Содержание к диссертации
Введение
1. Отражение в сейсмических волновых полях особен ностей состояния и свойств приповерхностных от ложений, обусловленных подземными горными ра ботами 8
1.1. Физико-геологические модели верхней части разреза 8
1.2. Геолого-геофизические методы изучения верхней части разреза 18
1.3. Разработка сейсмгеологической модели техногенного воздействия на массив 30
2. Комплексирование разноуровневых сейсморазве-'дочных исследований разрабатываемого массива 38
2.1. Возможности малоглубинных систем регистрации 38
2.2. Обоснование методики исследований ВЧР отраженными волнами . 46
2.3. Система комплексной интерпретации сейсмических наблюдений разного уровня 59
3. Применение нелинейных и многоволновых систем регистрации для решения горно-геологических задач 71
3.1. Комплексирование нелинейных и линейных систем наблюдений 71
3.2. Оценка степени нарушенности верхней части разреза с применением волн различной поляризации 95
4. Результаты инженерных сейсморазведочных иссле дований техногенных неоднородностей 109
4.1. Основные методические требования к инженерным сейсмотехнологиям при решении горно-геологических задач 109
4.2. Практические примеры 112
Заключение 139
- Геолого-геофизические методы изучения верхней части разреза
- Обоснование методики исследований ВЧР отраженными волнами
- Оценка степени нарушенности верхней части разреза с применением волн различной поляризации
- Практические примеры
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Подземная разработка месторождений полезных ископаемых обусловливает техногенное воздействие на весь породный массив, от продуктивного интервала до земной поверхности. Данное воздействие выражается в перераспределении опорного давления и может привести к разрушению породного массива на отдельных участках, выделяющихся по физическим свойствам и геологическому строению. Обеспечение безопасной эксплуатации месторождения основывается на опережающем прогнозе подобных участков и определении с их учетом оптимальных параметров ведения горных работ.
В случае ведения горных работ в пределах градопромышленных агломераций особую значимость приобретает изучение состояния и свойств верхней части разреза (ВЧР), определяющих устойчивость зданий и сооружений, расположенных на поверхности.
Инженерно-геологические изыскания, основанные на результатах бурения и опробования, характеризуют состояние и свойства массива в конкретных точках их проведения. Оценка состояния породного массива в объемах, соизмеримых с масштабами самих сооружений, возможна только с привлечением геофизических методов.
В условиях загруженности территорий различного рода сооружениями и промышленными помехами на первое место выходят сейсмические методы исследований. Традиционный в инженерной сейсморазведке метод преломленных волн, наряду с несомненными достоинствами, заключающимися в простоте определения граничных скоростей и оперативности обработки, характеризуется существенными ограничениями интерпретационных возможностей, особенно в тонкослоистых средах.
Оснащение сейсмических наблюдений цифровыми портативными сейс-мостанциями и эффективным программным обеспечением, реализованным на современных персональных компьютерах, создало предпосылки для конструи-
рования новых высокоинформативных сейсморазведочных технологий, основанных на методе отраженных волн (МОВ). На основе подобных технологий предусматривается изучение закономерностей распространения высокочастотных (>]00Гц) разнотипных отраженных волн с целью построения структурно-геологических моделей приповерхностных отложений, оценки их состояния и свойств в условиях техногенных нагрузок различного рода.
Целью работы является разработка сейсморазведочных методик оценки техногенного воздействия на верхнюю часть разреза.
Для достижения цели поставлены задачи:
Анализ влияния горных работ на состояние и строение верхней части отложений, перекрывающих горные выработки.
Сравнительная оценка возможностей контроля техногенной изменчивости верхней части разреза методами разведочной геофизики.
Обоснование принципов комплексирования разноуровневых сейсморазведочных систем оценки воздействия горных работ на породный массив. Разработка специализированных сейсморазведочных технологий изучения влияния горных работ на приповерхностные отложения.
Согласование содержания этапов цифровой обработки и интерпретации сейсморазведочных данных с характеристиками комплексных и специализированных сейсморазведочных систем.
Разработка новых интерпретационных подходов, учитывающих особенности формирования полей отраженных волн для верхней части разреза, находящейся под интенсивным техногенным воздействием.
Основные защищаемые положения:
1. Совместный анализ преломленных и отраженных волн, зарегистрированных разноуровневыми системами наблюдений, обеспечивает эффективную и достоверную оценку техногенной изменчивости свойств и состояния разрабатываемого горного массива.
