Инженерно-геофизические исследования карста на территории Москвы и Московского региона методом многоволновой сейсморазведки

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАРСТА НА ТЕРРИТОРИИ МОСКВЫ И МОСКОВСКОГО РЕГИОНА МЕТОДОМ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

А.Г.Гинодман, Б.А.Гранит

ВНИИГеофизика, МГСУ

Аннотация: результаты изучения карста в московском регионе методом отраженных волн по системе многократных перекрытий МОГТ. Показана связь между строением верхней части отложения карбона и характером сейсмического разреза.

The summary: results of studying of a karst in the Moscow region a method of the reflected waves on system of repeated overlappings МОГТ. Communication between a structure of the top part of coal adjournment and character of a seismic cut is shown.

Разработанный в 1960-70гг коллективом геофизиков под руководством акад.Н.Н.Пузырева метод поперечных волн нашел свое применение в первую очередь при малоглубинных исследованиях. В 1980-90гг рядом организаций (ВНИИГеофизика, Спецгеофизика, МГУ, МИСИ, ПНИИИС, ВСЕГИНГЕО и др., [1 - 6]) началась разработка методики многоволновой сейсморазведки, включающей монотипные продольные P и поперечные S , а также обменныеРБ волны - как наиболее перспективного направления при решении задач инженерной геофизики. Были предложены и успешно опробованы ударные источники поперечных волн SH с регистрацией колебаний компьютизированными сейсмостанциями в режиме накоплений, а также наблюдения по системам многократных перекрытий (МОГТ) Основные результаты этих исследований рассмотрены в данной статье.

Геологическую модель верхней части разреза Московского региона представляют следующие комплексы (сверху вниз ):

1.Песчано-глинистые отложения четвертичного возраста, в различной степени водонасыщенные, залегают либо на преимущественно песчаных отложениях мелового возраста или глинистых породах юрского возраста, в отдельных случаях на карбонатных отложениях верхнего-среднего карбона.

2. Пески, супеси, алевриты и глины мелового возраста имеют в пределах г.Москвы локальное распространение. Они сохранились на возвышенных участках дочетвертич-ных палеоводоразделов.

3.Глины юрского возраста являются региональным водоупором, однако присутствуют в разрезе не повсеместно, часто занимают пониженные участки нижележащего карбонатного цоколя.

4.Толща описанных выше терригенных осадков покоится на жестком основании -известняках верхнего и среднего карбона. Карбонатные отложения длительное геологическое время подвергались интенсивной эрозии и представляют в верхней своей части, как правило, сильно разрушенную толщу с многочисленными трещинами, кавернами и другими элементами эрозии. Известны также различных размеров (от 2-5м до 30-40м) карстовые полости. Глубина залегания известняков - от 8-15м на поймах и низких террасах р.Москвы и р.Яузы до 50-70м на водоразделах. К кровле известняков приурочен региональный водоносный горизонт.

4/2010 М1 ВЕСТНИК

Описанная выше модель геологического разреза в определенных условиях может представлять большую опасность при проведении различного рода строительных работ и эксплуатации уже построенных объектов. Опасность эта заключается в оседаниях и провалах грунта - как следствия карстово-суффозионных процессов (т.е. переноса с водой частиц грунта из верхних интервалов разреза в нижние).

Эффективным методом изучения разреза является многоволновая сейсморазведка, использующая продольные Р и поперечные Б волны. Продольными волнами изучается УГВ - уровень грунтовых вод, поперечными - поверхность карбонатных отложений. Волны Б весьма чувствительны к физико-механическому состоянию породы и ее текстуре (трещинноватости, пустотам и т.п.).

Изучение локальных участков сейсморазведкой, в отличие от бурения, может быть реализовано практически с любой заданной детальностью (т.е. плотностью расположения точек измерения), что уменьшает вероятность пропуска небольших по площади аномальных зон (зон повышенной трещинноватости известняков или карстовых полостей). Кроме того, сейсмические материалы позволяют выявлять активно протекающие процессы суффозии.

Ниже приводятся краткие сведения о методике исследований и результатах работ в характерных для Москвы и Московского региона геологических условиях.

