Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможности сейсмоакустических методов изучения геологического разреза на мелководных акваториях 9
Глава 2. Сейсмические критерии идентификации геокриологических границ 19
Глава 3. Технологическое оборудование для проведения донных сейсмических исследований на предельном мелководье 33
3.1. Оборудование для возбуждения сейсмических колебаний 35
3.2. Оборудование для регистрации сейсмических колебаний 43
Глава 4. Закономерности структуры волнового поля на предельном мелководье Арктики и прибрежных участках суши 50
4.1. Прибрежные участки суши 53
4.2. Предельное мелководье Арктики 59
Глава 5. Методика донных сейсмических исследований инженерно-геокриологических условий на предельном мелководье Арктики и примеры ее применения 76
5.1. Методика исследований 76
5.2. Примеры применения методики 80
Выводы 97
Список литературы 100
- Сейсмические критерии идентификации геокриологических границ
- Оборудование для регистрации сейсмических колебаний
- Предельное мелководье Арктики
- Примеры применения методики
Введение к работе
Актуальность работы.
В связи с необходимостью решения задач нефтегазовой отрасли, в последние годы вырос интерес к изучению геологического строения в пределах мелководных акваторий, особенно в криолитозоне.
Одной из них является инженерно-геокриологическое и инженерно-геологическое обеспечение строительства и функционирования инфраструктуры месторождений углеводородного сырья на мелководной части шельфа арктических морей. При освоении этих месторождений и их разработке возникает необходимость строительства крупных инженерных объектов – морских портов, терминалов, наземных и подводных трубопроводов и др., – расположенных в береговой зоне арктических морей. Для обеспечения оптимальных инженерных решений при проектировании и строительстве подобных сооружений, а также их безопасной эксплуатации, необходимы сведения об особенностях и пространственно-временной изменчивости инженерно-геокриологических условий в мелководной части шельфа арктических морей и прилегающих участках суши. При проектировании и строительстве трубопроводов, различных промышленных и гражданских объектов, решении задач их водоснабжения, нередко возникает потребность получения сведений об инженерно-геокриологических условиях на иных мелководных акваториях – озерах, реках и др.
Необходимость решения подобных задач на мелководных акваториях существует и за пределами криолитозоны, например, при проектировании речных переходов трубопроводов, мостов и других инженерных сооружений.
В настоящее время существуют сейсмические и акустические методы изучения геологического разреза на мелководных акваториях, однако их применение невозможно или ограничено с точки зрения технологии проведения работ и решения инженерно-геологических задач. Технологий, которые позволяют изучать геологическое строение первых метров-десятков метров при глубинах акватории менее 2-3 метров с использованием различных типов и классов волн, обеспечивающих получение сопоставимых сейсмических данных для решения инженерно-геокриологических задач при переходе от суши к морю в настоящее время не существует.
Актуальность работы определяется практической необходимостью изучения инженерно-геокриологических условий на предельном мелководье в криолитозоне и создания технологий для решения этой задачи
Цель работы – разработка методики донных сейсмических исследований изучения инженерно-геокриологических условий на предельном мелководье Арктики.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Определить возможности и недостатки сейсмоакустических методов для изучения геологического и геокриологического разреза в пределах мелководных акваторий.
-
Установить и оценить возможности сейсмических критериев идентификации геокриологических границ.
-
Разработать технологическое оборудование для проведения донных сейсмических исследований в пределах мелководных акваторий.
-
Изучить структуру волнового поля на предельном мелководье Арктики и прибрежных участках суши.
-
Разработать методику донных сейсмических исследований на предельном мелководье Арктики и опробовать ее в различных геокриологических и инженерно-геологических условиях.
Научная новизна.
-
Впервые предложено использовать коэффициент Пуассона в качестве дополнительного критерия идентификации геокриологических границ в массивах водонасыщенных песчано-глинистых пород. Экспериментально установлено, что при величине коэффициента Пуассона 0,46 и более породы, независимо от их состава, температуры и минерализации, находятся в талом состоянии, при значениях 0,45 и менее – в мерзлом. Интервал величины коэффициента Пуассона 0,45-0,46 – граничный между мерзлым и талым состоянием пород. Использование коэффициента Пуассона наиболее эффективно при идентификации геокриологических границ в глинистых породах, находящихся в пластичномерзлом состоянии.
