Сейсмические методы в инженерной геологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО

Сейсморазведке

ТЕМА: Сейсмические методы в инженерной геологии

Содержание:

Введение

Глава 1. Современные знания в данной области

Глава 2. Применения сейсморазведки МОВ-ОГТ

2.1 Основные различия малоглубинных и глубинных исследований

2.2 Аппаратура для производства работ МОВ-ОГТ

2.3 Методика проведения работ МОВ-ОГТ

Глава 3. Применение метода Рефрагированных волнн

Глава 4. Применение сейсморазведки МПВ

Глава 5. Применения метода многоканального анализа поверхностных волн (MASW)

5.1 Условия выполнения полевых работ методом MASW

5.2 Особенности выполнения полевых работ методом MASW

Список использованной литературы

Введение

Сейсмическая разведка является ведущим методом геофозических исследований земной коры. Лидирующее положение метода в разведочной геофизике обусловлено его большой глубинностью при высокой детальности исследований.

Сейсморазведка основана на изучении распространения в горных породах искусственно возбуждаемых упругих волн. Вызванные взрывом, ударом или вибрацией сейсмического источника, упругие колебания распространяются во все стороны и проходят в толщу земной коры. Здесь они претерпевают преломление и отражение на границах горных пород с различными упругими свойствами и частично возвращаются к дневной поверхности, где во множестве точек наблюдения регистрируются высокоточной аппаратурой. По записям этих волн строят сейсмические изображения геологических объектов, что позволяет определить их глубины и формы, а также прогнозировать.

Благодаря своим возможностям сейсморазведка играет ключевую роль в региональных исследованиях земной коры, особенно - в изучении мощных осадочных толщ. Чрезвычайно велико значение метода при поисках и разведке месторождений нефти и газа как на суше, так и на море. Сейсморазведку применяют для поисков углей и многих нерудных полезных ископаемых, а также для решения гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических задач. Все более активно она участвует в решении задач рудной геологии, изучающей сложные комплексы кристаллических пород.

В настоящее время преобладающую часть геофизической информации о строении земных недр получают с помощью отраженных волн. По этой причине метод отраженных волн (МОВ) является основным, хотя практическая сейсморазведка начиналась с метода преломленных волн (МПВ). 
Глава 1. Современные знания в данной области

Всем современным знаниям в области сейсморазведки (как и сейсмологии) мы обязаны закону Гука. Он позволяет вычислить деформации при известных напряжениях. (Напряжение – сила на единицу площади. Деформация – изменение формы и размера тела в результате действия на него напряжения.) Когда деформации малы, их связь с напряжениями определяется законом Гука, согласно которому данная деформация прямо пропорциональна обусловившему её напряжению. Если существует несколько напряжений, то каждое из них создаёт деформацию независимо от других. Таким образом, полная деформация равна сумме деформаций, вызванных отдельными напряжениями.

Гук придумывал свой закон для деформаций отдельных тел. Но, как известно, сейсмическая волна – это, в сущности, и есть деформация, передающаяся по материалам. Так что и для сейсмических волн закон Гука выполняется. Далее мы увидим, как. Сейчас же необходимо отметить, что сейсмические волны делятся на две основные группы: поверхностные и объёмные.

Поверхностные волны в свою очередь делятся на два типа: волны Релея и Лява. В первом случае движение частиц происходит по окружностям. Во втором – в горизонтальном направлении поперек движения волны (рис. 1).

А)

Б)

Рис. 1. Поверхностные волны. А) Релея; Б) Лява

Но эти волны не имеют практически никакой пользы при выполнении сейсмологических и сейсморазведочных работ. Причем иногда они наоборот создают помехи.