Сейсмические наблюдения выполняются по методике многократных перекрытий (МОГТ); при использовании этой методики и соответствующих пакетов обрабатывающих программ с высокой степенью точности определяются кинематические (времена, скорости волн в среде) и динамические (интенсивности, частоты) характеристики. Регистрация ведется с помощью мобильных компьютизированных сейсмостанций, в качестве источника используются удары молота (в направлениях Ъ и У) в режиме накоплений.

При работах в условиях города часто встречаются условия, когда в самой верхней части разреза залегает тонкий слой высокоскоростных пород. Это - асфальтобетонные покрытия толщиной, как правило, 0,1 - 0,2м (иногда больше). В зимнее время под ними располагается слой мерзлых пород толщиной 1 - 2м; эти породы создают эффект приповерхностного высокоскоростного слоя (ПВС) также в отсутствии ас-фальто-бетонной "подушки". Осредненные значения скоростей волн Р и Б в этих слоях составляют [6]: Уг г 4000м/с, У8 г 2000 м/с.

ПВС, несмотря на весьма малую мощность, составляющую менее 5% от мощности всей исследуемой части разреза, оказывает существенное влияние на кинематику отраженных волн, а в случае поперечных волн - и на их динамику. Так, на записях волн Б полностью отсутствуют поверхностные волны Лява, которые, как известно, образуются в градиентной среде с непрерывным нарастанием скорости с глубиной. Наличие ПВС делает невозможным формирование волн Лява, т.к. все лучи с удалением от пункта возбуждения ПВ ( при расположении источника возбуждения на поверхности ) уходят в нижнее полупространство. Экспериментально установлено, что толщина высокоскоростного слоя при этом может быть весьма небольшой - до 0,1 - 0,2м.

Отсутствие волн Лява, весьма интенсивных в "обычных" (летних) условиях, облегчает процесс обработки. В то же время появляется проблема, связанная с чрезвычайно сильным коэффициентом преломления на границе ПВС с подстилающими породами:

п = У2 / VI = 280 / 2000 = 0,14

( значения У8 = 280-300м/с - наиболее часто встречающиеся величины скорости в терригенной надкарбонатной части разреза Московского региона).

Лучевая схема отраженных волн в данных условиях существенно видоизменяется (рис.1). При малых удалениях от ПВ (единицы метров) угол падающего на подошву ПВС луча достигает i1 = 80 градусов и более; значение sin i1 > 0,98. При n = 0,14 sini2=0,135, угол преломления в нижнем слое уменьшается до i2 = 7 - 8 градусов и практически не меняется с расстоянием. Лучевая схема как бы "замораживается" в вертикальной плоскости (рис.1); приращение времени годографа происходит, в основном, за счет распространения луча в мерзлом слое. А поскольку скорость в ПВС намного выше скорости в подстилающих породах, приращение времени годографа At = tx - t0 намного меньше величины At, которое наблюдалось бы при отсутствии ПВС. Количественная оценка приращений времени годографа с указанными на рис.1 параметрами показывает:

при отсутствии ПВС At = 0,065с, при наличии ПВС At = 0,021, т.е. в 3 раза меньше.

V л д _

пмс

Рис. 1. Лучевая схема при наличии приповерхностного мерзлого слоя (ПМС) сплошные линии и при его отсутствии - пунктирные линии. Параметры разреза: И = 30м, Уб = 280 м/с , Уб (пмс) = 2000 м/с, 1 1 = угол падения на подошву ПМС, 1 2 = угол преломления

Естественно, что столь большую разницу необходимо учитывать при обработке. Последняя проводилась в 3-х вариантах: а) У=0 (т.е. без ввода кинематических поправок КнП), б) У = 280 м/с ( данные ВСП - скорость по вертикали ), в) У = 530 м/с (расчетное значение при At = 0,021с; эта скорость не имеет физического смысла, она лишь оптимизирует условия суммирования ).

Фрагменты временных разрезов при обозначенных выше значениях скоростей приведены на рис.2. Там же внизу справа показаны количественные величины амплитуд отраженных волн по одной из трасс для всех 3-х вариантов разреза.

Практически одинаковое качество осей синфазности отмечается в случаях "а" и "с", т.е. при нулевом значении скорости (фактически - при отсутствии процедуры ввода КнП в графе обработки) и скорости У = 530 м/с, примерно вдвое превышающей скорость по вертикали. Худший вариант наблюдается при суммировании со скоростью по вертикали (данные ВСП), обычно применяемой при обработке: в этом случае происходит сильное "переспрямление" годографов. Величина амплитуды отраженной волны (рис.2,внизу справа) одинакова в случаях "а", "с" и на 28% ниже в случае "в", что также свидетельствует о суммировании в неоптимальном режиме.