Контроль свойств и состояния приповерхностных отложений, вмещающих основания зданий и сооружений, находящихся в зоне влияния горных работ, обеспечивается комплексной интерпретацией проходящих и отраженных волн различной поляризации.
Достоверный прогноз техногенных неоднородностей в верхней части разреза основывается на интерференционной регистрации отраженных волн по сети профилей, спроектированной с учетом горизонтальной разрешенности инженерной сейсморазведки.
Научная новизна работы:
Доказано, что достоверная оценка техногенного воздействия горных работ на приповерхностные отложения возможна только на основе анализа поля отраженных волн с применением интерференционных систем регистрации.
Разработаны методические принципы комплексирования разноуровневых систем регистрации отраженных волн, заключающиеся в выборочном повышении уровня их детальности, согласованном с результатами регионального экспресс-анализа поля преломленных волн.
Доказана целесообразность и эффективность применения квазитомографических подходов в кинематической интерпретации результатов сейсмо-разведочных исследований по методике многократных перекрытий для нелинейных систем регистрации.
4. Установлено, что оценка степени нарушенности лито-фациальных
комплексов верхней части разреза может быть получена на основе разностного
спектрального анализа.
Практическая значимость.
Разработаны:
1. Сейсморазведочные технологии изучения верхней части разреза в пределах подработанных территорий, основанные на комплексном применении линейных и нелинейных пространственно-ориентированных систем регистрации.
2. Нелинейные системы регистрации, основанные на квазитомографиче-скнх подходах, предназначенные для изучения причин деформации фундаментов промышленных и жилых сооружений.
Реализация работы.
Основные разработки, изложенные в данной работе, успешно применяются в пределах подработанных территорий Соликамского и Березниковского горнодобывающих районов с целью корректировки планов и параметров горных работ в ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит». Результаты изучения околоствольного пространства учтены при разработке проекта создания гидроизоляционной бетонной завесы. Предложенные методические и технологические сейсморазведочные решения успешно реализованы в комплексе с инженерно-геологическими изысканиями в ОАО «ВерхнеКамТИСИз» и СФ «Уралгидрои-золяция».
Публикации и апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались с 1996- года на различных по уровню конференциях и семинарах. В их числе: региональные научные конференции «Моделирование геологических систем и процессов» (Пермь, 1996), «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 1997,2001), «Геология Западного Урала на пороге XXI века» (Пермь, 1999); международные конференции «300 лет горно-геологической службе России» (Санкт-Петербург, 2000), «Проблемы формирования и комплексного освоения месторождений солей (VI солевое совещание)» (Соликамск, 2000), «EAGE 64th Conference and Exhibition» (Florence, Italy, 2002), «9th meeting environmental and engineering geophysics» (Prague, Czech Republic, 2004), научные сессии Горного института УрО РАН с 1998 по 2003 год.
В период 1997-1998 гг. исследования по теме диссертации были поддержаны и частично финансировались за счет гранта № 9704 Федеральной целевой программы «Интеграция».
Магистерская диссертация на тему: «Сейсморазведка отраженными волнами при исследовании ВЧР», защищенная автором в 1998 г., победила на конкурсе Евро-Азиатского Геофизического Общества и отмечена премией.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 152 страницах, включая 60 иллюстраций, 9 таблиц и список использованных литературных источников из 110 наименований.
Исходные материалы и личный вклад автора.
Диссертация отражает результаты исследований, проводящихся с 1995-го года по госбюджетной и договорной тематикам в Горном институте Уральского отделения Российской академии наук. Постановка и выполнение теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, произведены при непосредственном участии автора.
Практические эксперименты и внедрение исследований были бы невозможны без содействия руководителей и ведущих специалистов производственных и проектно-изыскательских организаций: СЮ. Квиткина, А.Д. Мауна, Ю.В. Мынки, В.М. Нежданова, В.И. Платыгина.
Диссертация написана под руководством доктора технических наук Сан-фирова И.А., которому автор выражает искреннюю благодарность за постоянное внимание к ней.
Успешной работе над диссертацией способствовала творческая, доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег: кл\н. Бабкина А.И., Приймы Г.Ю., Пригара A.M., к.т.н. Семериковой И.И., Фатькина КБ.
