CC BY
12
УДК 550.83
КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ КАРЬЕРНОГО ВЗРЫВА КАК ИСТОЧНИКА СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
Сергей Александрович Ефимов
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, научный сотрудник, тел. (913)906-59-29, e-mail: sergesaesa@yandex.ru
В статье представлен качественный анализ карьерного взрыва как источника сейсмических волн. Предложен подход улучшения качества сейсмограмм в дальней зоне путем использования записи взрыва в ближней зоне в качестве ядра. Эффективность предложенного подхода показана на примере обработки экспериментальной сейсмической записи.
Ключевые слова: карьерный взрыв, сейсмическая запись, волновая зона, ядро преобразования, метод обработки.
QUALITATIVE ANALYSIS OF CAREER BLAST AS THE SOURCE OF SEISMIC WAVES
Sergey A. Efimov
Institute of the Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 6, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (913)906-59-29, e-mail: sergesaesa@yandex.ru
The article presents a qualitative analysis of the quarry explosion as a source of seismic waves. An approach to improving the quality of seismograms in the far zone by using near-zone explosion recording as a core is proposed. The effectiveness of the proposed approach is shown on the example of experimental seismic record processing.
Key words: career blast, seismic recording, wave zone, the core of the transformation processing method.
Постановка задачи. Вопрос использования энергии промышленных взрывов в качестве зондирующих сигналов для проведения исследовательских геофизических работ, связанных с изучением литосферы земли, привлекает внимание геофизиков на протяжении многих лет. Технология проведения геофизических работ включает в себя процедуру построения сейсмограмм. В естественном виде (непосредственная регистрация колебаний поверхности земли) качество сейсмограмм не всегда приводит к удовлетворительным результатам. Поэтому используется согласованный или оптимальный приемник, осуществляющий дополнительную обработку данных регистрации по следующему алгоритму:
Введение
где s(t) - сигнал на входе приемника; Я^) - ядро преобразования; ц^) - сигнал на выходе приемника.
В работе [1] показано, что при использовании согласованного или оптимального приемника для выделения зондирующего сигнала из шума можно получить отношение наибольшего значения сигнальной функции на выходе приемника к среднеквадратическому значению выходного шума равное:
; (2)
где Е - энергия сигнала; N - спектральная плотность шума.
При этом ядро преобразования для оптимального фильтра должно удовлетворять условию [1]:
Я ^ -т) = ^ -т). (3)
где s0(t) - функция зондирующего сигнала, формируемого распределенным карьерным взрывом в однородной среде в волновой зоне.
Методы и материалы
Распределенный карьерный взрыв как физическое явление представляет собой сложный процесс формирования сейсмической волны. По аналогии с атомным взрывом пространство формирования ударной и сейсмической волны разделяется на две области: области нелинейных и линейных деформаций. Для получения сейсмограммы от карьерного взрыва в дальней зоне по формуле (1) необходимо иметь ядро преобразования Я^). Построение математической модели этого ядра является задачей нетривиальной. Поэтому более конструктивным подходом для решения этой задачи, по мнению автора, является экспериментальное измерение сейсмического сигнала в ближней волновой зоне с дальнейшим использованием его в качестве функции ядра.
Исследование сейсмического сигнала.
На рис. 1 представлена запись карьерного распределенного взрыва в волновой зоне в районе Бачатского угольного разреза Кемеровской области. Для регистрации использована сейсмостанция «РОСА» и трехкомпонентный сейсмометр СК1-П. Время регистрации - 10 августа 2001 г. Взрыв формируется из 220 скважин по 180 кг взрывчатого вещества в каждой скважине. Одновременно взрываются 10 скважин. Время между взрывами - 25-30 мс. Значение общего времени взрыва находится в диапазоне 550 - 660 мс. Среда взрыва - угольный блок.
На рис. 2 представлена запись карьерного распределенного взрыва в дальней зоне в районе Быстровского полигона Новосибирской области. Сейсмостанция - ВИРС-М. Количество сейсмометров СК-1П - 5.
