СПОСОБ РЕЗОНАНСНО-СКОРОСТНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
PROCEDURE FOR RESONANCE-RAPID SEISMIC PROSPECTING

Изобретение относится к сейсмическим методам исследования массива грунтов (горных пород), а именно к методам определения структурного строения и скоростной характеристики массива.
Технический результат данного изобретения выражается:
- в повышении разрешающей способности (детальности) и надежности выделения структурных элементов в массиве горных пород;
- в повышении точности определения скоростных характеристик исследуемого массива горных пород сложного структурного строения;
- в повышении достоверности и информационной ценности (доля полезной информации в ее общем объеме) результатов наблюдений.
Известен способ сейсмической разведки (1), включающий возбуждение сейсмических колебаний искусственными источниками, регистрацию сигналов сейсмоприемниками, распределенными на поверхности, и использование полученных сейсмограмм для извлечения информации о строении исследуемой среды.
Недостатком способа является то, что он ориентирован главным образом на прослеживание в среде границ между геологическими объектами и выявление крупномасштабных неоднородностей при невысокой разрешающей способности. Следствием этого является низкая точность определения структурного строения и скоростных характеристик массива пород сложного геологического и вещественного строения.
Известен способ (2) - профилирование методом многоканального анализа поверхностных волн (MASW - multi-channel analysis of surface wave), при котором источником, расположенным вблизи поверхности, возбуждаются два типа сейсмических волн, объемные и поверхностные, которые регистрируются многоканальными сейсмостанциями и сейсмоприемниками, при обработке для каждой сейсмограммы рассчитывается набор значений фазовых скоростей, затем результирующая дисперсионная кривая зависимости фазовой скорости от частоты инвертируется (inversion), и производится автоматический подбор методом наименьших квадратов модели среды, удовлетворяющей условию совпадения зарегистрированных данных и решения прямой задачи для набора задаваемых параметров, а в результате обработки получают вертикальный профиль значений скорости поперечных волн, причем для обеспечения большей глубинности исследований в качестве сейсмоприемников использованы низкочастотные сейсмоприемники, а регистрация данных MASW в поле производится методом многократных перекрытий.
Недостатком известного способа является то, что инвертирование данных производится с учетом заданного значения коэффициента Пуассона или с использованием значений параметров плотности и скорости, полученных другими методами (например, скорость продольных волн может быть определена методом преломленных волн). Следствием этого является низкая точность определения структурного строения и скоростных характеристик массива пород сложного геологического и вещественного строения.
Известен способ (3) определения структуры (геометрии) залегания горных пород (способ резонансно-акустического профилирования - РАП), заключающийся в ударном воздействии на поверхность почвы и приеме возбужденных этим ударным воздействием собственных затухающих колебаний от объектов горных пород, при этом в толщах горных пород возникают колебания, частота которых обратно пропорциональна мощности колеблющегося «слоя» - резонатора, причем четкость проявления границ между слоями-резонаторами определяется возможностью взаимного "проскальзывания" соседних слоев при наличии в исследуемом массиве сдвигового упругого процесса, т.е. степенью "ослабленности" контакта между слоями.
Недостатком известного способа является невозможность определения скоростных характеристик исследуемого массива грунтов (горных пород) и, как следствие, снижение точности определения структурного строения массива пород сложного геологического и вещественного строения.
Известен способ (4) определения структуры (геометрии) залегания горных пород методами сейсморазведки, основанный на выявлении особенностей распространения упругих волн в грунтах, построение по этим данным годографов (путей прохождения звуковых волн при отражении и преломлении от границ геологических объектов) и расчета по ним косвенных параметров, характеризующих структуру и литологию массива горных пород.
Недостатками известного способа являются низкая точность определения структурного строения и скоростных характеристик массива пород сложного геологического и вещественного строения.
Целью настоящего предлагаемого изобретения является повышение точности определения структурного строения и скоростных характеристик массива пород сложного геологического и вещественного строения.