Геолого-геофизические методы изучения верхней части разреза
Основные цели и задачи при изучении верхней части разреза заключаются в: обосновании рациональных способов использования геологической среды, выборе мест, наиболее благоприятных для размещения строительных комплексов или отдельных сооружений; планировании мероприятий по охране геологической среды от развития неблагоприятных геологических процессов; обосновании способов разработки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых; определении размещения сети режимных наблюдений и решении задачи управления природно-техническими системами. Для их достижения приме- няются различные методы. Инженерно-геологические Самым распространенным видом разведочных работ при исследовании приповерхностных отложений является бурение скважин. В общем случае оно должно обеспечивать: 1) изучение всего геологического разреза независимо от мощности слоев; 2) точное установление положения геологических границ, пересекаемых скважиной; 3) сохранение минимальной нарушенное естественного сложения, влажности и физического состояния горных пород, извлекаемых из скважины в виде керна и образцов; 4) возможность отбора проб горных пород с любой глубины для изучения их состава, строения и физико-механических свойств; 5) производство скважинных опытных работ для изучения свойств горных пород и водоносных горизонтов [24,50].
Определение большинства прочностных показателей (модуль общей деформации, коэффициент бокового давления, коэффициент Пуассона, коэффициент внутреннего трения, сцепление и др.) производится на образцах в лабораторных условиях, что не отражает естественного состояния пород, особенно глинистых. Образцы имеют нарушенную структуру, т.е. полностью разрушены присущие им в природном состоянии водостойкие цементационные внутренние связи. Поэтому более точно прочность пород следует определять в их естественном природном состоянии. В настоящее время для этого существует разные опытные методы: испытание грунтов штампами, статическое зондирование грунтов и др. На практике почти все подобные испытания имеют статический характер и не позволяют вычислять динамические показатели прочностных свойств. Бурение скважин и опытные исследования носят точечный характер. Результат интерполяции данных между скважинами и точками опробования в большинстве случаев не однозначен. 1.2.2. Несейсмические методы Наибольшее распространение получили методы электроразведки [18,33,54,59,62]. Электромагнитные зондирования служат для вертикальной стратификации геологических и гидрогеологических разрезов. В практике большая часть электромагнитных исследований ведется методом вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ). Зондирования выполняются как с поверхности земли, так и в горных выработках и на акваториях.
В результате интерпретации данных зондирований представляется возможным расчленять вертикальный геологический разрез, изучать пространственное положение геологических тел с различными электромагнитными свойствами, определять мощности и глубины залегания опорных маркирующих горизонтов, изучать карстовый рельеф кровли растворимых пород. Малая мощность выделяемых геологических тел (по сравнению с мощностью вышележащей толщи горных пород); наличие электрических экранов; отсутствие сведений об электрических сопротивлениях промежуточных горизонтов; крутые углы наклонов выделяемых тел (свыше 20-25); сильно пересеченный рельеф местности; помехи от индустриальных электрических токов затрудняют получение полноценных результатов. Крайняя изменчивость геоэлектрической ситуации в карстовых районах требует выполнения зондирований по более густой сети наблюдений, чем в районах, не затронутых карстом Наряду с электромагнитными зондированиями широко применяется электромагнитное профилирование. В его основе лежит получение различных параметров электромагнитного поля вдоль определенного направления при более или менее закрепленных глубинах исследований. При малых разносах получают сведения о толще пород в пределах зоны аэрации. При больших питающих линиях основная информация должна поступать о породах, находящихся в зоне полного в одо насыщения. По результатам измерений на каждой точке вычисляется кажущееся или эффективное сопротивление. Графики этих величин отражают особенности строения геоэлектрического разреза в пределах заданной глубины исследований. Профилирование применяется главным образом для выделения геологических тел с вертикальными и круто наклонным и границами. Для изучения карстовых нарушений широко применяются несимметричные установки (трехэлектродные или дипольные) и профилирование по методу срединных градиентов (АВ неподвижно). Сложности при проведении профилирования возникают при значительной изменчивости мощности и состава рыхлых поверхностных отложений [28]. Совместное использование двух вышеописанных методов повышает информативность результатов и снижает неоднозначность интерпретации. Гравиметрическая съемка может носить линейный и площадной характер. Она дает возможность вести геологическое картирование по плотностной характеристике пород. В области развития скальных пород это позволяет прослеживать зоны разломов и крутые контакты, обнаруживать крупные подземные полости. При исследованиях рыхлых отложений гравиметрическая съемка оконтуривает участки распространения галечников и конгломератов среди менее плотных песчано-глинистых образований, используется для выявления и прослеживания древних погребенных долин. Высокоточная гравиметрия открывает перспективы решения различных инженерно-геологических задач, в том числе связанных с геодинамическими процессами естественного и техногенного происхождения.