На рис. 3 представлены результаты обработки по формуле (1) сейсмических сигналов в дальней зоне. При этом в качестве ядра преобразования использована экспериментальная запись карьерного взрыва в ближней зоне, соответствующая рис. 1.
-60<Г
* М
=т <
Время, с.
0 1 2 3 4 5 6 7 Частота, Гц.
10 Б2
Рис. 1. Сейсмический сигнал от карьерного взрыва в волновой зоне,
сейсмометр СК1-П №1, Ъ компонента (рис. слева); спектральная характеристика сейсмического сигнала (рис. справа)
ук1п + 200
ук2„
ук3п-200
500 350 200 50 -100 -250 -400 "550 "700 -850 "1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
п 50
Рис. 2. Сейсмический сигнал от карьерного взрыва в дальней зоне, 5 сейсмометров СК1-П, Ъ компонента. Расстояние между сейсмометрами 200 м
ук5п-600
р1 п
р2 п - 200
Р3 п - 400 —400
р4 п - 600
р5 п - 800
—н»
«и
20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100
п 50
Рис. 3. Результаты обработки сейсмического сигнала от карьерного взрыва в дальней зоне, 5 сейсмометров СК1-П, Ъ компонента. Расстояние между сейсмометрами 200 м
0
9
ь0
200
80
-40
160
-280
— 520
640
— 760
880
Сравнение сейсмических сигналов от карьерного взрыва в дальней зоне по рис. 2 с результатами обработки этих сигналов (рис. 3) показывает целесообразность предлагаемого способа обработки с целью повышения достоверности определения времени вступления сейсмических волн. На следующих рисунках показаны графики сейсмограмм, на которых выделены временные интервалы, соответствующие первым вступлениям сейсмических волн.
Для успешного использования записей взрыва в ближней зоне при формировании сейсмограммы необходимо провести регистрацию взрыва в волновой зоне. Граница раздела нелинейных и линейных деформаций находится на определенном расстоянии от точки или области взрыва. Исследователь расставляет сейсмометры для регистрации взрыва в ближней зоне, учитывая мощность, геометрию взрывных скважин и характеристику среды. При этом всегда существует неопределенность, которая может привести к ситуации, когда часть сейсмометров регистрируют сигнал в нелинейной зоне, а часть сейсмометров -в линейной (волновой) зоне. Для анализа данных регистрации с целью определения: относится сигнал к волновой зоне или зоне деформации, - можно использовать следующую функцию:
в(ю,т) = [Яв{8(ю) • в]-ют}]2. (4)
Использование этой функции для анализа записей взрыва позволяет формировать своеобразную «голограмму», вид которой достаточно точно идентифицирует область регистрации - волновая или область деформации. В качестве примера рассмотрим «голограммы» записи карьерного взрыва двух сейсмометров, полученных в соответствии с формулой (4). При этом один сейсмометр располагался ближе к точке взрыва. На рис. 4 показаны «голограммы» карьерных распределенных взрывов и соответствующие им временные сигналы в волновой зоне (слева) и на границе нелинейная - линейная область (справа). Место регистрации: район Бачатского угольного разреза Кемеровской области, сейсмостанция «РОССА», трехкомпонентный сейсмометр СК1-П, Ъ компонента, дата регистрации -10.08.2001. Ось ординат рис. 4 соответствует аргументу ю и имеет масштаб 0,1*Гц. Ось абсцисс рис. 5 соответствует аргументу т и имеет масштаб 0,02*с.
Особенностью «голограммы» распределенного карьерного взрыва в точке регистрации, соответствующей волновой зоне, является наличие определенной структурности рисунка - единства структурного рисунка, - и концентрация энергии сигнала в небольшом частотном диапазоне, в данном случае в диапазоне от 2 до 4 Гц. На «голограмме» распределенного карьерного взрыва на границе нелинейная - линейная область видно нарушение единства рисунка структуры и расширение частотного диапазона. В качестве примера «голограммы» записи карьерного взрыва в зоне деформации (нелинейная область), рассмотрим запись карьерного взрыва в районе поселка Таштагол Кемеровской области, дата регистрации - 26.06.2004. На рис. 5 показаны «голограммы» карьерного распределенного взрыва и соответствующие им временные сигналы с сейсмометров, расположенных в зоне деформации (нелинейная область).