Для достижения поставленной цели в способе сейсмической разведки, включающем организацию профиля исследования с пикетами возбуждения и регистрации сейсмических сигналов, оценку динамических и кинематических характеристик зарегистрированных сигналов, определение структурного строения, скоростных характеристик, физических, физико-механических и геомеханических свойств грунтов (горных пород), возбуждение и регистрацию осуществляют в одном совмещенном пункте, возбуждение осуществляют ударом ограниченной силы, достаточной для начального возбуждения коллективного синхронного колебания атомов в узлах кристаллических решеток минералов, входящих в состав грунтов (горных пород) с частотой, как минимум, 25000 Гц, с момента возбуждения непрерывно измеряют и регистрируют во времени системно изменяющуюся до величины 0,1 Гц частоту начального возбуждения колебания атомов, изменяющуюся энергию снижающейся частоты начального возбуждения атомов, по результатам обработки данных измерений выделяют значения частот, амплитуды которых отображают наличие структурных (вещественных) или иных, представляющих интерес для исследования границ в массиве пород, время изменения начальной частоты возбуждения до значений выделенных частот, время изменения (снижения) любой выделенной частоты до частоты, определяемой детальностью исследования, время затухания колебаний массива горных пород в диапазоне частот или на отдельной частоте, представляющих интерес для исследования, используя полученные количественные и качественные данные, общепринятые и специфические, установленные расчетным и (или) экспериментальным путем аналитические зависимости, определяют глубину выделения структурных и (или) иных границ геологических и (или) иных объектов, в каждой (или в выбранной) точке профиля строят вертикальный годограф до необходимой глубины, определяют скорости распространения колебаний, физические, физико-механические, геомеханические свойства массива грунтов (горных пород).
Существенные признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа в известных технических решениях не обнаружены. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение обладает существенными отличиями.
Известный способ сейсморазведки по прототипу (4) обладает низкими техническими характеристиками за счет:
1. Наличия в информационном сейсмосигнале многократно отраженных, многократно преломленных, рефрагированных и др. волн, затрудняющих выделение полезного сигнала.
2. Скорость по годографу в методах однократно преломленных и отраженных волн определяется, основываясь на том, что отражающая граница плоская, горизонтальная, и покрывающая ее толща не имеет ни горизонтального, ни вертикального градиента скорости. В природе такого практически не бывает.
3. Суммирование, применяемое в методе общей глубинной точки (МОГТ), имеет низкую эффективность подавления случайных и регулярных помех за счет статистики в интервале «малых» глубин.
4. Разрешающая способность методов преломленных волн (МПВ) и МОГТ при выделении структурных границ, тектонических нарушений, карстов зависит от геоморфологических, геологических особенностей района исследований, физических свойств пород, используемых частот, размеров измерительной установки.
5. Методы МПВ и МОГТ являются интегральными, что определяет получение в значительной степени осредненных данных на изучаемой площади.
6. Значительные энергетические затраты на производство исследований, увеличивающиеся с увеличением глубины изучаемого массива горных пород.
2
2
Способ сейсморазведки осуществляют следующим образом. Над исследуемым массивом грунтов (горных пород) размечают профиль, каждая точка которого представляет собой совмещенный пункт возбуждения и регистрации сейсмоколебаний. В начальную точку профиля устанавливают сейсмоприемник вертикально направленной регистрации колебаний. На минимальном расстоянии от сейсмоприемника по грунту (породе, почве) наносят узкоимпульсный (продолжительность удара возбуждения 0,001 сек), сфокусированный (площадь удара не более 0,0028 м) удар ограниченной силы 2…8 Н (кг*м/сек), достаточной для возбуждения коллективного колебания атомов с частотой, как минимум 25000 Гц.
Возбужденные колебания распространяются в массиве пород вовлечением в процесс колебания все большего числа атомов. Пропорционально количеству вовлекаемых в колебания атомов изменяется частота данных колебаний. Пределы изменения от 25000 Гц (как минимум) до 0,1 Гц. Распространяются данные колебания в массиве пород, с сохранением максимальной информационной ценности, до глубины 80…100 м, в отдельных случаях до глубины 200 м. Распространение колебаний на данные глубины определяется минимальными потерями на трение за счет максимального высвобождения энергии упругой связи (оптимальная сила удара) и использования коллективной энергии колебаний увеличивающегося числа атомов для вовлечения в колебания новых атомов, находящихся в граничном слое. При изменении в данном слое вещественного состава, изменении системной связи между атомами на границах геологических объектов, а также на границах структурных нарушений изменяются амплитуда (энергия), фаза колебаний.
Все происходящие с момента возбуждения количественные и качественные изменения частоты, амплитуды, фазы амплитудно-частотного спектра колебаний в диапазоне, как минимум, от 25000 Гц до 0,1 Гц непрерывно регистрируют в режиме реального времени. В связи с наличием трения и потерь энергии на границах геологических объектов, структурных нарушений - характер процесса распространения колебаний затухающий.