При этом к чувствительности приборов и точности наблюдений предъявляются повышенные требования. Возникает также необходимость использования специальных приемов обработки материалов [30,32]. При современной точности наблюдений методы гравиметрии являются достаточно перспективными для изучения карста. Особое внимание при гравиметрической съемке на закарстованных территориях уделяется созданию густой сети наблюдений и высокой точности измерений. Принято считать, что при региональной съемке для выявления локальных карстовых структур точность определения аномалий должна быть не ниже 0.08-0.1 мГал. Детальную съемку, целью которой является изучение отдельных карстовых участков, рекомендуется проводить с точностью, во всех случаях превышающей 0.04 мГал. Из недостатков следует отметить невозможность разделения влияния природных и техногенных объектов на поле силы тяжести. Микромагнитная съемка обладает повышенной точностью и расчленяет по литологическим признакам осадочные породы и четвертичные отложения, выявляет трещиноватость скальных пород и решать многие задачи изучения геодинамических процессов. Применяются приборы повышенной чувствительности (протонные, квантовые магнитометры) и специальные приемы обработки материалов. Необходимость чрезвычайной детальности наблюдений ограничивает обследуемые площади [23]. Термометрическая съемка изучает тепловое поле земли, создаваемое естественными и искусственными источниками. На его основе изучается влажность грунтов и ее колебание с течением времени, определяются места инфильтрации воды, картируются места разгрузки подземных вод, решается широкий круг задач геокриологического характера. Получение полноценных материалов затрудняется помехами, связанными с метеорологическими условиями. Интерпретация ведется на качественном уровне [33]. Ядерно-физические методы при наземных исследованиях ограничены гамма - и эманационной съемками. В последнее время они находят применение при изучении геодинамических явлений и процессов не только в пределах развития коренных пород повышенной радиоактивности, но и в районах, сложенных глинистыми отложениями. При проведении этих видов съемок нужно учитывать помехи, связанные с метеорологическими факторами (изменение атмосферного давления, влажность фунтов, их промерзание и т.д.)[7].
Обоснование методики исследований ВЧР отраженными волнами
Регистрирующая составляющая системы наблюдений состоит из следующих компонентов: Минимальное удаление ПВ от 1111 —Хтіп; Максимальное удаление ПВ от ШІ —Хтах\ Расстояние между ПВ -АХПВ\ Расстояние между ГШ - ЛХПВ. При выборе данных параметров, в основном, опираются на следующие общие положения. 1. Максимальное удаление ПВ от ПП сравнимо или меньше глубины нижней целевой границы. 2. Минимальное удаление ПВ от ПП не превышает глубины верхней целевой границы. 3. Шаг между ПП больше радиуса корреляции случайных шумов, но меньше 1/2 длины волны (Л). При этом следует учитывать предельные размеры поисковых объектов r=d$/2 [10], где (іф - диаметр первой зоны Френеля с/4, = лІ2хЛхН +А2 /4 . Для получения идентифицируемых отражений необходимы как минимум четыре точки ОГТ [92] в пределах (іф. Если определена база наблюдений L, то расстояние между каналами Ax=UN-lt где Лг - число каналов сейсмостанции [44]. 4. Шаг между ПВ АЇ обычно выбирается кратным Ах и определяется кратностью наблюдений n (Al =NAx/2n) [29]. Тип системы наблюдений определяется ориентацией линии ПВ относительно линии ПП. При продольном профилировании МОГТ линия ПВ совпадает с линией ПП, а при непродольном варианте - линия ПВ вынесена на некоторое расстояние относительно линии ПП. При непродольном профилировании результативность подавления помех возрастает [44]. Неоспоримым достоинством интерференционных систем регистрации является их избирательная направленность, позволяющая выделять полезные сигналы на фоне помех.