Объемные волны, в свою очередь, тоже разделяются на два типа: P (продольные) и S (поперечные). Движение частиц в продольных волнах (или в волнах сжатия) происходит вдоль распространения волны. В поперечных волнах (волнах сдвига) – поперёк. (Рис. 2)

Рис. 2. Виды объёмных волн

Скорости таких волн описываются формулами

  ;       

где l и m - параметры упругости среды (постоянные Ламе; l – объёмный модуль упругости или модуль всестороннего сжатия, m – модуль сдвига), пришедшие из закона Гука [1]. Видно, что Р-волны гораздо быстрее S-волн. Также необходимо отметить, что S-волны не распространяются в жидкой среде, что имеет огромное значение: так определяют агрегатное состояние веществ. Но на границе раздела двух сред возникает некоторая проблема: из S и P волн могут образоваться P и S волны соответственно.

Вообще, когда волна падает на поверхность раздела 2-х сред с различными упругими свойствами, она порождает отражённую и преломлённую волны. Соотношения между различными волнами можно найти из зависимостей между напряжениями и деформациями по обе стороны от границ раздела. При переходе через границу, разделяющую две среды, напряжения и деформации должны быть непрерывными.[2]

Глава 2. Применения сейсморазведки МОВ-ОГТ

2.1 Основные различия малоглубинных и глубинных исследований

В отличие от нефтяной сейсморазведки (диапазон изучаемых глубин колеблется от первых сотен метров до нескольких километров), в инженерной сейсморазведке метод отраженных волн не имеет такого доминирующего положения. Основная причина заключается в сложности адаптации уже наработанных методик, используемых в нефтяной сейсморазведке, к изучению верхней части разреза. Многие обрабатывающие процедуры МОВ-ОГТ (например, деконволюция, миграция, АVО-анализ) работают в предположении “дальней зоны”. Это означает, что длина волны импульса источника много меньше, чем расстояние до отражающих границ. При изучении малых глубин длина волны импульса источника соизмерима с расстоянием до изучаемой границы.

Несмотря на вышесказанное, у малоглубинных сейсморазведочных исследований есть ряд принципиальных преимуществ. Основное из них заключается в контролируемости источника упругих колебаний. Как правило, в качестве такового используется обыкновенная кувалда. Производя разнонаправленные удары кувалдой, в зависимости от положения приемников можно возбуждать волны различного типа (продольные или поперечные) и поляризации (вертикальной или горизонтальной) [4]. Данная особенность позволяет проводить работы МОВ-ОГТ с использованием различных типов волн в зависимости от геологических условий и решаемых задач.

2.2 Аппаратура для производства работ МОВ-ОГТ

В состав сейсморазведочной аппаратуры входят: сейсморазведочные станции, сейсмоприемники и источники упругих колебаний. Наиболее распространенным способом возбуждения упругих волн является применение механического источника типа “падающий груз”. Как правило, при производстве работ используется обыкновенная строительная кувалда.   В редких случаях, когда ставится задача исследовать большие глубины (от 100 до 500 м), используются механические системы, которые с ускорением сбрасывают груз (весом от 10 до 100 кг) с небольшой высоты (от 0,5 до 3 м). На рис. 3 изображен сейсмический источник “ESS 200” (Еlесtriс Seismic Sоurсе 200), смонтированный на автомобильном прицепе. Ударная часть источника представляет собой колонну весом 90 кг. В момент дистанционной инициализации возбуждения колонна поднимается на высоту ~ 0.5 м и под тяжестью собственного веса ударяется о металлическую плиту. Для увеличения ускорения падения колонны в источнике используется толстый резиновый жгут. Помимо механических, в инженерной сейсморазведке применяются источники импульсного типа. Наиболее распространенными в производстве являются: малогабаритный электромагнитный источник сейсмических волн “Геотон 06” (рис. 4), импульсный источник упругих колебаний (рис. 5).

Рис. 4. Малогабаритный электромагнитный источник сейсмических волн “Геотон 06”

Рис. 5. Импульсный источник упругих колебаний

2.3 Методика проведения работ МОВ-ОГТ

Работы МОВ-ОГТ в инженерной сейсморазведке проводятся с использованием продольных (P) и поперечных (S) волн. Для реализации полевой методики работы на том или ином типе волн используются различные компоненты возбуждения/приема. При проведении двумерных сейсмических исследований обычно выбирается следующая система координат [4]: ось Z направлена вертикально вниз, ось Х – вдоль линии профиля, ось Y – перпендикулярно линии профиля в горизонтальной плоскости (рис. 6).