-
Разработано и сконструировано технологическое оборудование для возбуждения и регистрации упругих колебаний при проведении донных сейсмических исследований на мелководных акваториях, которое, в отличие от существующего в настоящее время оборудования, позволяет одновременно возбуждать и регистрировать продольные и поперечные SH-волны, и работать в том же частотном диапазоне, что и при наземных сейсмических исследованиях. Использование волн различных типов обеспечивает возможность не только повышения достоверности изучения строения инженерно-геокриологического разреза, но и оценки состояния пород – мерзлое или талое.
-
В полевых условиях экспериментально изучены неизвестные ранее закономерности структуры волнового поля продольных и поперечных SH-волн на мелководных акваториях и прибрежных участках суши. Доказано, что эффективное использование продольных волн возможно в условиях, когда талые породы находятся в состоянии полного водонасыщения. Использование продольных волн затруднено или невозможно в случае присутствия в верхней, талой части разреза неводонасыщенных пород и приоритет при изучении геокриологического разреза в этих условиях имеют поперечные SH-волны.
-
Выявленные закономерности структуры волнового поля позволили разработать на базе созданного сейсмического оборудования методику донных сейсмических исследований на предельном мелководье Арктики. Впервые при проведении сейсмических исследований на акваториях реализована возможность совместного использования продольных и поперечных SH-волн – преломленных и отраженных, что обеспечивает надежную идентификацию геокриологических границ, высокую достоверность определения их конфигурации в разрезе и возможность оценки мерзлого состояния пород.
Личный вклад автора.
Работа написана на основании экспериментальных данных, полученных лично автором или при его непосредственном участии в период с 2005 по 2011 год в арктических экспедиционных работах в прибрежной части шельфа Баренцева и Карского морей, на восточном побережье полуострова Ямал в Обской губе и за пределами криолитозоны на речных акваториях.
Практическая значимость.
Методика донных сейсмических исследований, разработанная автором, позволяет получать достоверные данные об инженерно-геокриологических условиях на мелководных акваториях в криолитозоне с целью решения научных и прикладных задач. Эта методика может быть использована и за пределами криолиозоны для решения инженерно-геологических задач.
Эффективность и практическая возможность использования разработанной методики подтверждена положительными результатами, полученными при выполнении научно-исследовательских и хоздоговорных работ по теме «Выполнить донные сейсмические исследования с целью изучения особенностей положения кровли многолетнемерзлых пород в прибрежной части акватории на западном берегу Обской губы в районе поселка «Мыс Каменный» (Заказчик – ЗАО «ГИДЭК»), а также результатами исследования речных переходов по трассе проектируемого газопровода Ухта-Торжок за пределами криолитозоны по теме «Опытно-методическое сопровождение сейсморазведочных исследований в рамках комплексных инженерно-геофизических работ по объекту «МГ Ухта-Торжок» (Заказчик – ООО ”Деко-Проект”).
Защищаемые положения.
-
Коэффициент Пуассона – дополнительный сейсмический критерий для идентификации геокриологических границ и оценки качества мерзлого состояния. Экспериментально установлено, что в водонасыщенных песчано-глинистых породах интервал значений коэффициента Пуассона 0,45-0,46 – переходный между мерзлым и талым состоянием. При величине коэффициента Пуассона 0,46 и более породы находятся в талом состоянии, при 0,45 и менее – в мерзлом. Использование коэффициента Пуассона особенно эффективно при идентификации геокриологических границ в глинистых пластичномерзлых породах.
-
Технологическое оборудование для возбуждения и регистрации упругих колебаний при проведении донных сейсмических исследований на мелководных акваториях, в котором впервые реализована возможность одновременного возбуждения и регистрации продольных и поперечных SH-волн, и возможность получения данных в том же частотном диапазоне, что и при наземных сейсмических исследованиях на прибрежных участках суши.
-
Закономерности структуры волнового поля продольных и поперечных SH-волн на предельном мелководье Арктики и прибрежных участках суши, позволившие установить, что при изучении строения геокриологического разреза возможности продольных волн ограничены наличием в верхней части разреза талых неводонасыщенных пород, а применение поперечных SH-волн – отраженных и преломленных обеспечивает надежное выделение геокриологических границ на предельном мелководье.
