CC BY
31
УДК 550.834
DOI: 10.183 03/2618-981X-2018-4-296-301
О ГЛУБИННОСТИ МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ПУСТОТ ПО МИКРОСЕЙСМАМ
Константин Владимирович Федин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, старший преподаватель кафедры геофизики; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доцент кафедры геофизических систем, тел. (383)333-34-19, e-mail: FedinKV@ipgg.sbras.ru
Юрий Иванович Колесников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики; Сейсмологический филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, ведущий геофизик, тел. (383) 333-31-38, e-mail: KolesnikovYI@ipgg.sbras.ru
Лакиморе Нгомайезве
Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, магистрант, e-mail: Lngomayezwe@gmail.com
В предыдущих работах авторами показано, что по регистрируемым на поверхности микросейсмам можно оценивать параметры формирующихся между дневной поверхностью и ближайшей к ней резкой границей стоячих волн, которые могут быть использованы для выявления приповерхностных подземных пустот. В настоящей статье на результатах физического моделирования демонстрируется, что глубинность такого метода на порядок превышает сделанные ранее оценки.
Ключевые слова: подземные пустоты, упругие стоячие волны, физическое моделирование.
ON THE DEPTH OF INVESTIGATION IN THE METHOD OF DETECING UNDERGROUND CAVITIES USING MICROTREMOR
Konstantin V. Fedin
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, Laboratory of Dynamic Problems of Seismics; Novosibirsk National Research State University, 2, Pirogova St., Novosibirsk, 630073, Russia, Senior Lecturer, Department Geophysics; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Associate Professor, Department of Geophysical Systems, phone: (383)333-34-19, e-mail: FedinKV@ipgg.sbras.ru
Yury I. Kolesnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Associate Professor, Chief Researcher, Laboratory of
Dynamic Problems of Seismics; Seismological Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Leading Geophysicist, phone: (383)333-31-38, e-mail: KolesnikovYI@ipgg.sbras.ru
Luckymore Ngomayezwe
Novosibirsk National Research State University, 2, Pirogova St., Novosibirsk, 630073, Russia, Graduate, e-mail: Lngomayezwe@gmail.com
As we have shown in previous papers, it is possible to estimate the parameters of standing waves that form between the day surface and the nearest sharp boundary using surface microtremor records. These waves can be used to detect near-surface underground cavities. In this paper, the results of physical modeling demonstrate that maximum depth of investigation in this method is at least by a factor of ten higher than the previous estimates.
Key words: underground cavities, elastic standing waves, physical modelling.
Для решения задач по поиску и изучению подземных пустот наряду с достаточно трудоемкими прямыми методами, такими как бурение, вскрытие грунта канавами, шурфами и т. д., применяются и намного менее трудоемкие геофизические методы, в частности - инженерная сейсморазведка. Несмотря на разнообразие применяемых подходов, возможности традиционных активных (с искусственными источниками) сейсмических методов во многих случаях ограничены из-за относительно малых в сравнении с длиной волны размеров не-однородностей [1].
В работе [2] предложен и опробован на данных физического моделирования пассивный сейсмический метод обнаружения подземных пустотелых объектов. Метод основан на выделении из микросейсмического поля стоячих волн, формирующихся между земной поверхностью и либо подошвой низкоскоростного приповерхностного слоя, либо верхней поверхностью пустотелого объекта. Выделить из шумового поля стоячие волны можно, например, накапливая (усредняя) амплитудные спектры большого числа шумовых записей. Так как частоты и амплитуды стоячих волн над пустотелым объектом и в его отсутствие должны отличаться, эти параметры могут быть использованы для обнаружения подземных пустотелых объектов, а при определенных условиях и для оценки их формы и глубины залегания. Возможность выделения стоячих волн из микросейсм в верхней части разреза подтверждена и в натурных экспериментах [3].
Подтверждением того, что резкие пики, если они выделяются на осреднен-ных спектрах, соответствуют стоячим волнам, может служить регулярный характер этих пиков. В приповерхностных стоячих волнах на земной поверхности должны наблюдаться пучности, а на ближайшей к ней резкой отражающей границе (в зависимости от условий отражения) либо пучности, либо узлы (подобно стоячим волнам в незакрепленном или закрепленном одним концом стержне [4]). Соответственно, на расстоянии между этими границами должно укладываться в первом случае целое число полудлин, а во втором - нечетное число четвертей длин стоячих волн.
