CC BY
26
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(7):45-63 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 550.834 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-45-63
О ПЕРСПЕКТИВАХ ИЗУЧЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ СОЛЯНЫХ РУДНИКОВ
И.А. Санфиров1, А.И. Бабкин1, А.Г. Ярославцев1
1 Горный институт УрО РАН, Пермь, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация: Рассмотрены спорные вопросы относительно предложенного рядом авторов (Жуков, Пригара, 2019) способа шахтной сейсморазведки, в котором для получения сейсмического изображения используются отраженные с противоположных сторон поперечные волны. Показаны противоречия между представленными выводами о закономерностях формирования и распространения сейсмических волн поперечного типа при возбуждении колебаний в горных выработках и результатами многочисленных исследований, проведенных в разные годы разными авторами в различных сейсмогеологических условиях. Причина данных противоречий в ошибочном представлении об однородности породного массива, вмещающего горные выработки. Для него не учтены фактические условия возбуждения и регистрации упругих волн, характеризующиеся значимым влиянием самой выработки, прилегающего к ней измененного породного массива, а также скоростной дифференциацией тонкослоистого сейсмогеологического разреза. Даны оценки адекватности применения предлагаемого способа разделения разнонаправленных волновых полей, регистрируемых в единой пространственно-временной области сейсмической записи. Продемонстрирована искусственность получаемых волновых полей для верхнего и нижнего полупространств, связанная с замешиванием ложных, не соответствующих сейсмогеологическому разрезу сигналов. В конечном итоге, структура получаемых предложенным способом сейсмических разрезов противоречит как объективным оценкам разрешающей способности, так и общепринятым геологическим представлениям о тектоническом строении месторождения.
Ключевые слова: Верхнекамское месторождение солей, шахтная сейсморазведка, метод отраженных волн, продольные волны, поперечные волны, направленность источника, сейсмический мониторинг, разделение отражений.
Для цитирования: Санфиров И. А., Бабкин А. И., Ярославцев А. Г. О перспективах изучения поперечных волн в горных выработках соляных рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - №> 7. - С.45-63. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-45-63.
Prospects for studies into transversal waves in salt rock mines
I.A. Sanfirov1, A.I. Babkin1, A.G. Yaroslavtsev1
1 Mining Institute of Ural Branch, Russian Academy of Sciences, Perm, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract: The article discusses a disputable method proposed by some researchers (Zhukov, Prigara, 2019) for underground seismics with seismic images of transversal waves reflected from opposite sides. The conclusions on the behavior of the transversal waves in excitation of oscillations in underground excavations contradict to the numerous research findings obtained by different scientists in different seismic conditions. The reason for such contradictions lies
© И.А. Санфиров, А.И. Бабкин, А.Г. Ярославцев. 2020.
in the erroneous idea of uniformity of rock mass enclosing underground openings. This idea neglects the actual conditions of excitation and recording of elastic waves, the great influence of the openings and the altered adjacent rock mass, as well as the velocity thin-layering. The validity of the method suggested for separation of oppositely directed wave fields recorded in the uniform space-and-time domain of a seismogram is evaluated. Artificiality of the wave fields in the upper and lower half-spaces due to admixture of ghost signals discordant to the geoseismic profile is demonstrated. Finally, the structure of the seismic cross-sections obtained by the suggested method contradicts both objective estimates of resolving power and the common geological understanding of the tectonic structure of a mineral deposit. Key words: Upper Kama deposit of rock salt, underground seismics, method of reflected waves, longitudinal waves, transversal waves, source directivity, seismic monitoring, image separation.
For citation: Sanfirov I. A., Babkin A. I., Yaroslavtsev A. G. Prospects for studies into transversal waves in salt rock mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(7):45-63. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-45-63.
В 4-ом номере ГИАБ за 2019 г. опубликована статья «Способ шахтной сейсморазведки для изучения особенностей геологического строения ВКМС», авторы: А.А. Жуков, А.М. Пригара и др. [1]. В статье описана технология сейс-моразведочных исследований в горных выработках соляных рудников на Верхнекамском месторождении калийных и магниевых солей (ВКМКС), расположенном в Пермском крае. Основной посыл данной статьи о существенном преимуществе изучения закономерностей распространения упругих волн поперечного типа и предложенной для этого сейс-моразведочной технологии. Данное положение, как и сама технология, на наш взгляд, являются крайне спорными.
Применение шахтных сейсморазве-дочных исследований на Верхнекамском месторождении началось еще в 90-х годах прошлого века. На первоначальном этапе упор делался на различные модификации просвечивания на проходящих волнах. Результаты представлены в отчетах Карагандинского политехнического института (Бородачев 1986) и Баженовской геофизической экспедиции (Рыбалка 1990, Меньшиков 1992).
О применении отраженных волн в горных выработках на рудниках ВКМКС впервые задумались представители УкрВНИМИ (Тиркель, Сухинина, Ком-панец 1992) и Горного института Уральского отделения Российской академии наук («ГИ УрО РАН») [2].
