CC BY
2УДК 550.34.094: 550.834
Г. П. Мартынов, В. В. Туманов, А. Ю. Грицаенко, Д. С. Бородин
АНАЛИЗ ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НА ПОЛЕ ШАХТЫ «КАЛИНОВСКАЯ -ВОСТОЧНАЯ»
Проведён анализ пассивных и активных сейсмических наблюдений, сравнение микросейсмического шума разных регионов, выявлен низкочастотный отклик микросейсмического сигнала на геологическую среду при возбуждении высокочастотных сейсмических колебаний механическим источником.
Ключевые слова: микросейсмические сигналы, микросейсм, сейсмические исследования, сейсморазведочные работы, интерпретация данных.
Введение. В рамках НИР по госзаданию № FRSR 2023- 0007 «Разработка геолого-геофизической модели формирования аномальных скоплений метана на угольных шахтах в зонах динамического влияния разломов» на поле шахты «Калиновская-Восточная» проведены полевые сейсмические исследования методом общей глубинной точки с использованием аппаратуры GEODE, результаты которых необходимы для определения скоростных характеристик аномальных скоплений метана и вмещающих пород в зоне динамического влияния тектонических разломов. С целью предметной оценки низкочастотных характеристик изучаемого разреза там же были проведены сейсмические наблюдения с применением датчиков СМ-3КВ. В данной статье проводится анализ сейсмических сигналов, полученных активным и пассивным способом наблюдений.
Ранее было установлено, что в сейсмических сигналах малых амплитуд (микросейсм) на поверхности Земли присутствуют: микросейсмы от далеких землетрясений и разгрузки напряжений
в зонах активных тектонических разломов с частотой меньше 0.1 Гц; микросейсмы, представленные поверхностными волнами Рэлея и Лява, образованные ударами океанических волн о скалы с частотой от 0.1 до 0.3 Гц; микросейсмы геологической и техногенной природы с частотой от 0.3 до 5 Гц; микросейсмы преимущественно техногенного характера с частотой от 5 до 50 Гц [1].
При этом в сейсмической записи независимо от места измерения обязательно будет с разной степенью влияния присутствовать так называемый сейсмический шум, вызванный множеством причин, которые в классических исследованиях являются нежелательными компонентами сигналов.
Пассивные и активные сейсмические наблюдения.
Активные сейсмические исследования выполнены по нескольким профилям, заданным в крест простирания надвигов Тимошенко и Французского на поле шахты «Калиновская-Восточная» [2]. На рисунке 1 показаны профиль 3 (ПР3) и 4 (ПР4) этих исследований и пикеты, на которых находились датчики. Сейсмические пассивные наблюдения проводились тремя датчиками СМ-3КВ. Два ориентировались по горизонтали на север (North), восток (East) и третий по вертикали (компонента Z). Все сейсмические работы проводились в течение нескольких часов в дневное время. Запись пассивных микросейсмических сигналов в точке наблюдения МС (рис. 1) по времени длились дольше, чем сейсморазведочные работы по профилям, в том числе и по профилю ПР3 и ПР4.
Следует отметить, что частоты дискретизации сигналов по профилям с активным возбуждением упругой волны ударным источником были выше частоты дискретизации в точке МС пассивного наблюдения. Так по профилям сигналы оцифровывались частотой 1000 Гц, а микросейсмические сигналы в МС частотой 50 Гц.
Частота сигнала (рис. 2) наибольшей амплитуды, фиксируемая датчиками, расположенными по профилям с активной сей-смикой, находилась в диапазоне 30 ^ 60 Гц.
Рис. 1 - Расположение сейсморазведочных профилей ПР3 и ПР4 и точки микросейсмического (МС) наблюдения
На пикете 0 профиля 3 сигнал на датчике и усреднённый сигнал по всем пикетам практически совпадает, т.к. представленные графики соответствуют измерениям, когда пункт возбуждения сейсмических колебаний располагался вблизи нулевого пикета.
Данный частотный вклад очень хорошо видно на временной шкале сигнала с датчика (рис. 3), где первые 2 ^ 3 периода по 16 ^ 30 мс имеют наибольшие амплитудные значения.