Собственные частоты для вертикального сжатия-растяжения слоя в этих двух случаях определяются, соответственно, формулами
п¥р
/п = (1)
2п
или
(2" - Щ
л, (2)
где п - номер моды стоячих волн, Ур - скорость продольных волн в слое, И - толщина слоя. И в том, и в другом случае интервал между соседними собственными частотами Д^ -(/п+1 - /п) равен Ур / 2к, т. е. частоте низшей моды
/1, определенной по формуле (1).
Ранее на основании анализа результатов физического моделирования заглубленных труб разного диаметра нами был сделан вывод, что глубинность метода, основанного на выделении стоячих волн из шумового поля, ограничена примерно 5-8 минимальными горизонтальными размерами пустотелых объектов (в данном случае 5-8 диаметрами труб) [3]. В то же время шаг между точками применявшейся в этих экспериментах системы наблюдений в два раза превышал диаметр наименьшей трубы. Мы предположили, что применение более детальной системы и увеличение времени наблюдений может позволить повысить глубинность метода. Ниже представлены результаты физического моделирования, подтверждающие справедливость этого предположения.
Схема экспериментов приведена на рис. 1, а. Для моделирования заглубленных полостей мы использовали блок из плексигласа размером 12 х 20 х 25
-5
см , с нижней грани которого были просверлены несколько цилиндрических отверстий сверлами разного диаметра и с разной формой режущей поверхности (рис. 1, Ь). Отверстия располагались вдоль большей средней линии нижней наибольшей грани блока с шагом примерно 2 см. Диаметры и максимальная глубина отверстий приведены в таблице.
Параметры полостей и число накопленных спектров
Номер полости Диаметр, мм Максимальная глубина, мм Длительность записи, с.
1 12 15,5 6,5
2 8 15 6,5
3 6,5 13 6,5
4 5 11 6,5
5 4 12 13
6 3 10 26
7 1,5 8,5 65
♦ Усилитель
©
Приемник
Цифровой осциллограф
п
а
Шум-'
гт
п П П П П п и
Громкоговорители
Модель
JUL
^ Шум
2
3 4 5 6 7
b
Рис. 1. Схема эксперимента (а) и конфигурация полостей возле нижней поверхности модели (Ь)
Для возбуждения акустического шумового поля, имитирующего микро-сейсмы, на противоположных боковых гранях модели были установлены два электродинамических громкоговорителя, на которые с двухканального аудиовыхода компьютера (ПК) подавались генерируемые программой Audacity (http://audacity.sourceforge.net/) в режиме белого шума независимые электрические сигналы. Регистрация шумовых данных проводилась на верхней грани блока на профиле, проходящем над просверленными на нижней грани отверстиями. Шаг по профилю составлял 2 мм.
Для регистрация шумовых сигналов использовался широкополосный пье-зокерамический датчик поршневого типа диаметром 2 мм. Ось максимальной чувствительности датчика была ориентирована по нормали к поверхности модели, поэтому регистрировались преимущественно ее вертикальные колебания. Сигналы от датчика регистрировались цифровым осциллографом В-423 с частотой дискретизации 1 МГц и записывались на жесткий диск компьютера для последующей обработки. Общая длительность записей в разных точках варьировалась от 6,5 до 65 с (см. таблицу).
Обработка экспериментальных данных сводилась к расчету и последующему осреднению амплитудных спектров большого числа последовательных фрагментов шумовых записей длительностью Т « 4,1 мс (4096 отсчета при частоте дискретизации 1 МГц). Такая длительность обеспечивала достаточную для исследуемого диапазона спектральную разрешающую способность (А/ = 1/ T) на уровне примерно 240 Гц.
На рис. 2 приведены осредненные амплитудные спектры, полученные по шумовым записям разной длительности, зарегистрированным на верхней поверхности модели на профиле, проходящем над центрами высверленных на ее нижней грани полостей. Как можно видеть, на всех спектрах выделяются пять мод стоя-
чих волн. То, что это именно стоячие волны, подтверждает их регулярность. Например, между отверстиями частота низшей моды равна / = 11,7 кГц. Этой частоте при измеренной импульсным методом скорости продольных волн в плексигласе 2 785 м/с соответствует полудлина волны 11,9 см, приблизительно равная толщине блока. Частоты второй, третьей и четвертой мод имеют значения /2 = 23,3 кГц, /3 = 34,9 Гц и /[4 = 46,7 кГц, приблизительно кратные /, что согласуется с формулой (1).