Рис. 6. Схемы наблюдений в сейсморазведке: расстановка Z-Z (а), расстановка (б).

На рис. 6, а приведена схема наблюдений Z–Z (вертикальное возбуждение колебаний, вертикальный прием). При такой методике проведения по левых работ возбуждаются и принимаются преимущественно продольные волны. Такая система наблюдений относительно просто реализуема и имеет широкое распространение в нефтяной сейсморазведке. В инженерной сейсморазведке широкое распространение имеет схема наблюдений У–У (возбуждение и прием колебаний производятся в плоскости, перпендикулярной оси профиля). При такой методике возбуждаются и принимаются преимущественно поперечные волны горизонтальной поляризации (Sh-волны) (см. рис. 6, б).

Традиционно наиболее успешно в инженерной сейсморазведке применяется МОВ-ОГТ на поперечных волнах горизонтальной поляризации                   (Sh-волны) [5].

Можно выделить следующие основные причины:

– поперечные волны горизонтальной поляризации не порождают обменных волн при преломлениях и отражениях на границах разделов сред. Таким образом, наблюденные гиперболические оси синфазности на сейсмограммах ОПВ, полученных по методике У–У, должны соответствовать только отраженным и кратно отраженным поперечным Sh-волнам;

– скорости поперечных волн меньше, чем скорости продольных. На рис. 7 приведен пример двух полевых сейсмограмм ОПВ при одном положении приемной линии: полученные при регистрации по схеме Z–Z (а) и при регистрации по схеме У–У (б). На сейсмограмме Z–Z четко выделяется годограф однократно отраженной продольной волны, которая по своим кинематическим характеристикам очень близка к годографу головной волны. В то же время на сейсмограмме У–У выделяются сразу несколько (в диапазоне от 90 до 120 мс) годографов отраженных волн с различной интенсивностью;

– резкое увеличение скоростей продольных волн в породах, залегающих ниже уровня грунтовых вод. Контрасты скоростей продольных волн в верхней части разреза ниже уровня грунтовых вод становятся незначительными;

– возможность использования технологии вычитания “левых” и “правых” ударов.

Несмотря на перечисленные преимущества, в случае, когда в разрезе нет инверсного слоя, зачастую провести работы МОВ-ОГТ на поперечных волнах не представляется возможным. Основная причина этого заключается в наличии на сейсмических записях высокоамплитудной поверхностной волны, обладающей сильной дисперсией. Такая поверхностная волна интерферирует с отраженными волнами и не позволяет выделить их на записях. На рис. 8 приведен пример сейсмограммы, на которой нельзя проследить оси синфазности отраженных волн по причине их интерференции с высокоамплитудной поверхностной волной.

В случае, когда невозможно провести работы на поперечных волнах, можно провести работы на продольных волнах с использованием фланговой расстановки.[5]

Рис. 7. Сейсмограммы ОПВ, полученные при одном положении приемной линии: расстановка Z–Z (а), расстановка У–У (б).

ПВ_Х – координата пункта возбуждения, ПП_Х – координата пункта приема.

Рис. 8. Сейсмограмма ОПВ, на которой невозможно проследить оси синфазности отраженных волн. ПП_Х – координата пункта приема. 
Глава 3. Применение метода Рефрагированных волнн

Метод рефрагированных волн наиболее часто применяется в инженерной геофизике для изучения геометрии и физических свойств поверхности коренных пород и определения мощности рыхлых четвертичных отложений.

Наиболее оправдано использование метода рефрагированных волн при отсутствии ясно выраженной слоистости приповерхностного слоя отложений и, как следствие, отсутствии отраженных волн на записях. Глубиннность исследований по методу рефрагированных волн обычно составляет 25-30 % от максимального расстояния источник-приемник. При наличии мощного приповерхностного слоя рыхлых грунтов (сухих песков, торфяников), в котором происходит быстрое затухание энергии упругих волн, для получения годографа рефрагированной волны в первых вступлениях на базе приема в 250-400 м приходится использовать достаточно мощные источники упругих волн, зачастую – взрывы, там, где это разрешено природоохранными органами.