Процесс повторяется в каждой точке профиля.
По результатам количественной и качественной обработки зарегистрированных в режиме реального времени изменяющихся частоты, амплитуды, фазы амплитудно-частотного спектра в каждой точке профиля выделяют структурные (литологические) границы, определяют однородность вещественного состава в выделенных границах массива горных пород до необходимой глубины изучения в пределах от ноля до 100…200 м. По результатам разделения во времени, с необходимой дискретностью частотного распределения колебаний в каждой точке профиля строят вертикальный годограф до необходимой глубины (в пределах от ноля до 100…200 м) и определяют скорости распространения колебаний.
Обрабатывая в комплексе, таким образом, полученные данные, по всем точкам профиля определяют структурные (литологические) границы, однородность вещественного состава в выделенных границах, скоростные характеристики исследуемого массива горных пород.
Способ на практике реализуют, например, следующим образом.
На поверхности исследуемого массива размечают профиль, например, длиной 50 м, с количеством точек исследования 51, т.е. расстояние между точками (шаг исследования) 1 м. Особенностью профиля является то, что каждая точка представляет собой совмещенный пикет возбуждения и регистрации колебаний. В первой точке устанавливается сейсмоприемник. Особенностями сейсмоприемника являются:
1. Диаграмма зоны максимальной чувствительности к колебаниям грунта (горной породы) должна иметь максимально узкую вертикальную направленность.
2. Сейсмоприемник не должен иметь собственной частоты колебаний в диапазоне регистрируемых частот.
3. Приемник должен прижиматься к грунту (горной породе) грузом весом не менее 2 кг.
Приемник с такими характеристиками может быть выполнен, например, на основе тонкой (не более 100 микрон толщины) полимерной пьезопленки, типа Ф-2МЭО, в корпусе из оргстекла.
Приемник устанавливают вертикально (по отвесу) или под необходимым углом к поверхности грунта (горной породы).
После установки приемника и подготовки аппаратуры для непрерывной регистрации изменения с глубиной и во времени кинематических и динамических характеристик процесса возбуждения и распространения колебаний, по поверхности грунта (породы), рядом с сейсмоприемником, производят удар. Таким образом, производят совмещение пикетов возбуждения и регистрации колебаний. Силу удара регистрируют специальным устройством. Общие характеристики удара приведены в таблице.
Таблица
Примерные технические характеристики ударного воздействия
Численная величина
Высота, с которой наносится удар ударником, м
0,5
Продолжительность удара возбуждения, сек
0,001
Скорость первоначальная ударника, Vн м/сек
0
Скорость конечная ударника (у грунта, свободное падение ударника), Vк м/сек
3,13
Скорость конечная ударника (у грунта, удвоенное ускорение ударника), Vк м/сек
6,26
Масса ударника, кг (m=p/g)=3 кг/9,8 м/сек<sup>2</sup>
0,306
Ускорение ударника (свободное падение), м/сек<sup>2 </sup>(1*g) - вариант 1
9,8
Ускорение ударника (удвоение ускорение), м/сек<sup>2</sup> (2*g) - вариант 2
19,6
Сила удара ударника по грунту (вариант 1), Н (кг*м/сек<sup>2</sup>) (F=m*a)
3
Сила удара ударника по грунту (вариант 2), Н (кг*м/сек<sup>2</sup>) (F=m*a)
6
При таком ударе, непосредственно в зоне контакта поверхности ударника с грунтом (горной породой) происходит синхронный выход из состояния теплового равновесия атомов в узлах кристаллических решеток в количестве, в пересчете на массу вещества, обеспечивающем коллективную синхронную частоту колебаний как минимум 25000 Гц. Возникшее коллективное синхронное колебание вовлекает в развитие синхронного колебательного процесса находящиеся в граничном с возбужденными атомами слое атомы, находящиеся в состоянии теплового равновесия и микросейсмических колебаний. Следствием вовлечения в колебательный процесс нового количества атомов является увеличение числа колеблющихся атомов, изменение (уменьшение) частоты коллективного колебания атомов, перераспределение (изменение) энергии коллективно колеблющихся атомов. Баланс приобретенной энергии и потерянной на трение положительный, т.е. энергии коллективно колеблющихся атомов достаточно для вовлечения в колебательный процесс нового количества атомов, находящихся в граничном слое. Процесс распространяется, как минимум, до глубины 100…200 м. Распространению колебаний на такие глубины способствует также то, что вовлекаемый в колебания граничный слой атомов увеличивает атомную массу, уже находящуюся в состоянии колебания, на величину, незначительно изменяющую частоту собственных колебаний толщи горных пород, в границах которой в текущий момент времени происходит приращение количества возбужденных атомных структур. Данный эффект похож на эффект резонанса, но имеет отличие: здесь нет совпадения частоты собственных колебаний (система уже должна колебаться) с частотой колебания внешнего источника. В связи с этим можно говорить о данном эффекте как об эффекте возбуждения в граничном слое колебаний на частоте, близкой (но не равной) к собственной (резонансной).