В этой связи возможен более строгий выбор параметров пространственных систем регистрации на основе положений частотной теории интерференционного приема [12]. В [10,11,29] используется выражение частотной характеристики h(co) интерференционной системы с прямоугольной огибающей чувствительности каналов для практического расчета параметров систем наблюдений МОГТ: 1 sin(rtu?Ar/2) Кш) = п sm(a)Ar/2) где со = 2nf; п - число каналов суммирующей системы; Дт - временной сдвиг между смежными каналами при регистрации волны с кажущейся скоростью VK в расстановке с шагом АХ между каналами; Дт - АХI Vk - const для данной расстановки. Основные максимумы h(a ) соответствуют значениям со = 2ктс/ Ат (прнк=0, ±1, ±2,...), которые занимают полосу пропускания 2а ГР - /п т . Полоса гашения находится в пределах: 2я 2ж(п -1) со пАг пАт После ввода точных кинематических поправок кажущиеся скорости полезных волн равны бесконечности, т.е. Атс =0 во всем частотном диапазоне h((o)=l. При этом для волн-помех фиксируются остаточные временные сдвиги: Ат п = Атп - Дгс, Km = Ш отсюда кП vk-i-\ Если известны нижняя и верхняя границы спектра волн-помех, то условия их гашения можно записать следующим образом: щ 1 со2 п-\ Таким образом, успешное применение аппарата расчета селективных систем регистрации возможно только при наличии информации о кинематических и динамических характеристиках сигнальной составляющей волнового поля и помех.
Получение подобной информации возможно при полевых тестированиях структуры волновых полей в условиях конкретных объектов исследований для заданных аппаратурных и технических компонент системы регистрации (источник возбуждения, сейсмоприемники, сейсмостанция). Необходимый для решения большинства поставленных задач частотный диапазон регистрируемых сигналов находится в пределах 200 - 1800 Гц [68,80,98]. Исходя из этих данных, на основе положений частотной теории интерференционного приема рассчитаны параметры пространственной системы регистрации {АХ=1м; N=16), оптимальные для подавления основных волн-помех. Частотная характеристика для продольных волн после введения кинематических поправок имеет полосу пропускания во всем частотном диапазоне (рис.2.5). Годографы же поперечных волн недоспрямляются, что приводит к сохранению остаточных временных сдвигов и, следовательно, сужению полосы пропускания частотной характеристики. Если среда изучается с использованием поперечных волн, то после ввода соответствующих кинематических поправок годографы поперечных волн трансформируются в линии t0=const, а годографы продольных волн переспрямляются и приобретают отрицательную остаточную кажущуюся скорость. Поскольку остаточные временные сдвиги-.такие же, как и в первом случае, то и частотные характеристики будут аналогичны приведенной на рис.2.5. Оценка изменений сейсмогеологических особенностей для выбранных участков в пределах Пермского, Березниковского, Соликамского, Кунгурского горнодобывающих районов (см. главу 1) позволяет сформулировать количественные характеристики проектируемых систем интерференционной регистрации [75] (табл. 2.2). В настоящее время существует большой выбор сейсмоприемников. Они характеризуются достаточно широкой 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 предлагаются различные виды креплений (рис.2.6). Характер волнового поля подтверждает возможность приведенных методов крепления.
Оценка степени нарушенности верхней части разреза с применением волн различной поляризации
Традиционно термин «многоволновая сейсморазведка» подразумевает совместный анализ особенностей распространения упругих волн различного типа. В большинстве случаев для этого используют монотипные продольные Р-волны и поперечные S-волны. В идеально упругой изотропной однородной среде при распространении Р-волн частицы среды перемещаются перпендикулярно к фронту распространения упругих волн, при распространении S-волн -вдоль фронта в различных направлениях. Отношение скоростей распространения волн S и Р (параметр у) зависит только от коэффициента Пуассона: = 1-2/2 """га-/2) Максимальное значение у для сплошной среды при сг- 0 равно -L 0,707 V2 При ст-»0,5 значение у стремится к нулю (переход к жидкому состоянию) [37]. В жидких и газообразных средах вращение частиц происходит без сопротивления, значит, модуль сдвига ц=0 и поперечные волны отсутствуют: где р - плотность среды, Е - модуль Юнга (продольной упругости). Следовательно, поперечные волны могут существовать только в средах, обладающих упругостью формы, тогда как продольные волны генерируются и распространяются в любых связных системах: _ і далі- ) М±М K -V(H-a»-2«r)-V р В любых твердых телах, не исключая и горные породы, скорость распространения поперечных волн Vs всегда меньше скорости распространения продольных волн Vp. Поскольку Vp и Vs функционально связаны с двумя модулями упругости и плотностью, то они в общем случае независимы друг от друга. Это подтверждается соответствующими измерениями как в лабораторных условиях, так и непосредственно в массиве. Диапазон изменения значений скорости в осадочных породах достаточно широк. Vp изменяется от 0 до 6 км/с; Vs- от 0 до 4 км/с; отношение Vs/Vp - от 0,1 до 0,7 [42]. Согласно данным СК, с глубиной (и, следовательно, с ростом давления) скорости растут, причем градиент изменения Vs значительно выше.