Одним из наиболее распространенных применений метода рефрагированных волн является выявление закарстованных участков в приповерхностных слоях коренных пород, представленных галогенно-карбонатными отложениями. В этих случаях глубинность метода обычно ограничена глубиной залегания кровли высокоскоростных отложений, однако изменчивость физических свойств выветрелой поверхности коренных пород и перекрывающего слоя грунтов проявляется достаточно отчетливо.

Глава 4. Применение сейсморазведки МПВ

Одной из инженерно-геологических задач, которую можно решать с помощью сейсморазведки, является задача картирования в плане и разрезе в зоне малых скоростей или даже верхней части разреза областей или зон с пониженными по отношению к среднему уровню значениями прочностных характеристик (ослабленных зон). Объектами с такими свойствами могут быть пустоты естественного или искусственного происхождения, зоны суффозионного выноса вещества, карстовые образования, участки повышенной трещиноватости горных пород и т. д. В качестве таких зон могут рассматриваться и достаточно сложные области геологического разреза с резкими изменениями характера границ объектов, а также среды с ярко выраженной анизотропией сейсмических свойств.

Для решения задачи картирования ослабленных зон обычно проводят полевые сейсмические исследования методом преломленных волн (МПВ), которые особенно выгодны при изучении протяженных трасс и значительных по площади участков. В МПВ после обработки годографов первых вступлений получают распределение в разрезе или в плане значений скорости распространения объемных волн (чаще продольных, реже поперечных). В этом направлении накоплен большой опыт и получены хорошие результаты (Спасский Б. А и др.). Идеи по применению обменных PSP – и PSS-волн (Савич А. И. 1969; Воронков О. К., 1966), получаемых на сейсмограммах МПВ, в настоящее время не нашли еще широкого применения, хотя эти волны могут служить источником информации о скоростях поперечных волн. Немало исследователей обращаются к использованию моделей среды, для которых характерно распространение рефрагированных волн. Современные модификации метода рефрагированных волн используют для построения скоростного разреза алгоритмы томографии, которые пригодны и для аномальных разрезов. Исходный полевой материал при этом должен быть получен по достаточно плотной сети. Таким образом, недостаток МПВ, связанный с ограничением на характер скоростного разреза, перестал быть доминантой при выборе метода сейсмических исследований геологической среды.

При использовании простейших поверхностных источников упругих колебаний свыше 85 процентов энергии удара уходит на формирование низкочастотных и низкоскоростных поверхностных волн. Являясь наиболее сильными помехами для метода отраженных волн, они в то же время содержат весьма ценную для изучения свойств грунтов информацию о скоростях распространения поперечных волн.

Наиболее передовая и быстро развивающаяся в настоящее время в малоглубинной сейсмике методика обработки, основанная на многоканальном анализе поверхностных волн (MASW), позволяет получать достаточно детальные одно- и двухмерные модели распределения скоростей поперечных волн Vs в массиве грунтов.

Естественным ограничением методики MASW является небольшая глубина проникновения энергии поверхностных волн в толщу грунтового массива. Существенным фактором для увеличения глубинности метода является возможность привлечения для совместного анализа с полученными в активном режиме записями пассивных низкочастотных шумов транспорта и работающих механизмов.

Основными предпосылками для многоканального частотного анализа является преобладание энергии компоненты поперечных смещений при распространении колебаний вдоль поверхности раздела сред и частотная дисперсия фазовых скоростей – увеличение видимого периода и, соответственно, увеличение глубины проникновения энергии поверхностной волны в толщу грунтового массива при увеличении скорости распространения поперечных смещений.

