И. А. Санфиров, А. Г. Ярославцев
Появлениецифровых портативных сейсмостанций и эффективного программного обеспечения,реализованного на современных персональных компьютерах, создает предпосылки дляприменения при решении инженерно-геологических задач высокоинформативнойметодики общей глубинной точки (МОГТ) [12]. С этой целью, как и в нефтянойсейсморазведке, нам необходимо: обоснование параметров систем интерференционнойрегистрации, выбор источника упругих колебаний и характеристик регистрирующейаппаратуры, формирование графа цифровой обработки и оценка степенидостоверности интерпретационных выводов.
Приобосновании параметров в основном опираемся на следующие общие положения [2, 3,5, 6, 11]:
1.Максимальное удаление пунктов возбуждения (ПВ) от пунктов приема (ПП)сопоставимо с глубиной нижней целевой границы.
2.Минимальное удаление ПВ от ПП не превышает глубины верхней целевой границы.
3.Шаг между ПП (х) больше радиуса корреляции случайных шумов, но меньше половиныдлины волны. Величина задается исходя из горизонтальных размеров поисковыхобъектов, которые могут быть выделены, если превышают 1/2 — 1/3 диаметра первойзоны Френеля [I].
4.Шаг между ПВ обычно выбирается равным Длс, и кратность наблюдений определяетсякак половина от числа каналов сейсмостанций.
Выбористочника упругих колебаний при изучении приповерхностных отложений зависит оттехнологических, экономических, экологических и целого ряда других факторов.Для глубин 50 — 100 м известны различные типы источников упругих колебаний [4,10, 13]. Их можно разделить на две группы: поверхностные и заглубленные. Перваягруппа включает кувалду, падающий груз, портативные вибраторы, воздушные пушки.Во второй выделяются взрывные (детонатор, малые заряды, сейсморужья) иневзрывные (электроискровой) источники.
Приполевых экспериментах нами опробованы два вида импульсных источников,относящихся к первой группе: кувалда и строительный пистолет [8]. В обоихслучаях ударная система состоит из трех компонент: боек, плита-подложка, массаприсоединенного грунта. Результаты расчетов показывают, что в соответствии стребуемым частотным диапазоном (f > 100 Гц) при рыхлом поверхностном слое(V= 300...400 м/с), размер рабочей поверхности источника с энергией удара 300 — 500 Дж должен быть не более 15 — 20 см [7].
Привозбуждении упругих волн в местах с твердым покрытием (асфальт, бетон) можнопроизводить удары и без применения плиты-подложки. Ничтожно малая величинарабочей поверхности кувалды и строительного пистолета позволяет излучатьупругие колебания в широком спектре частот.
Внастоящее время существует большой выбор сейсмоприемников. Они обладают полосойпропускания до 2000 Гц. Значительное влияние на характеристики сейсмоприемниковоказывает качество крепления к поверхности наблюдений. В силу того, что линиинаблюдений зачастую пролегают внутри зданий, на асфальтированных площадках идаже на вертикальной поверхности кроме обычного заглубления сейсмодатчиковвозможны различные, оригинальные виды креплений [9].
Извсего спектра предлагаемых в настоящее время инженерных сейсмостанций намивыбрана 48-канальная инженерная широкодиапазонная компьютеризованная станция — IS-48 (Латвия). Данная станция наиболее выгодна с экономических позиций и имеетследующие технические характеристики: диапазон рабочих частот — 3 — 8000 Гц,динамический диапазон — 96 дБ, длина записи — 2048 дискрет при 48 каналах,число аппаратных накоплений — до 64, питание — 12 В, масса с компьютером иаккумулятором — 8,5 кг. Подобные параметры сейсмостанций обеспечивают высокуюмобильность и эффективность инженерных сейсморазведочных исследований.
Цифроваяобработка и интерпретация полученных данных основывается на общепринятыхположениях с учетом повышенного частотного диапазона волнового поля. Графобработки содержит все обязательные этапы:
предобработку;
корректирующую фильтрацию (полосовая частотная, обратная);
вычитание волн-помех (в двумерной области скоростей и волновых чисел);
ввод и последующую совместную коррекцию статических и кинематических поправок;
коррекцию формы записи (устранение остаточного фазового разброса, усилениеинтенсивности регулярной составляющей);
получение и обработку окончательного временного разреза (когерентнаяфильтрация).
Рядпроцедур носит итеративный характер. Например, совместная коррекция статическихи кинематических поправок, вычитание волн-помех с последующей нормализациейспектра результирующей записи.
Обычнопри проведении инженерных сейсморазведочных исследований отсутствуют данныепрямых измерений скоростей распространения упругих волн. Оценка кинематическихпараметров поля отраженных волн производится по обработанным сейсмограммам ОГТ.Данный процесс содержит несколько этапов:
1)определение эффективных скоростей на основе вертикальных и горизонтальныхспектров; 2) регуляризация; 3) построение скоростной модели среды; 4) оценкадостоверности результатов скоростного анализа.
