораспространенному, но перспективному направлению малоглубинной электроразведки относится использование безгенераторных способов изучения геоэлектрического разреза с помощью природных электромагнитных полей – аудиомагнитотеллурические зондирования (АМТЗ) и метод радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций (радиокип СДВР). Аппаратура для методов АМТЗ и радиокип СДВР в настоящее время серийно выпускается только за рубежом, отечественные аналоги подобных приборов существуют только в единичных опытных экземплярах. Для восполнения этого пробела автором разработан и изготовлен экономичный и достаточно универсальный приемник электромагнитных сигналов аудио-диапазона «ОМАР-2м».^ ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ1. Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии. Функционально аппаратура состоит из аналогового приемного блока и цифрового регистратора сигналов. Приемный блок осуществляет согласование с датчиками, формирование амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) каналов, усиление, индикацию уровня сигнала и детектирование (рис. 1).Рис. 1. Структурная схема аналогового приемного блока [5]. Принятые сокращения: МД – магнитный датчик, MN – заземляемые электроды, ФВЧ – фильтры высоких частот, ДУ – дифференциальный усилитель, ФНЧ – фильтр низких частот, УС – усилитель, ДЕТ – детектор, ИНД – аналоговый стрелочный индикаторБлок состоит из двух практически идентичных каналов, отличие заключается в параметрах фильтров высоких частот (ФВЧ) с изменяемой частотой среза, что необходимо для согласования разных типов датчиков. Принцип работы обоих каналов одинаков: дифференциальный усилитель (ДУ) осуществляет основное усиление сигналов с шагом 10 дБ, фильтр низких частот (ФНЧ) ограничивает полосу пропускания до 50 кГц, усилитель (УС) служит для согласования с регистратором и дополнительного усиления, детектор (ДЕТ) производит выпрямление переменного напряжения для аналогового встроенного индикатора (ИНД) и подключаемого цифрового тестера. Аналоговый блок разработан на современной элементной базе, во входном каскаде использованы микросхемы ДУ фирмы Analog Device AD622AN. Регистратор производит аналого-цифровое преобразование и запись сигналов в цифровой форме. В качестве регистратора выступает стандартное устройство: ноутбук, содержащий линейный аудиовход. В составе ноутбука имеется специальный аудиопроцессор, с помощью которого осуществляется аналого-цифровое преобразование и запись сигналов. Современные аудиопроцессоры имеют 16/20/24-разрядные АЦП с независимыми частотами дискретизации 44,1/48/96 кГц, что позволяет в реальном времени оцифровывать сигналы частотой до 48 кГц. Результат запоминается на жестком диске ноутбука или флэш-памяти, в стандартных файлах цифровой аудиозаписи. Дальнейшая обработка сигналов производится с помощью специализированных компьютерных программ (Cool Editor, SpectraLAB, MATLAB). Сравнительные характеристики аппаратуры «ОМАР-2м» и наиболее близкого аналога MTU-A фирмы Phoenix Geophysics (Канада) приведены в табл. 1.^ Табл. 1. Сравнительные технические характеристики аппаратуры Характеристика ОМАР-2м Phoenix MTU-A Количество каналов 2 2 – 5 Входное сопротивление 4 МОм > 1 МОм Коэффициент преобразования датчика (тип) 50 мВ/нТл (АМД-50) 100 мВ/нТл (AMTC-30) Диапазон рабочих частот 10 – 48 000 Гц 1 – 10 000 Гц Разрядность АЦП 24 24 Частота дискретизации 96 кГц 24 кГц Динамический диапазон сигналов 130 дБ 130 дБ Подавление промышленных помех > 20 дБ > 40 дБ Объем встроенной флэш-памяти 8 Гбайт 4 Гбайт Потребляемая мощность 7,5 Вт 9 Вт Вес приемника + датчика 3 кг + 1,5 кг 4 кг + 3 кг Как видно из таблицы, регистрируемый диапазон «ОМАР-2м» сдвинут в более высокочастотную область, технические характеристики имеют близкие значения, а по некоторым показателям превышают канадскую аппаратуру. Аппаратура «ОМАР-2м» имеет самое низкое энергопотребление, габариты и вес из всех выпускаемых аналогов. Визуальный контроль за уровнем сигналов и установка усиления каналов осуществляются по аналоговым индикаторам или в окне управляющей программы. В качестве управляющей программы для регистрации и предварительной обработки данных использовано адаптированное программное обеспечение SpectraLAB фирмы Sound Technology (США). Программа может в режиме реального времени проводить визуализацию, обработку и запись сигналов, поступающих на вход звуковой карты ноутбука. Главным рабочим методом аппаратуры «ОМАР-2м» является АМТЗ. Регистрация и обработка сигналов АМТЗ сводится к следующим основным пунктам: запись временных рядов и получение частотных спектров на основе быстрого преобразования Фурье; фильтрация промышленных помех; восстановление истинных амплитуд сигналов, с учетом АЧХ измерительных каналов; расчет взаимного импеданса среды и эффективного УЭС; построение частотных кривых зондирований; качественная и количественная интерпретация. Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан в качестве аудиомагнитотеллурической станции на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН, расположенном в пределах старого золоторудного месторождения “Свердловское”. Мощности рыхлых отложений, определенные ранее методом ВЭЗ и сейсморазведкой МПВ, хорошо согласуются с количественными результатами АМТЗ. Полностью геоэлектрический разрез АМТЗ с результатами других геофизических методов представлен на рис. 2.^ Рис. 2. Контрольный профиль ИГф УрО РАН в Юго-Западном лесопарке:а) графики полного вектора аномального магнитного поля ΔТа, локальной составляющей гравитационного поля Δgлок и мощности экспозиционной дозы I ; б) количественный геоэлектрический разрез АМТЗ по контрольному профилю.Голубыми чертами отмечена глубина кровли коренных пород, определенная методом ВЭЗ, малиновой линией – сейсморазведкой МПВПо результатам геологических наблюдений и геофизических работ, ситуация на контрольном профиле выглядит следующим образом:0 – 280 м: габбро (1), в интервале 0-50 м – трещиноватые габбро;280 – 340 м: зона метасоматических изменений (2), связанная с золото-кварцевым оруденением месторождения "Свердловское";340 – 560 м: граниты (3), в интервалах 340-500 м – зона дробления и трещиноватости, 440-460 м – глубинный разлом. Для опробования новой скоростной методики работ была произведена съемка АМТЗ в движении со стелющейся электрической линией. Выяснено, что результаты съемки обладают меньшей разрешающей способностью по глубине и большими флуктуациями значений, поэтому ее лучше применять для предварительной оценки глубинных свойств геоэлектрического разреза. Первичная съемка АМТЗ в движении может послужить основой площадных исследований на фиксированных частотах и выбора мест детальных электромагнитных зондирований. Универсальность аппаратуры «ОМАР-2м» показана на примере ее использования в качестве сейсмоэлектрической станции на шахте «Северная» Березовского рудоуправления. Здесь ставилась задача по выделению геофизическими методами интервалов, перспективных на золотоносное оруденение (участки сгущения кварцевых жил, повышенное содержание сульфидов, проявления березитизации). Наблюдения проводились с одновременной регистрацией сигналов сейсмического и электрического отклика, полученных от ударного воздействия, в широкой полосе частот с шагом наблюдений 1 м. Обработка заключалась в энергетической нормировке амплитуды электрического сигнала (Аэ) к сейсмическому (Ас), полученная величина и является пьезоэлектрическим параметром в данной точке. Результаты свидетельствуют о достаточно уверенной корреляции пьезоэлектрического параметра (Аэ/Ас) с положением кварцевых жил. Однако связь с оруденением носит менее выраженный характер, так как распределение золота не связано прямой зависимостью с содержанием кварца (рис. 3). Рис. 3. Графики пьезоэлектрического параметра и удельного электрического сопротивления (УЭС) по контрольному профилю [2]:^ 1 – содержание золота; 2 – содержание серебра; 3 – значения пьезоэлектрического параметра; 4 – значения УЭС; 5 – кварцевые жилы в плагиогранит-порфирах; 6 – сланцыКроме того, с помощью аппаратуры «ОМАР-2м» были проведены наблюдения за импульсными электромагнитными помехами в шахте, в результате которых введен параметр Пг, связанный с поляризацией и характеризующий ослабление кратных гармоник: Пг = (А1 – n·Ai)/A1 , где А1 – амплитуда первой гармоники, Ai – амплитуда i–гармоники,n = А1/Ai – соотношение в первичном сигнале (для меандра n = i). Повышенные значения электрического параметра гармоник Пг отмечены на участках с высоким содержанием сульфидов. Для изучения радиоактивных свойств рудных зон было проведено высокочувствительное направленное гамма-опробование стенок штрека на содержание естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) по ранее разработанной методике [8, 9]. Полученные данные свидетельствуют об увеличении концентрации калия и выносе урана и тория из зон березитизации. Кварцевые жилы характеризуются пониженными концентрациями всех ЕРЭ, по сравнению с дайками плагиогранит-порфиров. Работы на Березовском руднике показали, что геофизические методы могут решать ряд геологических задач при шахтной добыче месторождений золото-кварцево-сульфидного типа, в том числе по определению перспективных участков. Сейсмоэлектрический (пьезоэлектрический) метод является прямым для картирования кварцевых жил. Электрометрические параметры неплохо реагируют на сульфидное оруденение. Направленное гамма-опробование позволяет уверенно фиксировать границы даек с вмещающими породами, а также выделять зоны березитизации. Многофункциональный приемник «ОМАР-2м» с успехом использовался еще в ряде научных и производственных работ методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), сейсмоакустической эмиссии (СЭА), ДИЗ с амплитудно-фазовыми измерениями и зарекомендовал себя как универсальный полевой прибор.2. Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач. При возбуждении колебаний источником, расположенным вблизи поверхности земли, образуются два основных типа сейсмических волн: объемные и поверхностные. Основная часть энергии источника расходуется на образование поверхностных волн – 67 %, доля поперечных волн составляет 26 %, а продольных – всего 7 %. В большинстве сейсморазведочных методов используются в основном продольные волны, поверхностные же волны рассматриваются как помехи. Поэтому идея использования поверхностных волн для получения геологической информации давно привлекала внимание. Над теорией распространения поверхностных волн и их применением для изучения грунтов работали в 1930-е годы R. Stoneley, K. Sezawa, K. Kanai; в 1950-е – N.A. Haskell, F. Press, M.B. Dobrin; в 1960-е – D.S. Jones, R.F. Vidale, А.Л. Левшин; в 1970-е – В.И. Бондарев, В.Н. Агеев, С.М. Крылатков, В.Б. Писецкий. В конце 90-х годов в США сформировался метод многоканального анализа поверхностных волн (Multichannel Analysis of Surface Waves – MASW), основанный на Быстром Преобразовании Фурье (БПФ) фазовых спектров волн Релея. В отличие от объемных волн, поверхностные волны в неоднородной среде обладают дисперсией – зависимостью скорости распространения от частоты колебаний, график зависимости называют дисперсионной кривой (ДК). Толщина слоя, частицы которого вовлечены в движение поверхностными волнами, обратно пропорциональна частоте колебаний, это позволяет по характеру дисперсионных кривых получить глубинный разрез поперечных волн. Стандартная методика полевых работ MASW напоминает технологию нагоняющих годографов в методе преломленных волн (МПВ), но по сути является точечным зондированием с выбранным шагом измерения, так как получаемый по полной сейсмограмме вертикальный скоростной разрез относят к единственной точке измерения, а именно к центру установки (косы). Низкое горизонтальное разрешение является основным недостатком метода MASW. Для повышения информативности сейсмических исследований автором предложена комбинация методов МПВ и MASW с использованием стандартной (или модифицированной) системы наблюдений МПВ, при этом повышение горизонтального разрешения MASW достигается за счет дополнительной обработки. Предлагаемый вариант заключается в сокращении длины участка обрабатываемого профиля и использовании накопления записей от других пунктов возбуждения (ПВ). При схеме наблюдений, принятой в МПВ, микширование трасс во временной области невозможно, однако ничто не мешает просуммировать спектры фазовых скоростей на одних и тех же интервалах профиля от разных ПВ. Простейшим вариантом является сложение спектров прямой и встречной установки. Суммирование повышает соотношение сигнал-шум в √n раз, где n – количество суммирований, а встречные установки позволяют усреднить параметры разреза на выбранном интервале профиля, что помогает избежать сильного несоответствия при наклонных границах разделов. На разных расстояниях от источника колебаний в записи преобладают разные длины поверхностных волн. Соответственно достоверность определения дисперсионной характеристики на разных частотах различна, в зависимости от расстояния до ПВ. На близких расстояниях точнее выделяется высокочастотная часть дисперсионной кривой, на удаленных ПВ более существенный вклад будут вносить низкочастотные составляющие. Таким образом, суммируя спектры фазовых скоростей от пунктов возбуждения, находящихся на разных расстояниях от косы, получаем более достоверную ДК в широком диапазоне частот. Определим минимальное количество суммирований в выделяемом окне: Σmin = 4. Тогда полная схема наблюдений с 24-канальной сейсмостанцией будет содержать 7 ПВ на одной стоянке. При этом количество интервалов (окон) суммирования можно будет изменять в соответствии с необходимым разрешением, определяемым расстоянием между точками зондирования (l). Это расстояние можно выразить в количестве СП между окнами: d = l/Δx, где Δx – шаг установки сейсмоприемников. Число d может составлять 6, 4, 3, 2 и 1. На рис. 4 показана предлагаемая система наблюдений и отработки двух стоянок комбинацией методов МПВ и MASW.