-
Методика донных сейсмических исследований инженерно-геологических условий на предельном мелководье Арктики, физическим обоснованием которой служат результаты многолетних экспериментальных исследований по изучению структуры волнового поля на мелководных акваториях и прибрежных участках суши. Практическая реализация методики выполнена на базе разработанного технологического оборудования для одновременного возбуждения и регистрации продольных и поперечных SH-волн. Методика обеспечивает изучение компонентов геологической среды, определяющих инженерно-геокриологические условия, – криогенного строения пород, условий их залегания, состояния пород, упругие свойства, условий залегания подземных вод.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 в журналах «Криосфера Земли», «Геология и геофизика» из Перечня ВАК.
Апробация. Основные результаты работы доложены на научных конференциях: международных практических конференциях по инженерной и рудной геофизике «Инженерная и рудная геофизика – 2007» (Геленджик, 2007), «Инженерная и рудная геофизика – 2008» (Геленджик, 2008), «Инженерная и рудная геофизика – 2009» (Геленджик, 2009), международных конференциях «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения» (Тюмень, 2006), «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007), «Вклад России в Международный Полярный год (МПГ)» (Сочи, 2008), «Санкт-Петербург-2010. К новым открытиям через интеграцию геонаук» (Санкт-Петербург, 2010), IPY Oslo Science Conference (Oslo, 2010), «Четвертая конференция геокриологов России» (Москва, 2011), «Десятая Международная конференция по мерзлотоведению (TICOP): Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире» (Салехард, 2012).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Материалы диссертации изложены на 109 страницах машинописного текста, содержат 45 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 79 источников, в том числе 13 на иностранном языке.
Благодарности. Автор глубоко благодарен своему научному руководителю, кандидату технических наук Скворцову А.Г., за неоценимую помощь на всех этапах исследований и написания работы; Цареву А.М. за постоянную поддержку, рекомендации и помощь при проведении научных работ; выражает благодарность доктору геолого-минералогических наук Фотиеву С.М. за ценные советы и помощь при написании работы; сотрудникам ИКЗ СО РАН за внимание и консультации. Автор признателен кандидату геолого-минералогических наук Малковой Г.В. и кандидату геолого-минералогических наук Дубровину В.А. за организацию научных экспедиций, в ходе которых получен материал для написания работы.
Сейсмические критерии идентификации геокриологических границ
Мерзлые породы - влагосодержащие породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние [Цытович, 1973]. Многолетнемерзлые породы (ММП) -породы, существующие в мерзлом состоянии непрерывно в течение нескольких лет.
При проведении сейсмических исследований в криолитозоне возникает необходимость идентификации сейсмических границ, ограничивающих массив многолетнемерзлых пород или расположенных в его пределах. Наличие априорной информации (в первую очередь данных бурения) в значительной степени упрощает решение этой задачи. При отсутствии опорных сведений о геокриологическом строении исследуемого разреза для определения природы обнаруженных сейсмических границ могут быть использованы различные критерии.
В настоящее время существует несколько сейсмических признаков, позволяющих осуществлять идентификацию геокриологических границ:
- значение скоростей сейсмических волн;
- наличие обменной PSP-волны при работах с помощью преломленных волн;
- динамические особенности волновой записи.
Настоящая работа посвящена разработке методики сейсмических исследований на мелководных акваториях, в пределах которых геологический разрез представлен песчано-глинистыми водонасыщенными (или близких к полному водонасыщению) породами. Поэтому далее рассматривается различие сейсмических свойств дисперсных водонасыщенных пород в талом и мерзлом состоянии.
Наиболее распространенный критерий идентификации геокриологических границ, обнаруженных при сейсмических исследованиях, основан на различии значений скоростей сейсмических волн в талых и мерзлых породах [Применение..., 1992; Воронков и др., 1996;Гершаник, 1969; Джурик, 1988; Фролов, 1998; Neave, Sellmann, 1983; Rogers, Morack,1978 и др.]. В таблице 2.1 представлены данные Горяинова Н.Н. о значениях скоростей продольных и поперечных волн в водонасыщенных песчано-глинистых породах в зависимости от их состояния (талое, мерзлое) [Применение..., 1992]. В мерзлых породах значения скоростей сейсмических волн выше, чем в талых. Возрастание скорости при переходе от талого состояния к мерзлому определяется в первую очередь дисперсностью пород. В крупнодисперсных породах скорость сейсмических волн при переходе от талого состояния к мерзлому увеличивается значительно больше, чем в тонкодисперсных.