В ходе целого ряда полевых экспериментов с направленностью возбуждения, способами крепления сейсмоприемни-ков, параметрами систем наблюдения и регистрации в качестве наиболее устойчивых носителей информации о строении породного массива выбран продольный тип волн. В теоретической основе данного выбора лежат особенности условий возбуждения и диаграмма направленности источников упругих колебаний в средах неоднородного строения, представленные в работах Н.Н. Пузырева 1985, 1997, В.Н. Никитина 1981, А.И. Савича, В.И. Коптева 1969, И.А. Санфирова 1996 [2 — 6]. Согласно данным исследованиям, при сейсморазведке во внутренних точках среды следует принимать во внимание литолого-физическую дифференциацию массива, вмещающего выработку и влияние самой выработки на формируемоеволновоеполе(рис.1).Так,
при проходке выработки, со временем в прилегающем к ней породном массиве формируются зоны, характеризующиеся значимыми различиями в прочностных и скоростных свойствах (рис. 1, а) [7, с. 217; 8]. В свою очередь, согласно теоретическим представлениям о закономерностях формирования и распространения упругих волн, а также на основании результатов физического моделирования [3, с. 72], такая скоростная неоднородность прилегающего к горной выработке массива оказывает существенное влияние на характеристики на-
правленности, прежде всего, волн поперечного типа (рис. 1, б). Достаточно аргументированные результаты исследований в скважине [5, с. 31], по сути — аналоге протяженной горной выработки в шахте, — демонстрируют характеристики направленности Р- и S-волн в любой совпадающей с осью выработки плоскости (рис. 1, в). Как следует из этих данных, энергетические максимумы S-волн находятся в направлениях, близких к 45°.
Очевидно, что в подобных, более приближенных к реальным, условиях
30 50 70 90 е°
Экспериментальные диаграммы направленности SH-волны при У-воздействии [3, с. 72]:
1 - случай однородного полупространства (VP=2600 м/с, ^^=1300 м/с);
2-е высокоскоростным (Fp=6260 м/с, 3080 м/с) поверхностным слоем;
3-е низкоскоростным (VP= 1800 м/с, Ks=1040 м/с) поверхностным слоем. Рис. 1. Результаты исследовательских работ [3, 5, 7] по изучению характеристик упругих волн при возбуждении и регистрации в горных выработках
Fig. 1. Results of researches [3, 5, 7] of studying the characteristics of elastic waves during excitation and registration in mine workings
направление распространения упругих волн продольного типа, в отличие от поперечных, характеризуется определенной избирательностью и согласуется с направлением излучения.
Выводы об особенностях направленности излучения упругих волн и степени их геологической информативности при сейсморазведочных наблюдениях во внутренних точках среды, сделанные на начальном этапе наших исследований [2], получали неоднократное подтверждение при шахтных сейсморазведочных исследованиях в соляных рудниках Верхнекамского месторождения [9-14], Беларуси [15-17], Канады [18], в угольных шахтах Донбасса [19], фосфатном руднике в Финляндии [20] и на месторождении сульфидов в Португалии [21].
В частности, на Верхнекамском месторождении шахтные сейсмоакустиче-ские исследования проводятся в вертикальной и горизонтальной плоскостях породного массива, при этом решаются задачи горно-геологического и горнотехнического характера [12]. В вертикальной плоскости картируются геологические неоднородности в строении вышезалегающих пород водозащитной толщи [14], которые могут представлять определенную угрозу для безопасной разработки месторождения. В горизонтальной плоскости в рамках технологии «просвечивания на отраженных волнах» [2] решаются задачи по картированию в пределах подготавливаемых под очистные работы панелей разного рода физико-геологических неоднородностей от зон литологического замещения [13] до газонасыщенных участков [9] и оценки устойчивости межкамерных целиков [12]. Во всех применяемых в настоящее время на рудниках Верхнекамского месторождения сейсмоакустических исследованиях используются высокоинформативные интерференционные системы
наблюдений, базирующиеся на принципах методики многократных перекрытий [22]. Неоспоримыми достоинствами данных систем являются: высокая разрешающая способность, помехоустойчивость и избирательность выделения целевых волн на основании различий их кажущихся скоростей и частот.
Отсутствие выраженной направленности при возбуждении более интенсивных поперечных волн безусловно увеличивает неоднозначность выделения в регистрируемом волновом поле целевых отражений. Кроме того, следует учитывать, что, в отличие от продольных волн, кинематические и динамические характеристики поперечных близки к разного рода низкоскоростным и низкочастотным помехам, обычно присутствующим в реальных волновых полях, зарегистрированных в горных выработках (рис. 2, а). Подобные особенности волновых полей могут привести к ошибкам в формировании графа цифровой обработки и последующих интерпретационных выводов. С другой стороны, при решении ряда задач горного производства, информация об особенностях распространения поперечных волн крайне полезна. Например, прогноз газонасыщенных участков или оценка изменчивости физико-механических свойств породного массива (динамических модулей Юнга и Пуассона) [9, 23].