Изменения скоростей Vp и Vs тесно связаны между собой. Как правило, коэффициент корреляции достигает 0,9. В случаях, когда знаки вертикальных градиентов скоростей совпадают, разрез по S-волнам характеризуется большей дифференциацией. На границах раздела первого рода перепад скоростей Vs в среднем на 12% больше, чем Vp [37,42,51]. В породах всех типов присутствие даже небольшого количества пузырьков газа в жидкости сильно снижает скорости продольных волн. Так, при пористости 10% и концентрации газа около 5% скорости продольных волн близки к скоростям в полностью газонасыщенных породах, а в высокопористых породах - могут быть и ниже. Изучению влияния того или иного флюида на скорости продольных и поперечных волн посвящено много работ, например [9]. Помимо изменения скоростей при замене газообразного флюида на жидкий, исследовалось влияние концентрации жидкости и газа в смеси этих флюидов на скорости продольных волн. Как уже отмечалось, скорости продольных волн в сухой или насыщенной газом породе ниже, чем в насыщенной жидкостью. На скорости поперечных волн в породах, насыщенных смесью жидкости и газа, большее влияние оказывает наличие воды. Скорости поперечных волн даже при наличии небольшого количества воды резко снижаются по сравнению с породами, полностью насыщенными газом. В соответствии с изменением Vp и Vs, при переходе из одного состояния в другое существенно меняется и отношение Vs/Vp. Так, например, для обло-мочно-песчаных пород при заполнении пор воздухом у=0,6-0,7; при заполнении пор водой 7=0,1-0,2; при заполнении пор льдом у=0,5-0,6 [38].
Для многих пород, особенно обогащенных глинистым материалом, добавление воды размягчает скелет, что приводит к снижению модуля упругости. Коэффициент Пуассона для насыщенных водой образцов примерно линейно связан со скоростями продольных волн, оставаясь почти постоянным для сухих разностей [63]. Повышение глинистости уменьшает у, как и повышение пористости. Поскольку диапазон изменения глинистости может быть больше, чем пористости, у главным образом зависит от содержания глины в породе. Различное влияние отмеченных свойств среды (флюидо-газо-насыщенность, пористость, глинистость) на скорости распространения Р и S волн также проявляется в закономерностях изменения их динамических характеристик - амплитуд и частот. В интерпретационной практике наиболее распространенным приемом изучения изменения амплитуд разных типов волн, является изучение соответствующих коэффициентов поглощения [5]. Исходя из гипотезы упругого последействия, зависимость между коэффициентами поглощения Р(ар) и S(ots) волн определяется соотношением: Для терригенных пород при у=0,25-0,33 данное соотношение дает превышение cts над ар на порядок и более (при допущении Х « .s). Исследования в скважинах [42] показали, что в глинах, залегающих на глубинах в десятки метров, поглощение поперечных волн в 3-5 раз больше, чем продольных, если измерения относить к доминирующим для каждой из волн частотам, В породах определенного литологического состава при их сильном насыщении в самой верхней части разреза коэффициенты поглощения Р и S волн могут отличаться в 10-15 раз. Отмечается [20], что при насыщении пор осадочной породы водой поглощение поперечных волн существенно возрастает: as = (4-20)ap. При насыщении пор газом наблюдается обратное соотношение. Это явление связано с более сильным влиянием газонасыщенности на поглощение продольных волн по сравнению с поперечными [37,42]. Изучение влияния трещин на затухание волн Р и S показало, что наличие трещин (в первую очередь, микротрещин) оказывает заметно большее влияние на величину коэффициента поглощения поперечных волн. Различия в частотном составе продольных и поперечных волн, согласно теории распространения упругих волн в тонкослоистых средах [42], обусловливаются различием их скоростей. Частоты одноименных экстремумов fm амплитудного спектра тонкого слоя для волн Р и S соотносятся, как их скорости: tms "У "X Imp-ТеХНОЛОГИЯ полевых работ многоволновой инженерной сейсморазведки предусматривает двойное прохождение профильных линий с использованием ударного источника и сейсмоприемников разного типа, предназначенных для регистрации отдельно продольных и отдельно поперечных волн. Возбуждение заданного типа волн определяется направленностью ударного воздействия. Для продольных волн - вертикально вниз, для поперечных - перпендикулярно направлению профиля в двух противоположных плоскостях.