На рис. 2.1 на основании данных, приведенных в работах Воронкова O.K., Горяинова Н.Н. и Фролова А.Д., показаны диапазоны значений скоростей продольных и поперечных волн для в мерзлых и талых водонасыщенных песчано-глинистых пород [Применение..., 1992; Воронков, 2009;Фролов, 1998].
Из рисунка следует, что диапазоны значений скоростей сейсмических волн в талых и мерзлых породах перекрывают друг друга. Таким образом, идентификация геокриологических границ по значениям скоростей упругих волн может оказаться неоднозначной и даже невозможной, если они выделены в массиве глинистых пород. Принимая во внимание, что на значение скорости в мерзлых породах оказывает влияние не только дисперсность пород, но и их температура и засоленность [Воронков, 2009;Зыков, 2007, Фролов, 1998 и др.], неоднозначность идентификации мерзлых пород по значениям скорости сейсмических волн оказывается еще большей.
В большинстве случаев [Воронков, 2009; Применение..., 1992 и др.] для идентификации геокриологических границ используют значения скоростей продольных волн, хотя для поперечных волн интервал перекрытия их значений заметно меньше. Это дает основание автору утверждать, что использование значений скоростей поперечных волн позволяет более надежно идентифицировать геокриологические границы.
Анализ литературных данных позволил автору сделать вывод, что идентификация мерзлых песчано-глинистых пород по значениям скоростей сейсмических волн без привлечения априорной информации (состав грунтов, их засоленность и температура) не всегда возможна.
Одна из основных границ в геокриологическом разрезе, определяемая с помощью геофизических методов - кровля ММП. Критерий, позволяющий идентифицировать ее на сейсмической записи - присутствие в структуре поля продольных волн, обменной волны PSP [Применение..., 1992 и др.], которая по интенсивности заметно превосходит продольную преломленную волну (рис. 2.2).
Трпр ммп - продольная волна, преломленная на кровле ММП; Tpspnp ммп - обменная волна, преломленная на кровле ММП.
Однако интенсивные обменные волны формируются, как правило, на контрастных сейсмических границах. Эти условия выполняются, когда кровля ММП расположена в песчано-супесчаных породах. В случае, когда ММП являются пластичномерзлыми (преимущественно глинистые высокотемпературные и/или сильнозасоленные породы), скоростная контрастность кровли
ММП оказывается не столь большой и прослеживание в структуре волнового поля продольных волн обменной PSP-волны затруднено или невозможно (рис. 2.3).
В этом случае обменная PSP-волна на сейсмической записи в явном виде не прослеживается, а продольная волна, преломленная на кровле глинистых засоленных пород, имеет скорость 1800 м/с, что не позволяет однозначно идентифицировать ее как волну, связанную с кровлей ММП.
Анализ литературных данных и данных, полученных в ходе выполнения настоящей работы, показывает, что рассмотренные выше сейсмические критерии не могут быть использованы для однозначной идентификации геокриологических границ, особенно если они расположены в массиве глинистых пород.
Оборудование для регистрации сейсмических колебаний
Одним из основных условий при разработке донного регистрирующего устройства являлось необходимость получения сопоставимых (по частотным и динамическим характеристикам) сейсмических данных в пределах акваторий и прибрежных участках суши. С этой целью за основу были взяты вертикальные и горизонтальные сейсмоприемники GS20-DX («OYO Geospace Company», Хьюстон, США) с центральной частотой 10 Гц, которые серийно выпускаются в России и используются при проведении наземных сейсмических исследований.
Стандартная конструкция корпусов этих сейсмоприемников затрудняет их использование на акваториях. При глубине акватории более 0,2-0,3 метра возникают трудности при их установке и перемещении вдоль профиля. Дополнительным недостатком этих сейсмоприемников является их негерметичность.
При разработке донного регистрирующего устройства соблюдались следующие условия:
- возможность одновременной регистрации продольных и поперечных SH-волн;
- возможность удобной и надежной установки и перемещения донного устройства вдоль профиля.
В процессе исследований было изготовлено и опробовано несколько вариантов донного регистрирующего устройства (рис.3.8). Во всех устройствах размещались вертикальный и горизонтальный сеисмоприемники. Их наличие в устройстве позволяет одновременно регистрировать продольные и поперечные SH-ВОЛНЫ.