Физическая модель способа складывается из следующих процессов:
0
1. Возбуждение атомов ударным воздействием. Количество возбужденных атомов - А.
1
0
1
1
2. Присоединение (вовлечение) возбужденных в граничном слое атомов ΔA к уже колеблющейся массе атомов (А+ΔA). Количество возбужденных в граничном слое атомов (ΔА) по условию возбуждения значительно меньше количества атомов, находящихся в возбужденном состоянии (Ai). Определяется это тем, что толщина граничного слоя представляет собой расстояние между атомами в узлах кристаллической решетки. Граничный слой можно идентифицировать как волновой фронт.
3. В процессе удаления волнового фронта от точки ударного возбуждения количество возбужденных и находящихся в состоянии синхронного колебательного процесса атомов увеличивается и в каждый момент времени ti может быть представлено как:
t0
t1
t2
t3
ti
4. Неразрывно с вовлечением (увеличением количества колеблющихся атомов) идет уменьшение частоты колебаний (F≥F≥F≥F≥………F).
Данный процесс в силу своей особенности может быть представлен как эффект саморегулирования системной связи - количество возбужденных атомов - частота колебаний. Изменение частоты колебаний в каждый момент времени незначительно, так как определяется малой величиной толщины граничного слоя. Практически можно говорить, что возбуждение колебаний атомов в граничном слое происходит на частоте, близкой к частоте собственных колебаний атомов, уже находящихся в состоянии коллективного синхронного колебательного процесса. Такой процесс близок к эффекту резонансного возбуждения и идет с минимальными потерями энергии.
ti
ti
5. Процесс изменения частоты колебаний (перехода колебаний массива пород от частоты возбуждения на более низкую частоту) начинается от вовлекаемого в колебательный процесс граничного слоя и распространяется к точке возбуждения (к сейсмоприемнику) с определенной скоростью VA, которая определяет время интегральной «обратной» реакции массива пород (время перехода колебаний массива пород от частоты возбуждения на более низкую частоту). Практически сохраняющаяся постоянная величина граничного слоя определяет возможность постоянства скорости VA.
6. Процесс распространения возбуждения атомов в граничном слое происходит с различной скоростью в зависимости от расстояния между атомами (плотность среды, контактная граница геологических и иных объектов), пространственного положения узлов кристаллических решеток, степени «жесткости» связи между атомами. Различная скорость определяет различное время изменения частоты колебаний массива пород в выбранном частотном диапазоне.
7. При вовлечении в колебательный процесс атомов геологических объектов с различным вещественным составом, с различными физическими и физико-механическими свойствами (например, границы геологических объектов), вследствие изменяющихся расстояний между атомами, пространственного положения узлов кристаллических решеток, степени «жесткости» связи между атомами и др. изменяется энергия возбуждения граничного слоя (энергия ВГС), что находит отражение в амплитуде соответствующей частоты колебаний. Также происходит изменение фазы колебаний, плотности спектра.
Два связанных между собой эффекта возбуждения колебаний: близкий к резонансному и скоростной могут быть определены под общим названием-«эффект резонансно-скоростного возбуждения».
Все процессы, включая процесс возбуждения колебаний, записывают аппаратурой в режиме реального времени. После полного затухания (прекращения) колебаний грунта (горной породы) в точке расположения сейсмоприемника запись прекращается. Затем описанные процессы установки сейсмоприемника, возбуждения и регистрации колебаний повторяют в каждой точке профиля.
По результатам обработки полученных в каждой точке записей определяют:
- расположение вертикально по глубине границ геологических объектов, интервалов изменения вещественного состава;
- изменение вертикально по глубине времени распространения колебательного процесса.