Таким образом, при обработке материалов в условиях залегания у поверхности высокоскоростного слоя особое внимание уделяется процедуре ввода КнП. В качестве исходной принимается нулевое значение скорости для трансформации годографа (когда вообще не применяется процедура ввода КнП), а дальнейшая ее оптимизация производится в области значений, примерно вдвое превышающих скорость по вертикали (т.е. данные ВСП). Последние используются лишь для преобразования временного разреза в глубинный.

4/2010

ВЕСТНИК .МГСУ

Рис. 2. Временные разрезы МОГТ

Ь) У = 280 м/с; с) У =530 м/с

Внизу справа интенсивности одноименной трассы

На основании опыта работ в разных районах установлена связь между строением верхней части отложений карбона и характером сейсмического разреза (динамикой волн, их прослеживаемостью, регулярностью). Выделено 3 типа такой зависимости [2].

I тип разреза:наблюдается четкая, динамически выраженная, хорошо коррелируемая вдоль профиля волна, связанная с поверхностью карбонатов. По данным бурения поверхность известняков на таких участках характеризуется сравнительно невысокой разрушенностью. Пример разрезов I типа приведен на рис.3.

0 50 100 130 200м

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 8,1 85 89>93^

Рис. 3. Разрез получен на площади с невысокой степенью разрушенности карбонатов

II тип разреза: это близкий аналог I типа, но динамически волны выражены значительно слабее, хотя корреляция их вдоль профиля, как правило, удовлетворительная. Пониженный уровень интенсивности отраженных волн проявляется в том, что они почти не выделяются на исходных сейсмограммах и появляются на разрезах лишь в результате глубокой обработки. Соответствующие площади по данным бурения характеризуются интенсивными эрозионными процессами в кровле известняков, с чем связано образование многочисленных трещин, обломков пород, прослоев щебня. Пример разрезов II типа приведен на рис.4.

4 А А5 А10

Рис. 4. Разрез получен на площади с сильной разрушенностью карбонатов

III тип разреза отражает наиболее сложное строение верхней части карбонатов, в которой, наряду с сильной разрушенностью массива, имеются локальные нарушения типа провалов, карстовых воронок. Такие участки характеризуются внезапным и полным прекращением корреляции отражающих горизонтов ( в том числе кровли вышележащих юрских глин, если они имеются в разрезе ). Примеры данного типа разрезов приведены на рис.5, 6, 7. ( Вследствие разной методики полевых работ и обработки волн Р и S сводные разрезы монтируются из двух соответствующих индивидуальных разрезов).

Карстовые полости могут быть двух типов:

- "закрытые" полости, когда над ними расположен водоупорный слой (например, слой юрских глин); такие участки рассматриваются как потенциально опасные, пока по тем или иным причинам не нарушена целостность водоупорного слоя, например, в результате бурения, гидравлического удара и др.

- "открытые" полости, когда имеется непосредственный контакт карбонатов с во-донасыщенными четвертичными отложениями. На активный процесс суффозии указывает характерная форма уровня грунтовых вод (УГВ) в виде депрессионной воронки - рис.5,6 (вверху). Именно форма УГВ в виде депрессионной воронки, расположенной над карстовым провалом, служит прямым признаком происходящего в данном месте активного процесса суффозии, представляющего непосредственную опасность для зданий и сооружений. Отметим, что воды, приуроченные к кровле карбонатов, обладают высоким дебитом и интенсивным стоком, что увеличивает эффективную емкость карстовых полостей вследствие переноса накапливающегося в них терригенного материала.

4/2010

ВЕСТНИК .МГСУ

Рис.5. Разрез получен на участке развития провала - карстовой воронки. Внизу разрез на волнах Б, отображает строение юры и карбонатов, вверху - разрез на волнах Р, отображает строение УГВ

Рис. 5,а График развития карстово-суффозионнои воронки в районе 3-ей Хорошевской ул.

ПК 30 38 4о 54 32 70 78 86 9,4 102 I;;; 118 123 134 14

Р -Ж"

. ....................^ЖЬйшшш»*^.,.,,.......