Конструкция донного регистрирующего устройства представляет собой следующее:
- корпус треугольной или ромбовидной формы со сторонами 18-20 см со свинцовой пластиной на дне. Ее наличие в устройстве обеспечивает смещение центра тяжести всей конструкции. Это позволяет легко и надежно размещать регистрирующее устройство на дне акваторий с глубинами не менее 3 метров, обеспечивать надежный контакт с грунтом, сохранять пространственную ориентацию регистрирующего устройства при перемещении по дну и преодолевать локальные препятствия (камни, неоднородности на дне и пр.) при перемещении вдоль профиля.
- в корпусе размещены и жестко закреплены два дополнительно загерметизированных сейсмоприемника GS-20DX (вертикальный и горизонтальный) для регистрации продольных и поперечных SH-волн по схемам Z-Z и Y-Y.
- приемная линия длиной до 300 метров, обеспечивает связь с сейсмо-станцией и является одновременно тросом для перемещения устройства по дну акватории.
Для оценки возможности увеличения разрешающей способности сейсмической записи в одном из вариантов донного регистрирующего устройства одновременно с сейсмоприемниками GS-20DX располагались сейсмоприем-ники DF-7 (Польша) с центральной частотой 32 Гц.
На рис. 3.9 и рис. 3.10 приведены волновые записи продольных и поперечных SH-волн, зарегистрированные донным устройством с использованием сейсмоприемников GS20-DX, и DF-7. Результаты получены в мелководной части акватории Обской губы.
Анализ сейсмических записей показывает, что частотный спектр продольных волн, зарегистрированных двумя типами сейсмоприемников, практически одинаков - преобладающая частота равна 110-120 Гц. В случае поперечных SH-волн преобладающие частоты сейсмических записей отличаются. При использовании сейсмоприемника GS20-DX преобладающая частота сейсмических колебаний равна 37 Гц, а сейсмоприемника DF-7 - 45 Гц. В результате этого заметно повысилась разрешенность сейсмической записи. Это обстоятельство является очень важным, поскольку, как будет показано в главе 4, отраженные поперечные SH-волны являются важным инструментом при изучении геокриологического разреза на мелководных акваториях.
Анализ преимуществ и недостатков использования сейсмоприемников различных типов для проведения донных исследований позволил сделать окончательный выбор в пользу использования в донном регистрирующем устройстве сейсмоприемников GS-20DX.
Для оценки качества сейсмических записей, полученных с помощью разработанного донного регистрирующего устройства, выполнен их сравнительный анализ с записями, полученными с помощью наземной сейсмической косы и сейсмоприемников GS-20DX в стандартном корпусе (рис. 3.11). По амплитудно-частотным характеристикам сейсмические записи практически идентичны. Разница в амплитуде сейсмических записей, полученных различным регистрирующим оборудованием, не превышает 5%. Частота сейсмических записей составляет 120-130 Гц для продольных волн и 30-40 Гц для поперечных SH-волн.
Таким образом, разработанное донное регистрирующее устройство не уступает по своим характеристикам стандартным сеисмоприемникам, используемым при наземных сейсмических исследованиях.
Предельное мелководье Арктики
В этом разделе рассматривается структура волнового поля продольных и поперечных SH-волн на различных участках мелководных акватории в сопоставлении с данными, полученными на суше. Геокриологические границы при переходе от суши к акватории в большинстве случаев не горизонтальны и точное определение значений скоростей упругих волн в ряде случаев затруднительно. Поэтому идентификация сейсмических волн в структуре ПОЛЯ на акваториях проводится на основании данных полученных на прибрежных частях суши.
На рис. 4.5 приведены сейсмические записи продольных волн, полученные на геокриологическом стационаре «Болванский». Профиль располагался перпендикулярно урезу воды.
