Опыт применения сейсморазведки ОГТ для решения инженерно-геологических задач

Опыт применения сейсморазведки ОГТ для решения инженерно-геологических задач

И. А. Санфиров, А. Г. Ярославцев 

Появление цифровых портативных сейсмостанций и эффективного программного обеспечения, реализованного на современных персональных компьютерах, создает предпосылки для применения при решении инженерно-геологических задач высокоинформативной методики общей глубинной точки (МОГТ) [12]. С этой целью, как и в нефтяной сейсморазведке, нам необходимо: обоснование параметров систем интерференционной регистрации, выбор источника упругих колебаний и характеристик регистрирующей аппаратуры, формирование графа цифровой обработки и оценка степени достоверности интерпретационных выводов.

При обосновании 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 половины длины волны. Величина задается исходя из горизонтальных размеров поисковых объектов, которые могут быть выделены, если превышают 1/2 - 1/3 диаметра первой зоны Френеля [I].

4. Шаг между ПВ обычно выбирается равным Длс, и кратность наблюдений определяется как половина от числа каналов сейсмостанций.

Выбор источника упругих колебаний при изучении приповерхностных отложений зависит от технологических, 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. Первая группа включает кувалду, падающий груз, портативные вибраторы, воздушные пушки. Во второй выделяются взрывные (детонатор, малые заряды, сейсморужья) и невзрывные (электроискровой) источники.

При полевых экспериментах нами опробованы два вида импульсных источников, относящихся к первой группе: кувалда и строительный пистолет [8]. В обоих случаях ударная система состоит из трех компонент: боек, плита-подложка, масса присоединенного грунта. Результаты расчетов показывают, что в соответствии с требуемым 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].

При возбуждении упругих волн в местах с твердым покрытием (асфальт, бетон) можно производить удары и без применения плиты-подложки. Ничтожно малая величина рабочей поверхности кувалды и строительного пистолета позволяет излучать упругие колебания в широком спектре частот.

В настоящее время существует большой выбор сейсмоприемников. Они обладают полосой пропускания до 2000 Гц. Значительное влияние на характеристики сейсмоприемников оказывает качество крепления к поверхности наблюдений. В силу того, что линии наблюдений зачастую пролегают внутри зданий, на асфальтированных площадках и даже на вертикальной поверхности кроме обычного заглубления сейсмодатчиков возможны различные, оригинальные виды креплений [9].

Из всего спектра предлагаемых в настоящее время инженерных сейсмостанций нами выбрана 48-канальная инженерная широкодиапазонная компьютеризованная станция - IS-48 (Латвия). Данная станция наиболее выгодна с экономических позиций и имеет следующие 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 и аккумулятором - 8,5 кг. Подобные параметры сейсмостанций обеспечивают высокую мобильность и эффективность инженерных сейсморазведочных исследований.

Цифровая обработка и интерпретация полученных данных основывается на общепринятых положениях с учетом повышенного частотного диапазона волнового поля. Граф обработки 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, усиление интенсивности регулярной составляющей); 

 получение и обработку окончательного временного разреза (когерентная фильтрация). 

Ряд процедур носит итеративный характер. Например, совместная коррекция статических и кинематических поправок, вычитание волн-помех с последующей нормализацией спектра результирующей записи.

Обычно при проведении инженерных сейсморазведочных исследований отсутствуют данные прямых измерений скоростей распространения упругих волн. Оценка кинематических параметров поля отраженных волн производится по обработанным сейсмограммам ОГТ. Данный процесс содержит несколько этапов:

1) определение эффективных скоростей на основе вертикальных и горизонтальных спектров; 2) регуляризация; 3) построение скоростной модели среды; 4) оценка достоверности результатов скоростного анализа.

В большинстве случаев при изучении приповерхностных отложений приходится отказываться от ввода априорных статических поправок. Это связано с тем, что перепад отметок земной поверхности по профилю сравним с глубинами до целевых горизонтов, и, следовательно, ввод статики приведет к уничтожению полезной части записи. В таких случаях используются только процедуры коррекции высокочастотных статических сдвигов.

Ниже приводится ряд практических результатов, полученных при инженерных сейсморазведочных исследованиях МОГТ на различных природных и техногенных объектах. 