При смене направления в процессе возбуждения поперечных волн меняется и знак накопления для подавления продольных волн. При интерпретации многоволновых сейсмических наблюдений можно выделить несколько этапов: определение природы разных типов волн и привязка их к одним и тем же геологическим элементам разреза; определение упругих параметров для каждого типа волн в отдельности; вычисление распределения величин у и коэффициента Пуассона (ст) в разргзе; обобщение результатов автономной и комплексной интерпретации и геологическое истолкование полученных результатов. Все этапы интерпретации взаимосвязаны и итеративны. Наиболее информативными являются схемы распределения параметра у, коэффициента Пуассона и модуля Юнга в глубину и по площади. Они позволяют делать выводы об устойчивости массива и его струкгурно-формационных характеристиках. Погрешность комплексных параметров уменьшается вследствие того, что данные по волнам разных типов являются независимыми. Также учитывая то, что мощность изучаемых объектов одинакова для волн разных типов, удается ВЫЯСНИТЬ геологическую природу изменений того или иного комплексного параметра и разделить влияние структурных и вещественных факторов. Эксперименты с использованием волн различной поляризации проведены на участке, проектируемом под мостовой переход. Основными задачами здесь являлись определение глубины кровли коренных пород и оценка распределения упругих параметров в данном интервале, С этой целью для каждой профильной линии выполнена следующая последовательность операций: 1) пересчет в масштаб глубин, в соответствии со скоростным законом, разнотипных временных разрезов и их скоростных характеристик (рис.3.15, 3.16); 2) расчет глубинных разрезов параметра у =Vs/Vp и коэффициента Пуассона (1-2у2)/2(1-у2) (рис.3.17), на основе разнотипных скоростных характеристик; 3) пересчет глубинного разреза коэффициента Пуассона в разрез динамического модуля Юнга (рис.3.17) (плотность грунтов, в соответствии с данными лабораторных определений, для различный профилей взята от 2,2 г/см3 до 2,4 г/см3); 4) расчет средних оценок модуля Юнга для 10 м интервала глубин на каждом пикете профильной линии.
Практические примеры
Возможности активизации карстовых процессов на соляных техногенных объектах, таких как солеотвапы ВКМКС, существенно осложняет их эксплуа тацию. Решение проблемы безопасности на подобных территориях по аналогии с природными карстующимися площадями возможно за счет привлечения сейсморазведочных исследований в комплексе с заверочным бурением. Боль шей частью они основываются на положениях методики многократных пере крытий, использующей интерференционные пространственно- ориентированные системы наблюдений. При расчете основных параметров данных систем во внимание принимается мощность насыпных соляных отло жений (в среднем около 25 метров) и размеры предполагаемых локальных не- однородностей в теле солеотвала (от 0,5 до 5 метров диаметре). Технология по левых наблюдений и последующей цифровой обработки направлены на сохра нение высокочастотной составляющей спектра регистрируемых сейсмических колебаний, определяющей разрешающую способность интерпретационных вы водов. По результатам многолетних исследований строения и закономерностей преобразования солеотвалов, выполненных различными геологами [1,8,17], известен ряд общих закономерностей формирования подземных карстовых форм. Схематично вся толща солеотвала сверху вниз может быть поделена на три интервала, разделяющиеся по степени уплотнения. Генезис подземных карстовых форм в основном связан со сложными процессами растворения и выноса солей из третьего нижнего интервала, содержащего зону горизонтальной циркуляции вод, расположенную в его основании. Возможность формирования здесь рассо-ло-выводящих каналов обеспечивается повышенным уплотнением отложений данной части солеотвала, а также рельефом ложа солеотвала и слоя суглинков, укладываемого в качестве противофильтрационной защиты. Впоследствии линейные неровности рельефа могут локализовать подотвальный сток, определяя плановую конфигурацию сети подземных каналов. Практические эксперименты по выявлению карстовых полостей и подтверждению подобной геологической модели солеотвала проведены на одном из соляных терриконов БПКРУ-4. Полевые наблюдения выполнены по сети сейсмических профилей, расположенных на тре площадках с различным уровнем наблюдений. Поверхностные условия по всем профилям стабильны и представлены частично затвердевшей соляно-глинистой смесью. Рельеф поверхности солеотвала в пределах всех площадок меняется незначительно. В теле солеотвала