При возбуждении колебаний на берегу (ПУ 4м) и на урезе воды (ПУ 16 м) структура волнового поля схожа со структурой волнового поля на пляже (рис. 4.2.А). В первых вступлениях прослеживаются прямая волна Тр, волна, преломленная на границе ЗПВ и волна Трпр , преломленная на кровле ММП. Как и на пляже, низкая скорость Тр свидетельствует о присутствии в приповерхностной части разрезе зоны неполного водонасыщения в талых породах. Разные значения t0 волны Трпр зпв, преломленной на границе ЗПВ при переходе от пляжа к акватории, свидетельствует об изменчивости мощности этой зоны в плане. Существование зоны неполного водонасыщения приводит к тому, что частотный спектр сейсмической записи относительно низкий - 110-130 Гц. На удалении 100 метров от уреза воды (ПУ 116 м) эта зона пропадает. Косвенным свидетельством этому является резкое увеличение частоты до 650 Гц и скорости прямой волны до 1550 м/с. Увеличение частотного спектра сейсмических колебаний приводит к увеличению разрешенное волновой записи , что позволяет выделять отраженные волны Тротр ММП ті отр ММП2 А гк /гг-т и Ip р от кровли ММП и предположительно от литологическои границы в толще ММП соответственно.
Стоит отметить, что в структуре поля продольных волн на этом и на других участков исследований нет кратных волн от границы вода-воздух, хотя возбуждение и прием сейсмических колебаний осуществляется в водной среде. По всей видимости, это связано с тем, что сейсмические колебания осуществлялись непосредственно по дну акваторий.
Сейсмические записи продольных волн, полученные на берегу и акватории Коровинской губы (стационар «остров Кашин») в похожих геокриологический условиях представлены на рис. 4.6.
На этом участке исследований изучена структура волнового поля исследовалась на профиле, расположенном перпендикулярно урезу воды. При этом 96 метровый отрезок профиля располагался на суше.
В структуре поля продольных волн прослеживается прямая волна Тр. Скорость ее существенно возрастает при переходе от суши к акватории - с 320 м/с до 1450 м/с. У уреза воды на ПУ 96 значение скорости прямой волны составляет 1400 м/с и практически достигает значения, соответствующего скорости в воде. Это позволяет сделать вывод, что талые породы находятся в состоянии, близком к полному водонасыщению. Однако присутствие даже небольшого количества воздуха в верхней части отложений не позволяет регистрировать высокочастотные сейсмической колебания. На берегу и в пределах акватории на удалениях примерно до 140 метров от береговой линии, в структуре поля продольных помимо прямой волны в первых вступлениях выделяются преломленные волны Трпр ммп со значением граничной скорости 3200 м/с, что соответствует кровле ММП. На больших удалениях, как и на стационаре «Болванский», когда из разреза пропадает зона неполного водо-насыщения пород, скорость прямой волны достигает 1450 м/с, а частота сейсмических колебаний увеличивается со 120 Гц до 450 Гц и появляется возможность регистрировать хорошо разрешенные отраженные продольные волны в том числе волну Тротр ммп от кровли ММП.
На суше частота сигнала составляет 110-130 Гц. При переходе к акватории она постепенно увеличивается и на удалениях около 140 метров от уреза воды (ПК 230-240) она стабилизируется. Относительно низкие значения частоты сигнала связаны, вероятно, с присутствием в верхней части разреза зоны неполного водонасыщения, а постепенное увеличение частоты регистрируемых колебаний сопряжено с уменьшением количества воздуха в этой зоне. Высокая частота сигнала приводит к увеличению разрешенности сейсмической записи, что позволяет регистрировать отраженные от кровли ММП продольные волны. Стабилизация частоты сейсмического сигнала является косвенным доказательством, что талые породы становятся полностью водонасыщеными.
Таким образом, наличие в разрезе газонасыщенных талых пород, в том числе и на акваториях, является фактором, затрудняющим использование продольных волн для изучения геологического разреза, что согласуется с литературными данными о сейсмоакустических исследованиях на акваториях [Рокос и др., 2001; Длугач и др., 2010 и др.].
Рассмотрим структуру волнового поля поперечных SH-волн на этих же участках.
Характерная закономерность состоит в том, что при переходе от суши к акватории почти вдвое уменьшается скорость прямой волны TSH (рис. 4.8): на участке «Болванский» с 160 м/с на суше до 70 м/с на акватории, а на участке «остров Кашин» - соответственно со 170 м/с до 90 м/с. В качестве объяснения этого явления автором предложена следующая гипотеза. Вследствие постоянного движения воды в приливно-отливной зоне акваторий верхний слой пород находится во «взвешенном» состоянии, т.е. сцепление частиц меньше, чем в состоянии за пределами акваторий.