Рис. 4. Система наблюдений комбинацией методов МПВ и MASW в плоскости годографа с разбивкой на окна (интервалы суммирований).Обработка годографов, построенных по первым вступлениям преломленных волн, проводится томографическим способом (рефрагированных волн), с построением скоростного разреза продольных волн Vp. Технология обработки поверхностных волн осуществляется суммированием скоростных спектров в скользящем окне, с промежутком между окнами в три сейсмоприемника (d = 3), что позволяет получить вполне приемлемое разрешение (l = 6 м, при Δx = 2 м). В выбранной схеме наблюдений количество суммирований зависит от положения окна и составляет от 4 до 6 (см. рис. 4). Дальнейшие операции выделения и инверсии ДК не отличаются от стандартных процедур MASW, конечной целью которых является построение скоростного разреза поперечных волн Vs. Получив скорости продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн, можно рассчитать коэффициент Пуассона (μ). В качестве примера приведены работы по выявлению подземных пустот с помощью предложенной методики. Эталонным объектом пустотного пространства послужил подземный переход плотины Городского пруда г.Екатеринбурга, над которым был пройден сейсмический профиль. Обработка сейсмических данных разделялась на два этапа в соответствии с типом целевых волн. Сначала прослеживались головные волны, по которым проводилось построение годографов. Годографы пересчитывались способом времени задержки для построения сейсмических преломляющих границ и томографическим способом для получения скоростных разрезов Vp. Вторым типом целевых волн являлись волны Релея, к которым применялся вариант суммирования скоростных спектров в скользящем окне, с получением более контрастных дисперсионных кривых, которые затем конвертировались в скоростной разрез поперечных волн. По значениям Vp и Vs рассчитывался коэффициент Пуассона (μ).Рис. 5. Сейсмические скоростные разрезы продольных (а) и поперечных волн (б), а также распределение коэффициента Пуассона (в) фрагмента плотины Городского пруда [7]. Черная линия соответствует преломляющей границе, малиновым квадратом отмечен подземный переходКак видно из представленных разрезов (рис. 5), продольные волны довольно слабо отмечают подземный переход, контрастность увеличивается при рассмотрении разреза по поперечным волнам, наиболее же четко местоположение перехода фиксируется по распределению μ. В месте перехода наблюдается локальная аномальная область пониженных значений коэффициента Пуассона (μ Другим объектом исследования стали подземные горные выработки Ургальского угольного месторождения (Хабаровский край), представляющие собой отработанные механизированным способом лавы по пластам В31-32 на глубине от 9 до 65 метров от поверхности. По результатам сейсморазведки, разрез интерпретируется как 2-слойный: верхняя часть представлена рыхлыми отложениями, залегающими на плотном основании (коренных породах). Положение границ и сейсмические разрезы представлены на рис. 6.Рис. 6. Сейсмические разрезы над отработанной лавой пласта В31 (Ургальский каменноугольный бассейн) [1]:а – скоростной разрез продольных волн (Vp, м/с), б – скоростной разрез поперечных волн (Vs, м/с), в – распределение коэффициента Пуассона (μ, отн.ед.). Черной линией показана преломляющая граница, малиновой линией выделены контуры подземных выработокГраница коренных пород является преломляющей для сейсмических волн, в результате чего можно достаточно уверенно разделить оба слоя при нормальных условиях залегания. Так, в начале профиля преломляющая граница залегает на глубине приблизительно 5 – 7 м , однако при приближении к выработанному пространству происходит погружение границы до глубин 15 – 20 м. Характер поведения изолиний скоростей сейсмических волн еще более контрастный, однако определить точное положение выработок на скоростных разрезах довольно затруднительно. В то же время пустотные области достаточно показательно выделяются аномально низкими значениями коэффициента Пуассона (μ < 0,2 и вплоть до отрицательных значений). Из других структурных элементов уверенно идентифицируется область охранного целика в интервале профиля 320 – 340 метров (глубина 10 – 20 м), по относительному повышению μ и Vp. Глубже 25 м положение лавы на разрезах Vs и μ не просматривается из-за ограничения глубины исследования по поверхностным волнам, связанного с недостаточно низкочастотными сейсмоприемниками. Следует также отметить, что приповерхностные зоны пониженных значений μ, в районе отмето