Рис. 9. Распределение скоростей распространения поперечных волн в толще моренных суглинков по данным MASW по одному из профилей

Приведенный на рис. 9 разрез характеризует типичное соотношение представительности геотехнических методов, бурения и геофизики при оценке физических свойств грунтового массива. Несмотря на достаточно высокую плотность точек бурения, они не обеспечивают пространственного построения границ инженерно-геологических элементов внутри относительно однородного массива моренных суглинков. В то же время скорости поперечных волн, характеризующие в первую очередь свойства скелета грунта, дают наглядную пространственную картину распределения в моренных суглинках крупнообломочной фракции с повышенными скоростями распространения поперечных волн.

При инженерных изысканиях для оценки состояния и свойств грунтового массива и насыщающих его флюидов обычно используются несколько типов волн: продольные отраженные, рефрагированные и поверхностные.

Глава 5. Применения метода многоканального анализа поверхностных волн (MASW)

В связи с активным ростом технологического и информационного прогресса создаются новые методы и методики геофизических исследований, одним из которых и является метод многоканального анализа поверхностных волн (MASW). Впервые он был представлен в геофизике в 1999 г., но за 15 лет в нашей стране в инженерных целях его применяли единицы. До недавнего времени слабый интерес к методу был связан с отсутствием должного программного обеспечения для обработки данных, опытной базы, ну и как основное, отсутствием его в нормативной литературе нашей страны. В настоящий момент по первым двум пунктам метод с успехом продвигается вперед.

При анализе распространения поверхностных волн методом MASW конечным результатом являются вариации распространения скоростей поперечных волн (Vs) для площадки исследования, которые вносят наибольший вклад в формирование поверхностных волн. Скорости поперечных волн (Vs) являются одной из упругих характеристик среды и тесно связаны с модулем Юнга. В большинстве случаев Vs являются прямым индикатором прочности грунтов (жесткости) и, следовательно, обычно используются для определения несущей способности грунтов.[6]

5.1 Условия выполнения полевых работ методом MASW

Рельеф местности. Поверхностные волны лучше всего возбуждать на более «плоской» поверхности земли в пределах одной расстановки D. Если это не так, то общие топографические изменения в пределах всей линии исследования не должны быть критическими. Принято, что любой рельеф поверхности, размерность которого больше, чем 10% от D, приведет к значительному препятствию для генерации поверхностных волн.

Механические помехи. Для методов МПВ, ВСП и МОВ-ОГТ шумовые помехи несут существенную угрозу качеству получаемого материала, когда как для метода MASW существенного влияния на формирование дисперсионного изображения не оказывают (Рисунок 2). Это связанно с высоким отношением сигнал/помеха. Вклад в полную энергию в приповерхностном слое для волн Релея составляет 67%, для S-волн 26%, для Р-волн 7%. Более того, существует пассивный метод MASW, в котором подвергаются анализу записи микросейсм от различных источников колебаний, будь они техногенные или природные.

Инверсионный разрез. Это разрез, где скорости в верхней части выше, чем в подстилающем слое. Такие разрезы распространены в северных регионах, где верхняя часть промерзает, а также разрезы в черте города с асфальтобетонным покрытием. Сравнивая минимальную длину волны Релея с мощностью верхнего высокоскоростного слоя можно сказать, что если минимальная длина волны больше, чем мощность этого слоя, то слой для неё будет «незаметен». Для стандартного шага пунктов приёма dx = 2 м верхние слои менее 0,7÷1,8 м будут «незаметными». В приведенных условиях применение метода МПВ невозможно, что позволяет выдвинуть метод MASW на передний план.[6]

5.2 Особенности выполнения полевых работ методом MASW

Источник определяет максимальную (Z max) и минимальную (Z min) глубину исследования путем генерации максимальной (L max) и минимальной (L min) длины волны. Существует соотношение Z max ≈ 0.5L max, где L max в этом случае определяется воздействием силы сейсмического источника. Как правило, в инженерной сейсморазведке применяются кувалды весом от 4 до 9 кг, которые позволяют исследовать глубины 10-20м (обычно около 15 м). В работах методами МПВ и ОГТ применяют накопление сигнала, чаще всего, от 3 до 10 накоплений, что хорошо сказывается на качестве материала метода MASW.