Первый пример относится к территории, где развит карбонатный карст в пределах нефтяного месторождения на юге Пермской области (Рис.1). Необходимость исследований обусловлена проблемой сохранности инженерных сооружений, обеспечивающих эксплуатацию месторождения. На временном разрезе, отмечается ряд наиболее динамически выраженных осей синфазности, которые соответствуют целевым сейсмическим отражающим горизонтам (ОГ), приуроченным к конкретным геологическим границам. Стратиграфическая привязка ОГ выполнена в соответствии со скоростным законом, установленным в процессе обработки. Так, до времени в 16 мс скорость 1000 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 априорной геологической информацией можно предположить, что ОГ1 - приурочен к промежуточной границе в толще суглинков (щебень, глина), ОГ2 - кровля гипсов, ОГЗ - их подошва, ОГ4 - кровля доломитов.



На волновой картине выделяется два локальных прогиба по кровле гипсов в интервале от 31 до 60 м и от 86 до 123 м. Второй прогиб, наиболее обширный, сопровождается потерей интенсивности сейсмической записи и коррелируется с прогибом по вышележащим отложениям. Обе аномалии находятся в створе карстовых воронок, причем вторая соответствует наиболее глубокой.

Прогибы по кровле гипсов вызваны, очевидно, их выщелачиванием с изменением гипсометрии. Зоны выщелачивания кровли гипсов могли образоваться в отдаленное геологическое время с последующим заполнением аллювиальными отложениями. В общем случае они отражают 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 могут являться: отрицательная гипсометрия отражающей границы в аллювиальных отложениях, низкие значения скоростей распространения упругих волн и их интенсивности в гипсово-ангидритовой толще.

Второй пример иллюстрирует возможности инженерной сейсморазведки на площади с предположительно техногенным разрушением приповерхностных отложений (Рис.2). Данная площадь находится в зоне влияния горных работ калийного рудника, а область разрушения пространственно совпадает с краевой частью отработки. Основная задача исследований заключалась в оценке пределов распространения разрушений по разрезу и по площади. Наблюдения проводились по сети профилей в пределах жилой застройки частным сектором.



На временном разрезе (см. рис. 2, а) выделяется три отражающих горизонта. Первый, согласно результатам скоростного анализа, находится на глубинах от 5 до 9 м. Он связан с подошвой четвертичных отложений. Глубина второго ОГ составляет 30 - 31 м, он приурочен к зеркалу подземных вод в терригенно-карбонатной толще. Третий ОГ отвечает кровле соляно-мергельной толщи, его глубинные отметки изменяются от 54 до 58 м. По волновой картине нарушения структуры геологического разреза прослеживаются вплоть до 3 ОГ. Аналогичный вывод следует и из анализа скоростной характеристики (см. рис. 2, б), представляющей распределение значений эффективных скоростей в плоскости временного разреза. На основе комплекса сейсмических признаков подобных приповерхностных объектов, выполнен прогноз их распространения в пределах площади исследований.

Следующий объект исследований - катастрофический карстовый провал в пределах городской застройки. Как показали инженерные сейсморазведочные исследования (Рис.3), наиболее вероятной причиной данного обрушения является размыв толщи гипсов, обусловленный взаимодействием техногенных (утечки) и природных (циркуляция подземных вод, связанная с особенностями подземного рельефа) причин. 

Дана количественная оценка последствий провала в интервале глубин до 10 - 15 м для рядом расположенных участков жилой застройки. Эти выводы базируются как на качественном анализе волновой картины, представленной на временном разрезе, так и на изучении ее количественных параметров. Качественный анализ волновой картины подразумевает изучение рисунка суммарных сейсмозаписей (см. рис. 3, а) и пространственно-временного распределения их интенсивности, представленного на динамических временных разрезах (см. рис. 3,6). При интерпретации данных параметров учитывается связь со структурой геологического разреза.