Таким образом, в сейсмогеологическом разрезе на мелководных акваториях появляется маломощный слой с пониженными значениями скоростей поперечных SH-волн. При этом в структуре поля поперечных SH-волн появляется слабоинтенсивная преломленная волна Т8н"р от кровли горизонта пород, с которыми за пределами акватории была связана прямая волна. Низкая интенсивность этой волны обусловлена тем, что при возбуждении колебаний на акватории большая часть энергии тратиться на формирование прямой волны в маломощном слое.
Низкое значение скорости прямой волны в приповерхностном маломощном слое на акватории и слабая интенсивная преломленная волна от подошвы этого слоя способствуют появлению в структуре волнового поля отраженной поперечной SH-волны TSHTp за пределами конуса прямой воны.
Как было отмечено выше, при переходе от суши к акватории появляется низкоскоростной маломощный поверхностный слой. От подошвы этого слоя на некоторых участках профиля прослеживается слабоинтенсивная преломленная волна TSH"P- В отличие от продольных волн, частота сейсмического сигнала не меняется и составляет 40 Гц, как на суше, так и на акватории. Наличие маломощного низкоскоростного слоя и слабоинтенсивной преломленной волны позволяет выделить отраженные волны Т8нтр ММП , Т8нтр ммп2 на всем протяжении профиля. На основании данных, полученных на пляже, TSHTP ММП идентифицируется как волна, отраженная от кровли ММП, а TSHTP ммш - предположительно от литологической границы в толще ММП.
Несколько иная картина в структуре волнового поля поперечных SH-волн наблюдается при переходе от суши к акватории на геокриологическом стационаре «остров Кашин» (рис. 4.10.).
На сейсмической записи, полученной с ПУ 0 м, когда возбуждение и прием сейсмических колебаний осуществлялись на берегу, в структуре поля в первых вступлениях прослеживаются прямая волна Т8н по талому слою со скоростью 170 м/с и волна Т8н"р ММП со скоростью 1450 м/с, преломленная на кровле ММП.
При переходе к акватории, когда в разрезе появляется маломощный низкоскоростной слой, скорость прямой волны TSH уменьшается до 90 м/с. Помимо этого слоя в структуре волнового поля на отдельных участках проявляется еще один слой в талых породах, на кровле которого формируется преломленная волна TSHnpl. На сейсмических записях до удалений около 160 метров от уреза воды в структуре поля выделяется волна Т8н"р ммп, преломленная на кровле ММП. Низкая кажущаяся скорость этой волны на больших удалениях от берега обусловлена резким понижением кровли ММП и последующим, как будет показано далее, исчезновением ее в разрезе.
Примеры применения методики
Ниже приводятся примеры использования разработанной методики донных сейсмических исследований на мелководных акваториях Арктики в различных инженерно-геокриологических и инженерно-геологических условиях.
На пляже была выявлена сейсмическая граница на глубине 8-10 метров, которая по значениям скоростей сейсмических волн и величине коэффициента Пуассона ц однозначна была идентифицирована как кровля ММП. Значения ц=0.41 позволило оценить состояние мерзлых пород как твердомерзлое, что соответствует данным инженерно-геокриологического опробования. Было установлено, что для выделения в разрезе кровли ММП целесообразно использовать отраженные поперечные SH-волны. Использование же продольных волн из-за присутствия в разрезе зоны неполного водонасыщения, мощностью до 2 метров затруднено.
На основном этапе исследований работы с помощью отраженных поперечных SH-волн были выполнены на 6 профилях (рис. 5.2.). Профиль 1 располагался на пляже, профили 2-5 - на акватории.
Результаты исследований на пляже, полученные с помощью этих волн, представлены на рис. 5.3.
На пляже глубина кровли ММП составляет 8-12 метров. При этом отмечаются локальные понижения кровли ММП на 2-3 метра, приуроченные к тальвегам оврагов на береговом склоне (отмечены стрелками). Такие понижения, вероятно, обусловлены отепляющим эффектом за счет большей мощности снега в оврагах в зимний период времени. Подобная закономерность залегания кровли ММП на пляже была выявлена автором и на других участках. Достоверность полученных результатов на пляже подтверждена данными исследований за два года (работы проводились в августе 2005 и 2007 годов).
В пределах акватории регистрация сейсмических колебаний осуществлялась одиночными донными устройствами и косой из шести таких устройств, возбуждение - ручным источником сейсмических колебаний.