Вбольшинстве случаев при изучении приповерхностных отложений приходитсяотказываться от ввода априорных статических поправок. Это связано с тем, чтоперепад отметок земной поверхности по профилю сравним с глубинами до целевыхгоризонтов, и, следовательно, ввод статики приведет к уничтожению полезнойчасти записи. В таких случаях используются только процедуры коррекциивысокочастотных статических сдвигов.
Нижеприводится ряд практических результатов, полученных при инженерныхсейсморазведочных исследованиях МОГТ на различных природных и техногенныхобъектах.
Первыйпример относится к территории, где развит карбонатный карст в пределахнефтяного месторождения на юге Пермской области (Рис.1). Необходимостьисследований обусловлена проблемой сохранности инженерных сооружений,обеспечивающих эксплуатацию месторождения. На временном разрезе, отмечается ряднаиболее динамически выраженных осей синфазности, которые соответствуют целевымсейсмическим отражающим горизонтам (ОГ), приуроченным к конкретным геологическимграницам. Стратиграфическая привязка ОГ выполнена в соответствии со скоростнымзаконом, установленным в процессе обработки. Так, до времени в 16 мс скорость1000 м/с, до 30 мс — 1800 м/с, до 60 мс — 2600 м/с. Следовательно, ОГ1,регистрируемый на времени приблизительно 16 мс, находится на глубине 7 — 8 м,ОГ2 — 12 — 14 м, ОГЗ — 30 — 32 м и ОГ4 -75 — 78 м. В соответствии с априорнойгеологической информацией можно предположить, что ОГ1 — приурочен кпромежуточной границе в толще суглинков (щебень, глина), ОГ2 — кровля гипсов,ОГЗ — их подошва, ОГ4 — кровля доломитов.
/>
Наволновой картине выделяется два локальных прогиба по кровле гипсов в интервалеот 31 до 60 м и от 86 до 123 м. Второй прогиб, наиболее обширный,сопровождается потерей интенсивности сейсмической записи и коррелируется спрогибом по вышележащим отложениям. Обе аномалии находятся в створе карстовыхворонок, причем вторая соответствует наиболее глубокой.
Прогибыпо кровле гипсов вызваны, очевидно, их выщелачиванием с изменением гипсометрии.Зоны выщелачивания кровли гипсов могли образоваться в отдаленное геологическоевремя с последующим заполнением аллювиальными отложениями. В общем случае ониотражают только потенциальную угрозу современного процесса карстообразования.При его реализации и возникновении карстовых полостей в интервале между ОГ2 — ОГЗ неизбежно развитие процессов разрушения и обрушения вышележащих пород.Сейсмическими признаками активизации карстообразования в таких зонах могутявляться: отрицательная гипсометрия отражающей границы в аллювиальныхотложениях, низкие значения скоростей распространения упругих волн и ихинтенсивности в гипсово-ангидритовой толще.
Второйпример иллюстрирует возможности инженерной сейсморазведки на площади спредположительно техногенным разрушением приповерхностных отложений (Рис.2).Данная площадь находится в зоне влияния горных работ калийного рудника, аобласть разрушения пространственно совпадает с краевой частью отработки.Основная задача исследований заключалась в оценке пределов распространенияразрушений по разрезу и по площади. Наблюдения проводились по сети профилей впределах жилой застройки частным сектором.
/>
Навременном разрезе (см. рис. 2, а) выделяется три отражающих горизонта. Первый,согласно результатам скоростного анализа, находится на глубинах от 5 до 9 м. Онсвязан с подошвой четвертичных отложений. Глубина второго ОГ составляет 30 — 31м, он приурочен к зеркалу подземных вод в терригенно-карбонатной толще. ТретийОГ отвечает кровле соляно-мергельной толщи, его глубинные отметки изменяются от54 до 58 м. По волновой картине нарушения структуры геологического разрезапрослеживаются вплоть до 3 ОГ. Аналогичный вывод следует и из анализаскоростной характеристики (см. рис. 2, б), представляющей распределениезначений эффективных скоростей в плоскости временного разреза. На основекомплекса сейсмических признаков подобных приповерхностных объектов, выполненпрогноз их распространения в пределах площади исследований.
Следующийобъект исследований — катастрофический карстовый провал в пределах городскойзастройки. Как показали инженерные сейсморазведочные исследования (Рис.3),наиболее вероятной причиной данного обрушения является размыв толщи гипсов,обусловленный взаимодействием техногенных (утечки) и природных (циркуляцияподземных вод, связанная с особенностями подземного рельефа) причин. />
Данаколичественная оценка последствий провала в интервале глубин до 10 — 15 м длярядом расположенных участков жилой застройки. Эти выводы базируются как накачественном анализе волновой картины, представленной на временном разрезе, таки на изучении ее количественных параметров. Качественный анализ волновойкартины подразумевает изучение рисунка суммарных сейсмозаписей (см. рис. 3, а)и пространственно-временного распределения их интенсивности, представленного надинамических временных разрезах (см. рис. 3,6). При интерпретации данныхпараметров учитывается связь со структурой геологического разреза.