Рис. 2. Изменение осредненных амплитудных спектров
вдоль профиля наблюдений:
стрелками показано положение проекций центров отверстий на профиле наблюдений, черными цифрами - их номера, красные цифры - номера мод стоячих волн
Аналогичные свойства имеют частоты пиковых значений над отверстиями (положение проекций центров отверстий на профиль наблюдений показано на рис. 2 стрелками), но частоты стоячих волн здесь выше, так как они формируются на меньшей базе - между верхней гранью блока и вершинами просверленных с нижней грани отверстий. Нужно заметить, что для уверенного выделения стоячих волн над отверстиями 1-4 оказалось достаточно шумовых записей длительностью 6,5 с., но для отверстий меньшего диаметра длительность записей пришлось увеличивать (см. таблицу). Кроме того, при шаге по профилю 2 мм над отверстиями относительно большого диаметра частоты стоячих волн в общих чертах согласуются с формой торцевых поверхностей отверстий, а для малых отверстий этого, естественно, не наблюдается.
Тем не менее полученные результаты позволяют сделать вывод о существенно большей глубинности данного метода, чем это оценивалось нами ранее
[3]. В частности, наименьшее отверстие может быть уверенно идентифицировано по стоячим волнам (рис. 2), хотя его диаметр (1,5 мм) примерно в 74 раза меньше глубины до него.
В заключение отметим, что в наших экспериментах роль нижней границы приповерхностного слоя выполняла свободная нижняя грань блока, поэтому частоты стоячих волн, формирующихся между ней и верхней гранью модели, определяются формулой (1). В натурных же условиях в отсутствие полостей по поверхностным записям микросейсм уверенно выделяются стоячие волны, формирующиеся между дневной поверхностью и ближайшей к ней резкой границей, например, подошвой зоны малых скоростей [3]. Частоты этих волн определяются формулой (2). А при отсутствии резких приповерхностных границ с нижележащими породами выделение стоячих волн может оказаться вообще невозможным.
Тем не менее полученные в наших экспериментах результаты показывают, что при использовании детальных систем наблюдений и длительных записей микросейсм по их спектрам могут быть выделены стоячие волны, формирующиеся над пустотелыми объектами, которые находятся на глубинах, превышающих их горизонтальные размеры в десятки раз. Регулярность соответствующих этим волнам спектральных пиков и их согласие с формулой (1) могут служить индикатором наличия полостей, а по частотам стоячих волн при известном скоростном разрезе можно оценивать глубину их залегания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Grandjean G., Leparoux D. The potential of seismic methods for detecting cavities and buried objects: experimentation at a test site // Journal of Applied Geophysics. - 2004. - Vol. 56, N 2. - P. 93-106.
2. Колесников Ю. И., Федин К. В. Обнаружение подземных пустот по микросейсмам: физическое моделирование // Технологии сейсморазведки. - 2015. - № 4. - С. 89-96.
3. Колесников Ю. И., Федин К. В. Применение пассивного метода стоячих волн в инженерной сейсмике: физическое моделирование и натурный эксперимент // Технологии сейсморазведки. - 2016. - № 2. - С. 83-91.
4. Лепендин Л. Ф. Акустика. - М. : Высшая школа, 1978. - 448 с.
REFERENCES
1. Grandjean G., Leparoux D. The potential of seismic methods for detecting cavities and buried objects: experimentation at a test site // Journal of Applied Geophysics. - 2004. - Vol. 56, N 2. - P. 93-106.
2. Kolesnikov Ju. I., Fedin K. V. Obnaruzhenie podzemnyh pustot po mikrosejsmam: fizicheskoe modelirovanie // Tehnologii sejsmorazvedki. - 2015. - № 4. - S. 89-96.
3. Kolesnikov Ju. I., Fedin K. V. Primenenie passivnogo metoda stojachih voln v inzhenernoj sejsmike: fizicheskoe modelirovanie i naturnyj jeksperiment // Tehnologii sejsmorazvedki. -2016. - № 2. - S. 83-91.
4. Lependin L. F. Akustika. - M. : Vysshaja shkola, 1978. - 448 s.
© К. В. Федин, Ю. И. Колесников, Л. Нгомайезве, 2018