При переходе от пляжа к акватории кровля ММП постепенно опускается до глубины 20 метров (рис. 5.4). Конфигурация кровли ММП и ее глубина на разных профилях схожи.
На профилях 2 и 5 кровля ММП прослеживается на удалениях не более 120-130 метров от береговой линии. На разрезах уверенно выделяются более глубокие сейсмические границы. Однозначная их идентификация без привлечения данных бурения в настоящее время невозможна. Возможно, одна из этих границ - подошва ММП, что дает основание предположить, что в пределах прибрежной части акватории ММП имеют форму «козырька».
В приливно-отливной зоне Печорской губы геометрия кровли ММП коррелирует с рельефом дна. Возможно это следствие влияния отепляющего эффекта за счет увеличения глубины акватории.
Полученные на геокриологическом стационаре «Болванский» данные демонстрируют возможность и высокую эффективность использования отраженных поперечных SH-волн при практической реализации разработанной методики при глубине залегания кровли ММП более 6-10 метров.
Полученные результаты говорят о высокой чувствительности кровли ММП к влиянию отепляющего эффекта за счет небольших изменений в рельефе, как на суше, так и на акватории, а выявить эти детали геокриологического строения позволяет использование отраженных поперечных SH-волн.
Геокриологический стационар «Марре-Сале»
На этом участке сейсмические исследования были выполнены с целью изучения особенностей инженерно-геокриологического разреза в прибрежной части морской акватории (рис.5.5) и определения конфигурации подру-слового и подозерного таликов.
Результаты первого этапа исследований на опорном профиле позволили установить, что кровля ММП залегает на глубине около полутора метров (рис. 5.6). Идентифицировать эту границу как кровлю ММП, представленную глинистыми пластичномерзлыми породами, удалось только по величине коэффициента Пуассона (ц=0.45). Однозначная геокриологическая идентификация этой границы по значениям скоростей продольных (Vp=1800 м/с) и поперечных (VSH=520 м/с) волн в данном случае оказалось невозможной. В верхней части разреза залегают талые преимущественно неводонасыщенные породы. Анализ структуры волнового поля на опорном профиле показал, что из-за небольшой глубины кровли ММП выделение ее разрезе с помощью отраженных SH-волн затруднено. Поэтому на основных этапах исследований работы проводились с помощью преломленных поперечных SH- волн.
Полученные на опорном профиле данные подтверждены данными бурения.
В мелководной части морской акватории исследования проводились с помощью преломленных поперечных SH-волн с использованием встречной и нагоняющей системы наблюдений. Для приема сейсмических колебаний использовалось одиночное донное регистрирующее устройство. Возбуждение колебаний на акватории осуществлялось с помощью ручных источников сейсмических колебаний.
В результате было установлено, что при переходе от пляжа к морю, кровля ММП постепенно понижается (рис. 5.7). Ее глубина на удалении около 90 метров от берега составляет 4-5 метра. Обращает на себя внимание, что геометрия кровли ММП во многом повторяет рельеф дна, что, как и на геокриологическом стационаре «Болванский», вероятно связано с влиянием отепляющего эффекта за счет даже незначительного увеличения мощности водной толщи.
Результаты исследования подруслового талика в устье р.Марре-Яха представлены на рис. 5.8. Работы здесь проводились с помощью преломленных SH-волн, по той же технологии, что и при проведении исследований в пределах мелководной морской акватории.
Глубина кровли ММП на удалениях около 40 метров от реки составляет 2-3 метра. Максимальная мощность подруслового талика равна 7,5-8 метров. Как и на мелководной части акватории, здесь наблюдается корреляция рельефа дна и геометрии кровли ММП.
Следует отметить, что с помощью продольных преломленных волн эту задачу решить не удалось.
Результаты успешного изучения подозерного талика с помощью преломленных поперечных SH-волн, показаны на (рис. 5.9). Относительно высокие значение граничной скорости поперечных SH-волн (VSH=700 М/С) ПОЗВОлили надежно осуществить геокриологическую идентификацию этой границы. Мощность талика определенная с помощью разработанной методики составляет 4-6 метров.
Как и при изучении подруслового талика р. Марре-Яха, попытки решения этой задачи с помощью продольных преломленных волн не дали положительных результатов.