По результатам определения времени распространения колебательного процесса вертикально по глубине рассчитывают скорости распространения колебаний в массиве грунтов (горных пород).
По результатам обработки всех точек профиля:
- выделяют пространственные границы геологических объектов, изменения вещественного состава, тектонических нарушений, карстов и др.;
- строят скоростной разрез;
- определяют физико-механические, геомеханические свойства грунтов (горных пород).
ti
За основу определения вертикально по глубине границ геологических объектов принимается установленная связь Fi=K*1/Hi: где Fi (Гц) - частота колебаний, динамические характеристики спектра которой определяют наличие границы, Hi (м) - глубина выделения границы, K - коэффициент пропорциональности. Физический смысл коэффициента K - VA. Определяется данный коэффициент эмпирическим путем, например по результатам анализа и обобщения сравнительных результатов, полученных данным способом и бурением скважин.
Время распространения ti колебательного процесса до выбранной границы Hi (м) определяют измерением времени появления в частотном спектре, соответствующей выбранной границе, частоты Fi.
Скорость распространения колебаний (Vi) в массиве грунтов (горных пород) до выбранной границы Hi определяют из выражения: Vi=Hi/ti.
Предложенный способ позволяет повысить разрешающую способность (детальность) и надежность (достоверность) выделения структурных элементов в массиве горных пород, повысить детальность и точность определения скоростных характеристик массива грунтов (горных пород). Достигается это за счет особенностей процессов возбуждения, распространения и регистрации колебаний, описанных выше. Данные особенности обеспечивают:
- отсутствие в информационном сейсмосигнале многократно отраженных, многократно преломленных, рефрагированных и др. волн, затрудняющих выделение полезного сигнала и значительно снижающих объем полезной информации;
- отсутствие влияния на определение скорости распространения колебаний угла наклона границ геологических объектов;
- отсутствие влияния геоморфологических, геологических особенностей района исследований, физических свойств пород на разрешающую способность выделения структурных границ, тектонических нарушений, карстов;
- выполнение исследований точечно-вертикальным способом в отличие от существующих способов, определяющих выполнение исследований пространственно-вертикальным (интегральным) способом.
Предложенный способ позволяет снизить энергетические затраты на производство исследований за счет значительного снижения силы удара возбуждения колебаний. В сравнении с известными способами сейсмической разведки (МПВ и МОГТ) для получения одинаковой информационной глубинности, сила механического удара возбуждения в предложенном способе снижена в 100 раз, а при возбуждении колебаний в известных способах взрывами можно говорить о снижении энергетических затрат (для получения одинаковой информационной глубинности) в десятки тысяч раз.
Значительное снижение силы удара возбуждения колебаний позволяет определить общее название способа - метод слабых сейсмических полей (МССП). Наличие в системных характеристиках способа эффекта резонанса (близости к эффекту резонанса) и отражение в характеристиках способа кинематических свойств грунтов (горных пород) определяют вариант частного названия способа - метод слабых сейсмических полей - резонансно-скоростной (МССП-РС).
п
Экономический эффект от внедрения предложенного способа заключается в повышении достоверности и информационной ценности результатов наблюдений. Коэффициент информационной ценности I (доля полезной информации в ее общем объеме) практически равен единице. Повышение достоверности и информационной ценности результатов наблюдений позволяют решать ряд инженерно-геологических задач без привлечения дополнительных способов (методов) (5). Такими задачами могут быть, например: определение глубины залегания и формы локальных неоднородностей, выделение зон трещиноватости, тектонических нарушений, карстов. Финансовые и трудовые затраты для решения данных задач предлагаемым способом могут быть снижены в 2-3 раза по сравнению с применяемым в настоящее время комплексом геофизических исследований.
Источники информации
1. В.И.Мешбей, Сейсморазведка методом общей глубинной точки, Москва, "Недра", 1973, 152 с.
2. О.Н.Ковин, Н.Андерсон, Т.Титимакорн, Университет Миссури-Ролла. 2-D многоканальный анализ поверхностных волн - эффективный метод изучения скоростей верхней части разреза. Журнал «Горное эхо».
3. Резонансно-акустическое профилирование (РАП) 0001-0000. http://geoget.ru/content/view/115/280/
4. Инженерные изыскания для строительства. Технические требования к производству геофизических работ. Сейсморазведка. РСН 66-87.
5. Кашик А.С. Об информационной достаточности измерений в прикладной геофизике, журнал «Геофизика» №4, 2007 г.