На основании практики сейсморазведочных исследований в горных выработках Верхнекамского месторождения (рис. 2, б) и зарубежного опыта [18] (рис. 2, в) разработана технология многоволновой сейсморазведки МОГТ [9], вошедшая на сегодняшний день во внутренние нормативные документы геофизической службы недропользователя (Инструкция по шахтной сейсморазведке - ПАО «Уралкалий», 2014.). В рамках данной технологии одновременно
Рис. 2. Примеры сейсмограмм при возбуждении упругих колебаний в верхнее полупространство, зарегистрированных в калийных рудниках: Верхнекамского месторождения (Рыбалка 1990, Баженовская геофизическая экспедиция) (а); Верхнекамского месторождения (Санфиров 2019, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук) (б); Саскатчеванского месторождения (Gendzwill 1993, University of Saskatchewan, Saskatoon, Saskatchewan, Canada) [18] (в); Старобинского месторождения в Республике Беларусь (Вагин 2014, ОАО «Белгорхимпром») [17] (г)
Fig. 2. Examples of seismograms of the elastic waves excitation in the upper half-space recorded in potash mines: Verkhnekamskoye field (Rybalka 1990, Bazhenovskaya geophysical expedition) (a); Verkhnekamskoye field (Sanfirov 2019, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences) (b); Saskatchewan field (Gendzwill 1993, University of Saskatchewan, Saskatoon, Saskatchewan, Canada) [18] (v); Starobinskoye field In the Republic of Belarus (Vagin 2014, JSC «Belgorkhimprom») [17] (g)
изучаются поля разнотипных волн (Р и БУ), регистрируемых единой системой наблюдения, а разделение производится на этапе цифровой обработки за счет различия их спектрального состава и кинематических параметров. На завершающем этапе выполняется совместная интерпретация кинематических и динамических параметров разделенных волновых полей. Вследствие повышенных трудозатрат (двойная обработка) данная технология применяется для решения конкретных задач.
В связи с этим, заявленная в работе [1] новизна предложения изучения поперечных волн в горных выработках не очевидна. Вызывает сомнения и обоснованность главного положения данной статьи о преимуществах изучения только поперечных волн. Очевидно, что получение информации о закономерностях распространения обоих типов волн, регистрируемых в горных выработках, выглядит более предпочтительной.
Кроме того, на наш взгляд, в теоретической основе, в самой технологии, отличающейся от существующих (Инструкция по шахтной сейсморазведке — ПАО «Уралкалий», 2014.), в практических приемах ее полевой реализации, лежат ошибочные предположения
авторов об однородности вмещающего массива и направленности источника колебаний. Так представленная в статье диаграмма направленности [1, с. 124] (рис. 3, б) идеального источника типа сосредоточенной силы, соответствует плоскости У7, в то время как изучение массива происходит в плоскости сейсмического профиля, т.е. XI. При этом, исходя из описания предлагаемого способа, возбуждение колебаний производят в стенку выработки вдоль оси У, и регистрироваться должны поперечные волны с горизонтальной поляризацией, т.е. БН. В этом случае о какой-либо узкой, выдержанной в заданном направлении направленности излучения говорить не приходится, поскольку в однородной безграничной среде для поперечных волн подобной поляризации диаграмма направленности обладает круговой симметрией относительно направления удара (рис. 3, в). То есть равнозначными амплитудами будут характеризоваться БН волны, отраженные и сверху, и снизу, и с боков.
При этом они будут регистрироваться в единой пространственно-временной области, создавая неопределенность для их дальнейшей обработки и интерпретации.
- направление действия сосредоточенной силы
Рис. 3. Пространственные характеристики направленности P- и S-волн источника силы, действующей в однородном безграничном упругом пространстве [4] (а), и ее проекции в плоскостях YZ (б) и XZ (в) Fig. 3. Spatial characteristics of the P- and S-waves directivity from the force source acting in a homogeneous boundless elastic space [4] (a) and its projection in the planes YZ (b) and XZ (v)
Рис. 4. Синтетические сейсмограммы P- и S-волн, отраженных от границы раздела среды на глубине 20 м для моделей: Каменная соль ^ Карналлит (а); Карналлит ^ Каменная соль (свойства пластов: Каменная соль — р = 2,2 г/см3, VP = 4500 м/с, VS = 2700 м/с, Карналлит — р = 1,89 г/см3, VP = 3800 м/с, VS = 2200 м/с) (б)
Fig. 4. Synthetic seismograms of P-and S-waves reflected from the boundary at a depth of 20 meters for models: a) rock salt ^ carnallite; b) carnallite ^ rock salt (layers properties: rock salt — р = 2.2g/cm3, VP = 4500m/s, VS = 2700m/s, carnallite — р = 1.89g/cm3, VP = 3800m/s, VS = 2200m/s)
Применительно к реальным условиям наблюдений в горных выработках среда не является однородной, так как сама выработка является максимально контрастной неоднородностью, размеры которой даже в поперечном сечении больше длин генерируемых волн, а в направлении регистрирующей линии можно считать ее бесконечной. На практике, форма характеристики направленности 5Н-волн будет изменяться от объекта к объекту за счет реальных условий производства работ: углов наклона границ, размеров и геометрии выработки, местоположения пунктов возбуждения по высоте стенки выработки, параметров зоны влияния выработки, наличия вблизи выработки тонких низкоскоростных слоев. Для Р-волн влияние этих факторов на форму диаграммы направленности минимально.