В связи с тем, что микросейсмические сигналы в МС оцифровывались частотой 50 Гц, то по теореме Котельникова наблюдаемые пассивные сигналы не превышали 25 Гц. На рисунке 4 видно, что по мере приближения к частоте Найквиста наблюдается сильный спад частотной характеристики сигнала.
б)
Рис. 2 - Спектр сейсмических сигналов на пикетах пк0 (а) и пк1 (б) (синяя кривая) и усреднённый спектр по всем пикетам профиля ПР3 (красная кривая)
Рис. 3 - Сигнал на датчике аппаратуры GEODE в момент
возбуждения волны
Рис. 4 - Спектр Z - компоненты пассивного наблюдения датчиком СМ - 3КВ и частотой оцифровки 50 Гц
Анализ сейсмических данных.
Вид временных рядов микросейсмического сигнала (рис. 5) при пассивном наблюдении в точке МС соответствует классическому представлению (рис. 6) [3], где присутствуют сигналы всех типов, выделенные в диссертации Антоновской Г. Н.
Рис. 5 - Микросейсмический сигнал при пассивном
наблюдении
Рис. 6 - Блок схема разделения сигнала, используемого при сейсмомониторинге, по типам с указанием характерного
частотного диапазона
Микросейсмические сигналы визуализировались и обрабатывались программой WSG, принятой как стандарт в Единой геофизической службе РАН при работе с сейсмологическими данными [3].
Как видно на рисунке 4, преобладающее значение энергии микросейсм сосредоточено в низкочастотной части спектра (до 3 ^ 6 Гц). По мере увеличения частот энергия снижается и уже на частотах 10 ^ 20 Гц она примерно на два порядка ниже [4], если нет рядом мощного источника техногенных помех.
Исследования происхождения сейсмического шума показывают, что низкочастотная часть спектра (ниже 1 Гц) в основном обусловлена естественными причинами, главным образом океанскими волнами [5]. В частности, глобально наблюдаемый пик (рис. 7) между 0,1 и 0,3 Гц явно связан с взаимодействием водных волн почти одинаковой частоты [6]. На высокой частоте (выше 1 Гц) сейсмический шум в основном создается деятельностью человека (техногенные помехи) (см. рис. 4 и 7).
Рис. 7 - Вертикальная низкочастотная компонента микросейсмического сигнала пассивного наблюдения
датчиком СМ - 3КВ
Провал спектра в диапазоне частот от 0.7 до 1,4 Гц (рис. 7) имеет глобальный характер и является разграничительной областью между низкочастотными и высокочастотными микросей-смами. Как показывают различные исследования, этот провал не является характерным для определённого региона (присутствует в разных регионах) и практически не зависит от сезонных изменений внешней среды, времени суток и имеет довольно низкие
значения (не более 30 нм/с) [7]. Так на рисунке 8 показан типичный для территории Воронежского кристаллического массива амплитудно-частотный спектр вертикальной компоненты микросейсмического сигнала [8], а на рисунке 9 среднечасовые спектры микросейсмического шума, рассчитанные для трёх станций -«Гарм» (GARM), «Шаартуз» (SHAA) и «Душанбе» (DUSH) в Таджикистане [9], где хорошо виден провал спектра в диапазоне частот от 0.7 до 1,4 Гц.
Временные ряды сейсморазведочных данных, записанных аппаратурой GEODE, обрабатывались программой RadExPro. Кроме основных сейсмозаписей аппаратурой GEODE, полученных по методу ОГТ, была сделана запись пассивного сейсмического сигнала с дискретизацией 125 Гц
Рис. 8 - Типичный для территории Воронежского кристаллического массива амплитудно - частотный спектр микросейсмического сигнала
На рисунке 10 видно присутствие помехи 10 Гц, как и на спектрах микросейсмических сигналов (см. рис.7), которую в дальнейшем можно использовать как опорную при анализе.