—г— -г—г—г—К Г----- . 7 ^-ГГГ-^М'."-' »^питетк^тт ч Т"?Т~ПГ-7ГЛТГ"*1

> Гц-ТГГуЬ^ГГУ'^^Г^Г

' I  Л  , . т  ,

.г»- ? *

4С\п

С

^^пс-- -—-О-—------•

Рис. 6. Разрез получен на участке развития карста, ул. Тухачевского, 17, Внизу разрез на волнах 8, отражает строение юры и карбона, вверху - разрез на волнах Р, отображает строение УГВ

88 9* 100 1 06 Ц2 11,8 12Ь К-0 Т*

Рис. 7. Разрез, зафиксировавший карстовую воронку в кровле карбонатов (горизонт "С" в интервале пк 0 26). Болотная улица

На рис.5 представлен разрез, полученный на 3-ей Хорошевской улице, где в результате образования карстовой воронки на поверхности земли были разрушены 2 дома (рис.5,а). В нижней части рис.5 показан разрез на S волнах, отобразивший наличие провала диаметром 35 - 40м.; выше на волнах Р, как отмечалось, прослежен уровень грунтовых вод ( УГВ ) с характерной депрессионной воронкой над провалом. На рис. 5,а приведен график развития карстово-суффозионной воронки в районе домов

4/2010 ВЕСТНИК

1,2. Проседание поверхности земли достигло 2м за время, меньшее 2-х месяцев, а наиболее интенсивное погружение происходило в течение 12 дней.

Аналогичный пример приведен на рис.6. Профиль расположен около д.17 по ул. Тухачевского, вблизи которого образовался открытый провал. На разрезе также фиксируются все 3 атрибута активного карстово-суффозионного процесса: депрессионная воронка по УГВ, разрыв сплошности водоупора - юрских глин, аномальная зона (карстовая полость) в известняках карбона.

Еще один пример разрезов III типа приведен на рис.7. Разрез получен на Болотной улице; четко видна аномалия записи горизонта "C" в левой части профиля, которая связана с карстовой полостью в известняках карбона (аварийный дом здесь был частично разобран).

Таким образом, по взаимосвязанной структуре УГВ, водоупора и карста, прослеженных на одном и том же разрезе, может быть сделан вполне обоснованный вывод о происходящем в данном месте активном суффозионном процессе.

Интенсивность процесса суффозии, по-видимому, может быть оценена по амплитуде "прогибания" депрессионной воронки, а динамика процесса во времени - по серии повторных наблюдений.

Высокая потенциальная опасность карстово-суффозионных процессов, наряду со сравнительно несложной, экологически "чистой", методикой их обнаружения и классификации, делает, по нашему мнению, необходимым включение этих работ в обязательный комплекс геолого-геофизических изысканий под строительство.

Литература

1. Бродов Л.Ю., Гинодман А.Г., Худобина Л.Н Рекомендации по применению метода поперечных волн при разведке платформенных структур. ВНИИГеофизика,1968.

2. Гинодман А.Г., Голосов В.П., Гранит Б.А., Гурова Е.А. Обнаружение карста и сопряженных с ним суффозионных процессов в условиях Москвы и Московского региона методом сейсморазведки. Геофизика, ЕАГО, 2009

3. Горяинов Н.Н, Ляховицкий Ф.М. Сейсмические методы в инженерной геологии. М., Недра, 1979

4. Ляховицкий Ф.М., Хмелевский В.К., Ященко З.Г. Инженерная геофизика //М. Недра,

1967

5. Пузырев H.H. Поперечные и обменные волны в сейсморазведке.//М.,Недра, 1967

6. Седов Б.М. Сейсмические исследования в районах многолетней мерзлоты.// М. Наука,

1988

Ключевые слова: геофизика, сейсморазведка, поперечные волны, отраженные волны, лучевая схема, кинематические поправки, сейсмогеологический разрез, карст, карстовые полости.

Keywords: geophysics, seismic prospecting, the cross-section waves, the reflected waves, the beam scheme, kinematic amendments, a seismogeological cut, a karst, karstic cavities.

Александр Георгиевич Гинодман e-mail: alexgeo31@mail.ru, телефон: 8-915-145-76-77

Борис Александрович Гранит e-mail: granit boris@yandex.ru, телефон: 8-916-615-30-76

Статья представлена Редакционным Советом «Вестника МГСУ»