Другой отличительной особенностью 5-волн в реальных шахтных условиях является смена полярности (потеря по-
луволны) при достижении критических углов падения волн на границу раздела. Так, согласно теории [24, 25], в пределах одной расстановки для ближних горизонтов мы можем получить годограф со сменой фазы (рис. 4), что очевидно не очень полезно при последующих процедурах цифровой обработки, направленных на получение сейсмического изображения среды в рамках методики многократных перекрытий.
Данные осложнения находят подтверждения уже при проведении авторами полевого эксперимента по оценке направленности излучения ударного источника [1, с. 125] (рис. 5). На основы-вании на принятой в работе характеристике направленности в однородной безграничной среде (рис. 5, в) с учетом направления удара в отходящей под углом 35° горной выработке (рис. 5, г), для ПВ100 минимальной амплитудой на профиле приема должна характеризоваться точка Г, а максимальной — точ-
Градусы от направления удара
Фронт S-волны от ПВ 100 Направление движения частиц во фронте S-волны от ПВ 100
Фронт S-волиы от ПВ 60
Направление движения частиц во фронте S-волны от ПВ 60
Ось чувствительности геофона
Угол между направлением движения частиц и оеыо чувствительности геофона для ПВ 100
Угол между направлением движения частиц и осыо чувствительности геофона для ПВ 60
150 ПП,м
60 ПВ, м
1 Направленность удара ПВ 60 1 Направленность удара ПВ 100
П I Г -57 -41 -25 -9 7 23 39 55 71 87 Удаление ПВ-ПП
Рис. 5. Анализ результатов полевого эксперимента, представленных в работе [1]: Примеры сейсмограмм просвечивания для ПВ60 м (а) и ПВ100 м (б) [1, с. 125, рис. 3]; c) Смещение частиц среды во фронтах продольных и поперечных волн для источника типа сосредоточенной силы в однородной безграничной среде [1, с. 124, рис. 1, б] (в); Схема опытных работ по сейсмическому просвечиванию [1, с. 125, рис. 2] (г); Зависимость относительной величины регистрируемой Y-составляющей смещений частиц во фронте S-волн от фактического угла выхода фронта волны к линии наблюдений (д) Fig. 5. Analysis of the field experiment results presented in [1]: Examples of transmission seismograms for SP60 m (a) and SP100 m (b) [1, p. 125, Fig. 3]; v) Displacement of particles in the fronts of compression and shear waves for a source of concentrated force in a homogeneous boundless elastic space [1, p. 124, Fig. 1, b]; g) Scheme of experimental works on seismic transmission [1, p. 125, Fig. 2]; d) The dependence of the Y-com-ponent particle displacements value registered in the S-wave front on the actual angle of the wave front exit to the observation line
ка А. Однако на представленной сейсмограмме (рис. 5, б) этого не наблюдается. Очевидным является более выраженное влияние на значения амплитуд регистрируемых сигналов 5-волн угла подхода фронта волны к линии наблюдений, т.е. относительная величина регистрируемой /-составляющей смещений частиц во фронте 5-волны (рис. 5, д). Так, участок нормального падения волны с ненулевыми смещениями частиц на фронте (точка В) характеризуется отсутствием регистрируемых сигналов 5-волн.
В тоже время, предполагаемые нулевые поперечные смещения в направлении удара (точка Г) регистрируются достаточно высокими амплитудами. Наиболее наглядно несоответствие между заявленными авторами закономерностями распространения 5-волн и полученным ими же фактическим материалом наблюдается при сопоставлении сейсмической записи в точках А и Д (рис. 5, б). Интенсивность колебаний в точке А соизмерима с амплитудой 5-волны в точке Д, что вполне согласуется с их равной удаленностью ПВ-ПП и углами между направлением движения частиц и осью чувствительности геофонов. Хотя, согласно приведенным в работе выводам, максимальной амплитудой 5-волн должна характеризоваться запись в области точки А.
Фактически же на представленной сейсмической записи максимум интенсивности колебаний соответствует углам порядка 60 — 70° от направления удара (точка Б). Если исключить влияние на уровень регистрируемых амплитуд непостоянство углов между направлением движения частиц во фронте и осью чувствительностью геофонов вдоль линии приема (рис. 5, д), то максимальными амплитудами ожидаемо будут характеризоваться углы в окрестностях 45°. Это вполне согласуется с теоретическими выкладками и результатами экспе-
риментальных исследований в горных выработках и на имитирующих их физических моделях [3, 5].