р!п
Р3,-14«150
Р4.-210
- -200
р5,-280
, А д м/1\ ГулАЛГ
\zv\Z 1¡Ь Ж Vй Jчг
»"ЛЛ VI/ М № чЛЛ-
Л!\1 /\А МлЛ А^ Лл.
V у 11 \1 V А Л Я Л А Л 14 л,
м ¡М ИМ Ал-
М АН/ И мм-
V II пц
ук2п
ук3п-15а150 ук4п-300
"л5П"-4!0-24<>
32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 50
32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 50
Рис. 4. Сейсмограмма после обработки сейсмического сигнала от карьерного взрыва в дальней зоне (слева); сейсмограмма без обработки сейсмического сигнала (справа). Первое вступление волн - 38 с
210
50
120
30
-50
ук1. + 150
60
250
-330
300
420
350
-510
42
Е! %
-6(10
Время, с.
Рис. 5. «Голограммы» карьерного распределенного взрыва и соответствующие им временные сигналы в волновой зоне (слева) и на границе нелинейная - линейная область. Место регистрации: район Бачатского угольного разреза Кемеровской области, Ъ компонента, сейсмостанция «РОССА», дата регистрации - 10.08.2001
АО
0
Представленные на рис. 6 «голограммы» карьерного взрыва объективно характеризуют место расположения сейсмометров как нелинейную область -зону деформации. На всех «голограммах» распределенного карьерного взрыва, зарегистрированного в нелинейной зоне деформаций, видно нарушение единства рисунка структуры и существенное расширение частотного диапазона.
А о ¡сю т т о 200 400 т о 200 +00 б и и
0 1 2 3 4 5 6 7
Ь
Время, с.
0 1 2 3 4 5
Ь
Время, с.
0 1 2 3 4 5
Ь
Время, с.
9 10
Рис. 6. «Голограммы» карьерного распределенного взрыва. Место регистрации: район поселка Таштагол Кемеровской области,
дата регистрации - 26.06.2004
Результаты
В ходе исследования экспериментальной сейсмической записи карьерного взрыва в ближней и дальней зоне установлены особенности спектральных характеристик распределенного взрыва. Использование записи карьерного взрыва в ближней зоне в качестве ядра преобразования приводит к повышению качества синтетической сейсмограммы в дальней зоне. Предложенный способ идентификации нелинейных и линейных (волновых) зон дает исследователю возможность выбора качественных записей взрыва для формирования ядра преобразования.
Обсуждение
Эффективность использования карьерных взрывов при решении задач геофизики зависит от местоположения регистраторов в ближней зоне. Для повышения качества сейсмограмм в дальней зоне важно получить запись взрыва
в волновой зоне, которая будет использована в качестве ядра преобразования. Представленный алгоритм формирования «голограммы» взрыва является эффективным инструментом выбора волновой зоны.
Заключение
Предложенный способ обработки позволяет формировать более качественные «взрывные» сейсмограммы с использованием функции ядра преобразования, полученной на основе экспериментальных данных. Увеличение качества сейсмограмм для точек регистрации в дальней зоне обусловлено дополнительной фильтрацией за счет использования процедуры свертки. «Голограммы» карьерных взрывов, полученные с использованием функции (4), представляют для исследователя полезный и оперативный инструмент анализа качества сейсмических данных. Представленный в данной работе способ обработки позволяет более эффективно использовать энергию промышленных взрывов для проведения исследовательских геофизических работ, связанных с изучением литосферы земли.
Благодарности
Автор выражает благодарность всем участникам научных семинаров лаборатории геофизической информатики ИВМиМГ СО РАН, в атмосфере которых формировалась постановка задач и проблем обработки сигналов в геофизике.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.
2. Трахтман А.М. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов. М. Изд-во «Советское радио», 1972, 352 с.
3. Сильвиа М.Т. Робинсон Э.А. Обратная фильтрация геофизических временных рядов при разведке на нефть и газ. - Пер. с англ. М.: Недра, 1983, 1983, - 447 с.
© С. А. Ефимов, 2018