Предлагаемая технология инженерной сейсморазведки успешно применяется и при картировании приповерхностных древних горных выработок на территории г. Перми. На рис. 4 (см. цвет. вкл.) приведен пример временного разреза, полученного в пределах площади с высокой вероятностью наличия выработок. На основании скоростного закона и с учетом геологической информации предполагалось, что ОГ1 - приурочен к кровле супеси, ОГ2 - к кровле песчано-гравийных отложений, ОГ Кор - соответствует кровле медистых песчаников, а горизонт ПП их подошве. Интервал возможного наличия выработок ограничивается отражающими горизонтами Кор и ПП.

По результатам моделирования установлено, что признаками погребенных выработок являются: 1) нарушение структуры волновой картины, 2) пониженная интенсивность сейсмической записи, 3) снижение скоростных свойств, отражаемое как на скоростной характеристике, так и в виде "псевдопрогиба" по нижележащему отражающему горизонту. Подобное сочетание изменений динамических и кинематических характеристик отраженных волн в интервале между ОГ Кор и ПП наблюдается на участке профиля от 5,5 до 20,5 м. Скважина, пробуренная по результатам сейсморазведочных данных, вскрыла на глубине 13,2 м деревянную крепь и песчано-грязевую массу.

Все рассмотренные выше примеры связаны с более или менее традиционными для инженерной сейсморазведки объектами, хотя данная ее модификация может применяться и при разведке малоглубинных месторождений полезных ископаемых.



Следующий пример иллюстрирует результаты сейсморазведочных работ на месторождении гипса. Цель исследований - картирование участка уменьшения мощности предохранительного целика в промышленной толще гипсов. В соответствии с результатами скоростного анализа и данными бурения выполнена стратиграфическая привязка отражающих горизонтов: Tik - кровля тульских глин, Psk - кровля песков, Psp - подошва песков, Gk и Gp - кровля и подошва промышленной толщи гипсов. На временном разрезе (рис. 5.) отражаются основные особенности геологического строения участка. В центральной части профиля (200 - 260 м) в интервале песков и в подстилающих их отложениях вплоть до гипсовой залежи выделяется локальный размыв турнейской карбонатной толщи. Он связан с притоком широтного простирания к основному руслу древней реки. В его пределах на участке от 220 до 250 м наблюдается нарушение структуры волновой картины для интервала гипсовой залежи. Дополнительные участки нарушений структуры волновой картины выделяются в конечной части профиля, начиная с 400 м, и восточнее размыва на 150 - 180 м. Все отмеченные участки характеризуются повышенным затуханием и пониженной скоростью распространения упругих колебаний.

Внедрение современных модификаций сейсморазведочных наблюдений в сферу инженерно-геологических задач определяется соотношением цены и объема информации, необходимого для их решения. Представленные материалы выбирались из достаточно обширной базы данных (более 40 объектов). Значительный объем выполненных исследований и их результаты, по нашему мнению, подтверждают положительное решение данной финансово-методической проблемы для сейсморазведки 2D.

В настоящее время известно применение в отдельных случаях инженерно-геологических изысканий и сейсморазведки 3D [14, 15, 16]. Очевидно, что перспективы ее внедрения также будут зависеть от соотношения цены и ценности сейсморазведочной информации для решения современных инженерно-геологических задач.

Список литературы

1. Гертнер X., Климмер Г., 1985, Оценка возможности решать геологическую задачу сейсморазведкой 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 сейсморазведки МОП": Иркутск, Изд-во ИГУ.

6. Сапфиров И. А., 1996, Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ: Екатеринбург, УрО РАН.

7. Сапфиров И. А., Фатькин К. Б., 1997, Сравнительный анализ различных типов невзрывных источников для малоглубинной сейсморазведки: Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы региональной конференции: Пермь, ПГУ.

8. Ярославцев А. Г., 2002, BuildingGun - новый источник для инженерной сесморазведки: Проблемы комплексного мониторинга на месторождениях полезных ископаемых: Пермь, Горный институт УрО РАН.

9. Ярославцев А. Г., Сапфиров И. А., 2000, Применение методик многократных перекрытий при решении инженерно-геологических задач: 300 лет горно-геологической службе России: Тезисы докладов международной геофизической конференции: СПб.

10. Hill I. A., 1992, Better than drilling? Some shallow seismic reflection case histories: Quarterly Journal of Engineering Geology, 25, 239 -248