Особенности наблюдаемой сейсмической записи в области регистрации поперечных волн указывают на существенное влияние на характеристики направленности источника самой выработки, а также достаточно большого объема нарушенных пород в ее при-контурной области. При возбуждении упругих колебаний в горизонтальной плоскости не следует забывать и о направлении распространения волн вдоль пластов, представляющих собой чередования тонких (от сантиметров до первых метров), значимо различающихся по скоростям пропластков сильвинита, карналлита, каменной соли и глин. Это способствует возникновению каналовых волн, а также формированию сложных интерференционных волновых полей. В данных условиях следует ожидать отличающуюся от заявленной характеристику направленности источников 5-волн и для вертикальной плоскости.
Также обращает на себя внимание в представленных материалах четкое и уверенное вступление на всех удалениях продольной Р-волны, считаемой авторами бесполезной. В статье этот факт игнорируется, и авторы никак не предлагают бороться с явно регистрируемыми продольными волнами. Если транспонировать результаты данного эксперимента на вертикальную плоскость, то более обоснованным для изучения верхнего полупространства представляется как раз выбор Р-волн, которые отчетливо прослеживается во всем диапазоне удалений.
Предлагаемая авторами технология разделения отраженных волн, пришедших к линии наблюдений сверху и снизу и зарегистрированных в единой области сейсмической записи, только добавляет неопределенности в конечные результа-
Рис. 6. Искажения сейсмогеологической модели, вносимые способом ПВРО ВНИИГ [1]: геологическая колонка по скважине в пределах продуктивной и надсолевой толщи (а); рассчитанные по акустическим данным значения пластовых скоростей поперечных волн (б); трасса коэффициентов отражения для случая нормального падения SH-волны (в); результат трансформаций сейсмогеологической модели после процедур разделения волновых волей по способу ПВРО ВНИИГ (синий цвет - реальные коэффициенты отражения, красный цвет - привнесенные, фиктивные коэффициенты отражения, несоответствующие свойствам и строению разреза) (г)
Fig. 6. Distortion of seismic and geological models, introduced by way of PVRO VNIIG [1]: a) the geological column according to the well within production and post-salt strata; b) calculated acoustic data value of shear wave layer velocities; v) the track of reflection coefficients for normal incidence SH-waves; g) the result of the transformation of the seismogeological model after the procedure of the wavefield separation by way of PVRO VNIIG (blue - real reflection coefficients, red - introduced, a dummy reflection coefficients which do not correspond to the properties and structure of the section)
ты обработки сейсморазведочных данных. Во-первых, по причине недоучета реальных особенностей диаграммы направленности поперечных волн БН, во-вторых, из-за игнорирования вклада в сейсмическую запись продольных волн,
и в-третьих, из-за содержания самой процедуры разделения.
Представленный авторами способ поперечных волн с разделением отражений (ПВРО ВНИИГ) подразумевает двойное смещение по времени резуль-
тирующего поля отраженных волн для целевой части пространства. Первый раз это происходит за счет физического сдвига линии возбуждения на 2,5 м (около 1 мс), второй раз на ту же величину за счет математической операции сдвига с целью вычитания волн, приходящих из противоположной части полупространства. То есть по факту, «идеальное» волновое поле искажается наложением того же поля, но инвертированным (обратным по знаку) и сдвинутым по времени на 2 мс, или 5 м в масштабе глубин. Критичность такой искажающей трансформации иллюстрирует рис. 6.
Продуктивная толща Верхнекамского месторождения характеризуется тонкой слоистостью (рис. 6, а), скоростные свойства пород которой достаточно дифференцированы (рис. 6, б). Представленные на рисунке расчетные значения пластовых скоростей получе-
ны с использованием данных акустического каротажа в скважине и в предположении неизменного отношения скоростей продольных волн к поперечным (у = 0,55). Для случая нормального падения луча на границы пластов трасса коэффициентов отражений 5Н-волн (рис. 6, в) предполагает формирование сложного интерференционного сейсмического сигнала в пределах как продуктивной, так и надсолевой толщи. После применения предусмотренных способом ПВРО ВНИИГ трансформаций в трассу замешиваются ложные, не соответствующие реальной геологической обстановке коэффициенты отражения (рис. 6, г). Что, в конечном итоге, не обеспечивает адекватного решения обратной задачи сейсморазведки.
В общем случае, результирующее волновое поле, подверженное процедуре сдвига и вычитания, будет обладать
Рис. 7. Сейсмогеологическая модель породного массива (a) для расчета синтетических волновых полей по способу ПВРО ВНИИГ [1] и схема реализации наблюдений (б)
Fig. 7. Seismogeological model of a rock massif (a) for calculating synthetic wavefields using the VNIIG PVRO method [1] and a scheme for implementing observations (b)
искаженными спектральными характеристиками. Их значения будут напрямую зависеть от соотношения преобладающих длин волн в конкретной области волнового поля и размеров разноса линий ПВ. При определенных условиях сигнал будет попросту дублироваться с противоположным знаком и накладываться на соседние отражающие горизонты, изменяя не только их динамику, но и структуру поведения.