Приемники. Всегда рекомендуют использовать низкочастотные геофоны (например: 4,5 Гц или 10 Гц – наиболее распространенные в методах МПВ и ОГТ), которые определяют верхний предел регистрации самой большой длины волны L max. Величина L max, в свою очередь, напрямую связана с максимальной глубиной исследования. Верхний частотный предел геофонов не так критичен.

Геометрия установки. Длина приемной линии D непосредственно связана с длиной волны L max, которую можно будет проанализировать. L max, в свою очередь, определяет максимальную глубину исследования Z max. Значение D должно быть равно или больше, чем Z max:

D = mZmax (1 ≤ m ≤ 3)

С другой стороны, расстояние между приемниками dx (рис. 10) связано с самой короткой длиной волны Lmin, и, следовательно, определяет наименьшую разрешенную глубину исследования Zmin:

Zmin=kdx (0.3 ≤ k ≤ 1.0)

Рис 10. Геометрия установки.

Параметры записи. Рекомендуется применять шаг дискретизации dt = 0,5 мс, с T = 1 сек общего времени записи, эти параметры позволяют обрабатывать сейсмограммы как методом MASW, так и использовать в обработке любую другую целевую волну (например, преломленные и отраженные). В случае наличия предельно малых скоростей (например, Vs <100 м/с) или использования длинных приемных расстановок (D) (например, > 100 м) не будет лишним выбрать более длительный период записи T (например, 2 с). В активном методе MASW не рекомендуется применять чрезмерно большие T (например, T> = 5 с), потому что это может увеличить вероятность записи случайного шума.

Относительный шаг пункта возбуждения на профиле q*dx, где q для 24-хканальной установки колеблется 1-12. Этот интервал с переменной q непосредственно напрямую связан с разрешением метода по горизонтали. Соответственно, если обрабатывать данные, полученные методикой ОГТ, с высокой кратностью то и разрешение по горизонтали методом MASW будет высокое. А если обрабатывать данные, полученные методом МПВ с 5-ю или менее точками ПВ на 24 канала, то и разрешение у нас получается соответствующее - слабое.

Точка записи – место на поверхности, к которому привязывают полученную дисперсионную кривую. Известно 3 способа определения точки записи для метода MASW: 1) центр приемной расстановки; 2) геометрическое среднее всех центров пар источник-приемник; 3) 1/4D со стороны пункта возбуждения. Последний вариант получен опытным путем и по положению совпадает со вторым вариантом. Эти два варианта наиболее адекватны и хорошо согласуются с результатами других геофизических методов изучения геологического строения. Таким образом, для одного положения приемной расстановки есть возможность получения дисперсионных кривых в количестве, равном числу пунктов возбуждения.

Число каналов. Концепция многоканальных сейсмических исследований аналогична технологии визуализации разрешения в цифровых картинках. Поскольку при большом количестве доступных бит достигается более широкое цветовое разрешение, в то время как более высокое разрешение картинка достигается путем большего числа пикселей использующихся для захвата изображения (Рисунок 4). Число каналов играет роль битов и пикселей при оценке контрастности и чёткости изображения геологической среды.[6] 
Список использованной литературы

1. Короновский Н. В. Общая геология: учебник. – Москва: Изд-во МГУ, 2002. – 448 с.
2. Пузырёв Н. Н. Методы сейсмических исследований. – Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-е, 1992. – 236 с.

3. Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. – Москва: «Мир», 1987. – 447 с.

4. Тихонов А.А. Многоволновая сейсморазведка : учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 2008.
5. Скворцов А.Г. Высокоразрешающая сейсморазведка на поперечных волнах при изучении малых глубин : Матер. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика – 2007». Геленджик, 2007.
6. Ясницкий А.А., Колодий А.А, Шабарин В.Н. «Сравнение эффективности примененияметода MASW с традиционными методами сейсморазведки для целее инженерных изысканий.» Инженерная и рудная геофизика 2012 г ООО «ИнжГеоСервис», г. Туапсе