Предлагаемаятехнология инженерной сейсморазведки успешно применяется и при картированииприповерхностных древних горных выработок на территории г. Перми. На рис. 4(см. цвет. вкл.) приведен пример временного разреза, полученного в пределахплощади с высокой вероятностью наличия выработок. На основании скоростногозакона и с учетом геологической информации предполагалось, что ОГ1 — приуроченк кровле супеси, ОГ2 — к кровле песчано-гравийных отложений, ОГ Кор — соответствует кровле медистых песчаников, а горизонт ПП их подошве. Интервалвозможного наличия выработок ограничивается отражающими горизонтами Кор и ПП.
Порезультатам моделирования установлено, что признаками погребенных выработокявляются: 1) нарушение структуры волновой картины, 2) пониженная интенсивностьсейсмической записи, 3) снижение скоростных свойств, отражаемое как наскоростной характеристике, так и в виде «псевдопрогиба» понижележащему отражающему горизонту. Подобное сочетание изменений динамических икинематических характеристик отраженных волн в интервале между ОГ Кор и ППнаблюдается на участке профиля от 5,5 до 20,5 м. Скважина, пробуренная порезультатам сейсморазведочных данных, вскрыла на глубине 13,2 м деревяннуюкрепь и песчано-грязевую массу.
Всерассмотренные выше примеры связаны с более или менее традиционными дляинженерной сейсморазведки объектами, хотя данная ее модификация можетприменяться и при разведке малоглубинных месторождений полезных ископаемых.
/>
Следующийпример иллюстрирует результаты сейсморазведочных работ на месторождении гипса.Цель исследований — картирование участка уменьшения мощности предохранительногоцелика в промышленной толще гипсов. В соответствии с результатами скоростногоанализа и данными бурения выполнена стратиграфическая привязка отражающихгоризонтов: Tik — кровля тульских глин, Psk — кровля песков, Psp — подошвапесков, Gk и Gp — кровля и подошва промышленной толщи гипсов. На временномразрезе (рис. 5.) отражаются основные особенности геологического строенияучастка. В центральной части профиля (200 — 260 м) в интервале песков и вподстилающих их отложениях вплоть до гипсовой залежи выделяется локальныйразмыв турнейской карбонатной толщи. Он связан с притоком широтного простиранияк основному руслу древней реки. В его пределах на участке от 220 до 250 мнаблюдается нарушение структуры волновой картины для интервала гипсовой залежи.Дополнительные участки нарушений структуры волновой картины выделяются вконечной части профиля, начиная с 400 м, и восточнее размыва на 150 — 180 м.Все отмеченные участки характеризуются повышенным затуханием и пониженнойскоростью распространения упругих колебаний.
Внедрениесовременных модификаций сейсморазведочных наблюдений в сферуинженерно-геологических задач определяется соотношением цены и объемаинформации, необходимого для их решения. Представленные материалы выбирались издостаточно обширной базы данных (более 40 объектов). Значительный объемвыполненных исследований и их результаты, по нашему мнению, подтверждаютположительное решение данной финансово-методической проблемы для сейсморазведки2D.
Внастоящее время известно применение в отдельных случаях инженерно-геологическихизысканий и сейсморазведки 3D [14, 15, 16]. Очевидно, что перспективы еевнедрения также будут зависеть от соотношения цены и ценности сейсморазведочнойинформации для решения современных инженерно-геологических задач.
Список литературы
1.Гертнер X., Климмер Г., 1985, Оценка возможности решать геологическую задачусейсморазведкой MOB путем сейсмического моделирования: Труды XXX Междунар.геофиз. симп. Геофизические работы на нефть и газ. Ч. III: М., 81 — 93.
2.Гурвич И. И., Боганик Г. Н., 1980, Сейсмическая разведка. Учебник для вузов:М., Недра.
3.Мешбей В. И., 1973, Сейсморазведка методом общей глубинной точки: М., Недра.
4.Палагин В. В., Попов А. Я., Дик П. И., 1989, Сейсморазведка малых глубин: М.,Недра.
5.Савелов Р. П., 1986, Вопросы теории и практики применения сейсморазведкиМОП": Иркутск, Изд-во ИГУ.
6.Сапфиров И. А., 1996, Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ: Екатеринбург, УрОРАН.
7.Сапфиров И. А., Фатькин К. Б., 1997, Сравнительный анализ различных типовневзрывных источников для малоглубинной сейсморазведки: Геология и полезныеископаемые Западного Урала: Материалы региональной конференции: Пермь, ПГУ.
8.Ярославцев А. Г., 2002, BuildingGun — новый источник для инженернойсесморазведки: Проблемы комплексного мониторинга на месторождениях полезныхископаемых: Пермь, Горный институт УрО РАН.
9.Ярославцев А. Г., Сапфиров И. А., 2000, Применение методик многократныхперекрытий при решении инженерно-геологических задач: 300 летгорно-геологической службе России: Тезисы докладов международной геофизическойконференции: СПб.
10. Hill I. A., 1992, Better than drilling? Some shallow seismicreflection case histories: Quarterly Journal of Engineering Geology, 25, 239-248
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта davyde.by.ru/