Также стоит ожидать, что в результирующем волновом поле обязательно останутся артефакты отражений, которые авторы предлагают подавить за счет процедуры вычитания. Это связано с тем, что величина необходимого сдвига будет разной для разных участков профиля, т.к. в реальных условиях массив достаточно дифференцирован по скоростям во всех направлениях.
Данные предположения не сложно проверить на теоретических и реальных волновых полях. Для этого проведено моделирование шахтных сейсмоакусти-ческих наблюдений по предлагаемому способу на достаточно упрощенной модели, состоящей только из трех слоев в верхнем и одном слое в нижнем полупространствах (рис. 7). Кроме этого, в модели учтена стандартная горнотехническая обстановка — наличие горной выработки в нижезалегающих продуктивных пластах.
Результирующие синтетические волновые поля, полученные процедурой разделения отражений, значительно искажены по динамике сигналов и осложнены фиктивными дубликатами отражающих горизонтов (рис. 8). При применении к ним всего лишь одной процедуры АРА (автоматической регулировки амплитуд) проявляются все не вычтенные отражающие элементы из противоположного полупространства.
Даже если предположить, что после ввода временных сдвигов совмещен-
ные для вычитания сигналы полностью обнулятся, результирующие волновые поля будут содержать в себе искусственно внесенные искажения. Так, проведенная имитация предложенного способа на реальных данных (рис. 9) демонстрирует существенное искажение не только спектрального состава (понижение частот) сейсмической записи, но и самой структуры временного разреза. На рис. 9 для сравнения приведен исходный временной разрез, полученный в рамках стандартных сейсмоакустиче-ских наблюдений в кровлю выработки (рис. 9, а), и результат его трансформации (вычитания сдвинутой по времени копии этого же разреза) (рис. 9, б).
Все представленные, на наш взгляд, спорные положения технологии изучения поперечных волн приводят к не совсем корректным, с позиций теории и практики сейсморазведки, результатам.
На представленном в статье окончательном временном разрезе, переведенном в масштаб глубин [1, с. 132], чередующиеся пачки отражающих горизонтов, в отличие от традиционных сейсморазведочных данных, неизменной динамической выразительности как по глубине, так и по латерали. Это не согласуется с типичной геологической обстановкой, характерной для продуктивной толщи ВКМКС. Очевидно, что отражения в реальной геологической среде носят в основном интерференционный характер, и сложно представить выдержанную тонкую слоистость в интервалах формируемых отражений на протяжении километрового профиля. Объективно, пачки пластов имеют мощности намного меньше длин волны (рис. 6, б), при этом и сами мощности, и свойства этих пачек меняются в пределах сотен, десятков и даже первых метров.
Кроме того, если проанализировать обработанное волновое поле [1, с. 131]
Рис. 8. Результаты моделирования способа ПВРО ВНИИГ. Синтетические волновые поля: В1 — временной разрез верхнего полупространства для ЛВ1 (верхняя); Н1 — временной разрез нижнего полупространства для ЛВ1; В2 — временной разрез верхнего полупространства для ЛВ2 (нижняя); Н2 — временной разрез нижнего полупространства для ЛВ2; ВН1 — суммарный временной разреза верхнего и нижнего полупространства для ЛВ1; ВН2 — суммарный временной разреза верхнего и нижнего полупространства для ЛВ2; РН — результат подавления отражений из верхнего полупространства; РВ — результат подавления отражений из нижнего полупространства; РН-АРА — регулировка амплитуд в окне 10мс для РН; РВ-АРА — регулировка амплитуд в окне 10 мс для РВ Fig. 8. The simulation results of the method of PVRO VNIIG. Synthetic wave fields: B1 — time section of the upper half — space for SL1 (shots line 1 — upper); H1 — time section of the lower half — space for SL1; B2 — time section of the upper half — space for SL2 (shots line 2 — lower); H2 — time section of the lower half — space for SL2; BH1 — total time section of the upper and lower half-space for SL1; BH2 — total time section of the upper and lower half — space for SL2; PH — result of suppression of reflections from the upper half — space; PB — the result of suppression of reflections from the lower half — space; PH-ARA — adjustment of amplitudes in the 10ms window for PH; PB-ARA — adjustment of amplitudes in the 10 ms window for PB
Рис. 9. Фрагмент шахтного временного разреза МОГТ: исходный (а); после вычитания сдвинутой по времени копии (б)
Fig. 9. Fragment of the mine time section of the CDP: the original (a); after subtracting the time-shifted copy (b)
и исходное, представленное авторами на сейсмограммах [1, с. 129], то возникает ряд вопросов:
1) Первый ОГ на сейсмограммах фиксируется на времени 15 мс, что при используемой авторами скорости 2600 м/с соответствует глубине 19,5 м. Тогда откуда появляются отражения на разрезе (вверх) на расстоянии в 11 — 12 м от выработки? 2) Кратность первого ОГ на сейсмограмме — 6 (прослеживаемость на базе 50 м при шаге ПП = 2 м, ПВ = = 4 м), следующего — примерно 12 — 14, а разницы в их выразительности на разрезе нет? 3) Откуда взялось отражение ГАТ, отсутствующее на сейсмограмме?