Рис. 9 - Среднечасовые спектры микросейсмического шума станций GARM, SHAA и DUSH в Таджикистане
Рис. 10 - Пассивный сейсмический сигнал с датчиков
аппаратуры GEODE
Как отмечалось выше, наибольший клад в фиксируемый сигнал активной сейсмики (см. рис. 2) дают частоты сигнала в диапазоне 30 ^ 60 Гц. Поэтому при частоте дискретизации 50 Гц пассивный микросейсмический сигнал не фиксирует эти частоты.
Но при сравнении спектров пассивного сигнала за периоды времени, когда производились возбуждения упругой волны, и времени, когда не проводились сейсморазведочные работы, вы-
ясняется, что спектры имеют одну закономерность. На рисунке 11 видно, что спектры в день работ по профилю 3 практически совпадают, за исключением фрагмента в районе 5 Гц. Чётко видно геологический отклик на возбуждение сейсмических колебаний в низкочастотной области в районе 5 1ц. Такая зависимость существует и при исследованиях на более отдалённом профиле ПР4 (рис. 12). Разница более мощных сигналов в районе 5 Гц хорошо видна на фоне помехи 10 Гц, присутствующей на всех измерениях. На более ранних исследованиях на профиле 1 (более удаленный от МС, на рисунке 1 не отображён) также присутствует такая закономерность (рис. 13). Более того, в условиях мощных помех практически во всём измеряемом диапазоне (рис. 13), созданных близкой работой на поле трактора, сохраняется закономерность геологического отклика в районе 5 Гц.
О 1 2 3 4 5 6 7 9 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2S
__I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I-1—I—I-1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I I I I I I
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Гц
Рис. 11 - Спектры микросейсмического сигнала при сейсморазведочных работах на ПР3 (красный) и в периоды, когда эти работы не велись (синий)
Поэтому на рисунке 13 отклик сигнала (чёрный) в районе Гц ещё более сильный и это понятно, т.к. сейсмический сигнал, возбуждённый трактором гораздо мощнее, чем возможность возбудить сигнал ручным способом.
%
ПРЗ
4,76 Гц
90-
Рис. 12 - Спектры микросейсмического сигнала при сейсморазведочных работах на ПР4 (красный) и в периоды, когда эти работы не велись (синий)
Рис. 13 - Спектры микросейсмического сигнала при сейсморазведочных работах на ПР1 (красный), в периоды, когда эти работы не велись (синий) и в момент работы на
поле трактора (чёрный)
Заключение. По результатам проведенных полевых геофизических исследований на поле шахты «Калиновская-Восточная» методами пассивной сейсморазведки и микросейсмических наблюдений установлено, что записи пассивных сейсмических сигналов разными датчиками соответствуют классическим представлениям о формах и амплитудах микросейсмического сигнала.
Характерный глобальный пик между 0,1 ^ 0,3 Гц и провал спектра в диапазоне частот от 0,7 до 1,4 Гц является общим для разных регионов, в том числе и для Донбасса.
Наиболее важным результатом проведенного в статье исследования, по мнению авторов, является отчетливо зафиксированный факт отклика сейсмического сигнала в районе частоты 5 Гц на техногенно нагруженную геологическую среду, проявляющегося на пассивных микросейсмических записях, полученных в условиях возбуждения высокочастотных сейсмических колебаний ударным механическим источником. Заметим также, что на частотах, близких к 5 -^7 Гц, наблюдаются также максимумы спектров микросейсмических сигналов, зарегистрированных в период проведения в этом районе мониторинговых исследований по установлению природы сейсмических толчков [10].
Последующий анализ и интерпретация результатов активных и пассивных сейсмических исследований должны базироваться на выявленных закономерностях в регистрируемых волновых полях, что в конечном итоге позволит провести более качественную и достоверную оценку сейсмических характеристик аномальных скоплений метана и вмещающих их пород.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы № FRSR 2023-0007 «Разработка геолого-геофизической модели формирования аномальных скоплений метана на угольных шахтах в зонах динамического влияния разломов» на поле шахты «Калиновская-Восточная».
ЛИТЕРАТУРА
1. Анциферов, А. В. Помехи и шумы микросейсмических сигналов на примере мониторинговых наблюдений в Донбассе / А. В. Анциферов, В. В. Туманов, Л. А. Новгородцева, Г. П. Мартынов, Д. С. Бородин, Е. А. Ялпута // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк. - 2023. - № 22(37). - С. 137-147.