зарегистрировано две карстовых формы: провал, расположенный в южной части площади исследований, и крупный грот (рис.4.3), открытый с внешней стороны северо-западного борта солеотвала. Обе известные карстовые формы лежат в створе крутого оврага, существовавшего до заложения солеотвала. Осевая часть оврага проходит с юго-востока на северо-запад через вторую и первую площадки. Перепад высот оврага в поперечнике достигает 10 м, а по основному направлению до 14 м. Визуальное определение результативности обработки возможно на основе сопоставления исходных и обработанных сейсмограмм (рис.4.4). В качестве количественных критериев выбрана оценка точности скоростного анализа, рассчитанная по внутренней сходимости результатов [26] с учетом эффекта сглаживания. Данный параметр определен для двух интервалов временного разреза, охватывающих всю толщу солеотвала. Диапазон изменения его значений составляет 10-15 м/с для первого интервала и 30-45 м/с для второго. Сеть профилей в пределах каждой площадки позволяет также определить сходимость результатов обработки в точках пересечения профилей. В качестве меры сходимости использованы значения времен регистрации одноименных отражающих горизонтов. Их разброс на всех точках пересечений составил не более 1,5 мс. Среднее значение видимой частоты для площади - 250-260 гц, следовательно, полученный максимальный фазовый разброс не превышает половину периода и не может внести существенных искажений в интерпретационные выводы. С учетом результатов скоростного анализа вертикальная разрешающая способность сейсмических данных, рассчитываемая как 1/4-1/8 длины волны, меняется от 0,5 до 1 м для первого интервала исследований и от 1 до 2 м для второго. Горизонтальная разрешающая способность, определяемая как 1/5 зоны Френеля, составит, соответственно 2 и 4 м. Данными значениями определяются минимальные размеры локальных неоднородностей, которые могут быть выделены по представленным сейсмическим материалам. В результате цифровой обработки для каждой профильной линии получены: окончательный временной разрез, его скоростная и амплитудная характеристики, а также значения эффективных и интерзальных скоростей распространения упругих продольных волн. Данная информация составляет основу интерпретационных выводов. Они базируются как на качественном анализе волновой картины, так и на изучении ее количественных параметров. Для примера рассмотрим волновую картину по профилю (рис.4.5.а), который проходит в непосредственной близости от карстового провала. На временном разрезе отмечается ряд наиболее динамически выраженных осей син- фазности, которые соответствуют целевым сейсмическим отражающим горизонтам. Сейсмические ОГ приурочены к границам между толщами, различающимися по физическим свойствам. Согласно принятой в [1] модели солеотвала, ОГ-М соответствует подоіпве наиболее рыхлых отложений с глубиной в 7-9 м, ОГ-В, расположенный на глубине 15-17 м, отделяет средний интервал от наиболее плотных пород, ОГ-G соответствует ложу солеотвала. Ниже данного ОГ можно выделить еще несколько горизонтов, связанных с литологической дифференциацией отложений, подстилающих солеотвал. Наиболее уверенно выделяется ОГ, ближайший к ОГ-G. Он залегает на 6-8 метров глубже основания солеотвала, и вероятнее всего, приурочен к кровле коренных пород, т.е. самых плотных в верхней части разреза. Волновое поле данного профиля имеет ряд особенностей, В начальной части до начала погружения горизонта G (ПК50) выделяется только два ОГ. Далее можно прокоррелировать и дополнительную ось синфазности. Подобные особенности связаны с резкими изменениями мощности насыпных отложений в пределах профиля, от 13 м на ПКО до 28 м на ПК 126. На фоне существенных «региональных» изменений в гипсометрии основания солеотвала можно выделить и ряд локальных прогибов по отражающему горизонту G. Первый на участке ПК70-90, возможно, является подземной карстовой формой. Второй, начиная с ПКЮО и до конца профиля, подчеркивает осевую часть оврага. Следует отметить, что непосредственно над вторым участком погружения ОГ-G прерывается прослеживание ОГ-М. На скоростной характеристике по данному профилю (рис.4.5.6) четко выделяется две области пониженных значений, соответствующих обоим участкам. Различная мощность и, вероятно, возраст отложений на всех участках проведения сейсморазведочных работ обусловили выбор в качестве общей границы ложе солеотвала (рис.4.6). В построении участвовали только данные сейсмических структурных оценок, поэтому поведение структурной поверхности на участках между площадками носит очень приблизительный характер.