Относительно третьего замечания следует отметить классические положения проектирования систем наблюдений в сейсморазведке [22, 24], обусловленных общепринятыми теоретическими положениями о распространении упругих волн в реальных средах. Основное из них — глубина исследований соизмерима с базой приема (удаление ПВ-ПП). Из приведенного авторами описания системы наблюдения следует, что ее размеры на большей части профиля составляют 90 м, тогда как кровля ГАТ, согласно их данным, находится на удалении в 300 м от выработки?
Относительно выразительных структурных элементов отражающих горизонтов в верхней половине разреза, рассматриваемых авторами как складчатость, следует отметить, что они не совсем согласуются с представлениями геологов, изучающих особенности геологического строения ВКМКС. Складчатостью соляной толщи много занимался Б.М. Голубев, главный геолог «Уралкалия» в 70-е годы прошлого века. Выдержки из его работ приведены и в книге А.И. Кудряшова [26], на которую есть ссылка и в обсуждаемой статье (А.А. Жуков и др.) [1]. Согласно работам Б.М. Голубева, в соляной толще выделяется четыре структурных комплекса [27, 28]. К четвертому структурному комплексу относится толща от кровли пласта Е и до кровли ПКС, сюда входят карналлитовые пласты Ж, З, И, К. В этом структурном комплексе, по данным Б.М. Голубева, отмечается наименьшая складчатость в соляной толще. Здесь встречаются складки амплитудой 1 — 2 м, тогда как у авторов в четвертом структурном комплексе вокруг пласта З самая интенсивная складчатость амплитудой 10 — 20 м. Пласты В, Г, Д и Е — это третий структурный комплекс. Известно, что для него характерна дисгармонич-
ная складчатость, в отличие от гармоничной, демонстрируемой на сейсмическом разрезе авторов рассматриваемой статьи [1, с. 131]. Достаточно наглядно искусственность представленных структурных элементов проявляется при сопоставлении их с конфигурацией выработки, в реальности повторяющей положение пластов в разрезе (рис. 10).
Добавляет сомнений о реалистичности представленной картины и простые арифметические расчеты по оценке пределов разрешающей способности представленных материалов. При переводе во временной масштаб «сводного глубинного разреза» с упомянутой в статье скоростью распространения упругих волн поперечного типа — 2600 м/с, получаем период сейсмических колебаний 0,0038 — 0,004 с, т.е. частота составит 250 — 260 Гц, соответственно длина волны — 10 — 10,4 м. В этом случае, даже если бы не было искажающих трансформаций волнового поля, разрешающая способность не лучше 2,5 м. Следует от-
метить, что данные оценки очень далеки от представленных этими же авторами в другой работе [29].
Соотношения размеров зоны Френеля, являющейся критерием горизонтальной разрешающей способности, и выделяемых структурных элементов с учетом характеристик представленных волновых полей показаны на рис. 10. Очевидно, что часть этих структурных элементов находится за пределами физически обоснованных значений разрешающей способности.
Закономерно возникает вопрос — каким образом отмеченные артефакты появились на временном разрезе? На наш взгляд, это возможно за счет неоднозначности результатов цифровой обработки, направленной на выделение низкоскоростных отражений неявной природы, возникающих при реализации рассматриваемой технологии. Если внимательно рассмотреть волновые поля, представленные в статье на сейсмограммах ОПВ, то очевидно присутствие подоб-
Рис. 10. Иллюстрация несоответствия выделяемых структурных элементов разреза горизонтальной разрешающей способности.
Fig. 10. Illustration of the discrepancy between the selected structural elements of the section and the horizontal resolution
ных наложений, проявляющихся и на обработанном волновом поле. К каким результатам могут привести подобные заблуждения, показано в статье [30].
Совершенно очевидно, что волновое поле, регистрируемое в горных выработках, носит сложный и комплексный характер, и выделить в нем целевые носители полезной информации — непростая задача. Многие исследователи занимались и занимаются ее решени-
ем, используя различные подходы. Критериями их адекватности традиционно в едином ключе выступают физический смысл и практическая подтверж-даемость. Противоречие между ними может быть объяснено либо открытием новых физических законов, либо субъективностью оценок соответствия получаемых прогнозов. Хотелось бы пожелать авторам либо доказать первое, либо учесть второе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жуков А. А., Пригара А. М., Царев Р. И., Шусткина И. Ю. Способ шахтной сейсморазведки для изучения особенностей геологического строения ВКМС // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 4. - С. 121-136. DOI: 10.25018/02361493-2019-04-0-121-136.
2. Санфиров И. А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. - Екатеринбург: УрО РАН, 1996. - 168 с.