2. Новгородцева, Л. А. Изучение предпосылок применения микросейсмических методов для выявления газоносных структур
в условиях шахтного поля. «Калиновская-Восточная» [Текст] / Л. А. Новгородцева, В. В. Туманов, О. Л. Шалованов, Д. С. Бородин, Е. А. Ялпута // Журнал теоретической и прикладной механики. - Донецк, ДонНУ. - 2023. - № 4 (85). - С. 89-105.
3. Антоновская, Г. Н. Сейсмический мониторинг состояния антропогенных объектов и территорий их размещения, включая Крайний Север: дис. д-р техн. наук: 25.00.10 / Антоновская Галина Николаевна [Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. Академика Н. П. Лаверова] -Архангельск. - 2018 - 317с.
4. Абрамов, О. К. Помехоустойчивые измерения слабых сейсмических сигналов / О. К. Абрамов, В. М. Безуглов // Вестник РГРТУ. - Рязань. - 2008. - Вып. 23. - С. 74-84.
5. Данилов, К. Б. Выявление геологических неоднородно-стей в верхней части земной коры на основе анализа низкочастотных микросейсм (на примере архангельской области): канд. физ.-мат. наук: 25.00.10 / Данилов Константин Борисович [Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. Академика Н. П. Лаверова] - Архангельск. - 2017 -181с.
6. Сейсмический шум Википедия [Электронный ресурс] -Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Seismic_noise - Загл. с экрана (дата обращения 20.08.2024).
7. Надежка, Л. И. О связи параметров сейсмического шума с геологическими и геодинамическими особенностями воронежского кристаллического массива / Л. И. Надежка, Р. А. Орлов, С. П. Пивоваров, И. Н. Сафронич, М. А. Ефременко // Вестн. Воронеж. ун.-та. Серия: Геология. - Воронеж: ВГУ. - 2003. - № 2 -С. 179-185.
8. Орлов, Р. А. Опыт использования микросейсмического шума для решения геологических задач в условиях платформы (на примере Воронежского кристаллического массива) // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. - Воронеж: ВГУ. - 2011. - № 1. - С. 184-192.
9. Журавлёв, В. И. Особенности временных вариаций микросейсмического шума на сейсмических станциях в Таджики-
стане / В. И. Журавлёв, А. А. Лукк // Российский сейсмологический журнал - 2021. - Т. 3. - № 4. - С. 18-37.
10. Анциферов, А. В. Возможности обнаружения трещиноватых газонасыщенных зон на шахтных полях с использованием микросейсм [Текст] / А. В. Анциферов, В. В. Туманов, Л. А. Нов-городцева, В. А. Анциферов, Д. С. Бородин // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк. - 2023. - № 20-21 (35-36). - С. 101-111.
Мартынов Геннадий Павлович - старший научный сотрудник РАНИМИ, Россия, ДНР, г. Донецк, [email protected].
Туманов Виктор Владимирович - заведующий отделом ЭГИ РАНИМИ, Россия, ДНР, г. Донецк, [email protected].
Грицаенко Антон Юрьевич - научный сотрудник, Россия, ДНР, г. Донецк, anthony.yuriev@ya. ru.
Бородин Дмитрий Сергеевич - младший научный сотрудник РАНИМИ, Россия, ДНР, г. Донецк, [email protected].
ANALYSIS OF PASSIVE AND ACTIVE SEISMIC SURVEY IN THE FIELD OF THE KALINOVSKAYA-VOSTOCHNAYA MINE
An analysis of passive and active seismic survey, a comparison of microseismic noise in different regions, and a low- frequency response of a microseismic signal to a geological environment when high- frequency seismic vibrations are excited by a mechanical source were identified.
Keywords: microseismic signals, microseism, seismic research, seismic exploration, data interpretation.
Martynov Gennadiy Pavlovich - Senior research scientist, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Tumanov Victor Vladimirovich - Head of department EGI RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Gritsaenko Anton Yurievich - Research scientist, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Borodin Dmitriy Sergeevich - Junior researcher scientist RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