3. Пузырев Н. Н., Бобров Б. А., Гик Л. Д., Тригубов А. В. Исследование направленности источников поперечных сейсмических волн средствами физического моделирования // Геология и геофизика. - 1985. - № 5. - С. 66-75.
4. Пузырев Н. Н. Методы и объекты сейсмических исследований. Введение в общую сейсмологию. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1997. - 301 с.
5. Никитин В. Н. Основы инженерной сейсмики. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 176 с.
6. Савич А. И., Коптев В. И., Никитин В. Н., Ященко З. Г. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. - М.: Недра, 1969. - 239 с.
7. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии. Мин-во геол. СССР; Всесоюз. науч.-исслед. ин-т гидрогеол. и инж. геол. / Под ред. Н.Н. Горяинова. - М.: Недра, 1992. - 264 с.
8. Qi C., Chen H., ChanyshevA., Qi J., Wu W. Modeling deformation wave in rock near deep level tunnel // Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. No 6. DOI: 10.1134/S1062739117063090.
9. Санфиров И. А., Бабкин А. И., Сальников А. П. Контроль состояния горного массива методами многоволновой шахтной сейсморазведки // Горный вестник. - 1998. - № 6. -С. 94-99.
10. Санфиров И. А., Бабкин А. И., Байбакова Т. В. Параметрическое обеспечение шахтной многоволновой сейсмоакустики // Разведка и охрана недр. - 2008. - № 12. -С. 37-40.
11. Бабкин А. И. Пространственные интерференционные системы сейсмоакустических наблюдений в условиях горных выработок калийных рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 1. - С. 261-267.
12. Бабкин А. И., Санфиров И. А. Практические примеры решения горнотехнических задач методами шахтной сейсмоакустики // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 4. - С. 152-159.
13. Бабкин А. И., Санфиров И. А. Сейсморазведочный прогноз литологических неод-нородностей в горизонтальной плоскости межштрекового пространства // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 11. - С. 55-60.
14. Санфиров И. А., Бабкин А. И., Ярославцев А. Г., Герасимова И. Ю., Фатькин К. Б., Глебов С. В. Картирование локальных нарушений водозащитной толщи комплексом много-
уровенных сейсморазведочных исследований различной размерности / Материалы конференции EAGE «Инженерная и рудная геофизика». - Геленджик, 2019. DOI: 10.3997/22144609.201901743.
15. Вагин В. Б. Шахтные сейсмические методы изучения строения массивов соляных пород. - Минск: БелНИЦ «Экология», 2010. - 186 с.
16. Кулагов Е. В. Особенности сейсмических волн, возбуждаемых в массиве соляных пород на Старобинском месторождении // Л^асфера. - 2012. - № 2 (37). - С. 105-111.
17. Вагин В. Б., Ефимов А. М., Кулагов Е. В. Исследование и оценка состояния водозащитной толщи над калийными горизонтами геофизическими методами // Горный журнал. - 2014. - № 2. - С. 11-15.
18. Gendzwill D. J., Randy Brehm. High-resolution seismic reflections in a potash mine // Geophysics. 1993. Vol. 58. No 5. Pp. 741-748.
19. Анциферов А. В. Теория и практика шахтной сейсморазведки. - Донецк: Алан, 2003. - 312 с.
20. Donczew A., Malehmir A., Koivisto E, Savolainen M., Brodic B. Mine bench-tunnel seismic data acquisition for characterizing shear zones in the Siilinjarvi Phosphate Mine, Finland / Near Surface Geoscience Conference & Exhibition. The Hague, Netherlands, 2019. DOI: 10.3997/2214-4609.201902378.
21. Malehmir A., Brodic B., Pecheco N, Marsden P., Penney M. Malehmir et al. Smart Exploration: from legacy data to state-of-the-art data acquisition and imaging // First Break. 2019. Vol. 37. No 8. Pp. 71-74. D0I:10.3997/1365-2397.n0049.
22. Мешбей В. И. Методика многократных перекрытий в сейсморазведке. - М.: Недра, 1985. - 264 с.
23. Brodic B., Malehmir A., Juhlin C. Delineating fracture zones using surface-tunnel-surface seismic data, P-S, and S-P mode conversions // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2017. Vol. 122. No 7. Pp. 5493-5516. D0I:10.1002/2017JB014304.
24. Сейсморазведка. Справочник геофизика / Под ред. И.И. Гурвича, В.П. Номоконо-ва. - М.: Недра, 1981. - 464 с.
25. Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология: Теория и методы. пер. с англ. Т. 1. - М.: Мир, 1983. - 520 с.
26. Кудряшов А. И. Верхнекамское месторождение солей. 2-е изд. перераб. - М.: Эпсилон Плюс, 2013. - 371 с.
27. Голубев Б. М. Морфологические особенности складок внутри калийной толщи Верхнекамского месторождения и условия их формирования // Доклады АН СССР. -1972. - Т. 204. - № 3.
28. Голубев Б. М. Особенности внутреннего строения соляной толщи Верхнекамского месторождения // Проблемы соленакопления. Т. 2. - Новосибирск: Наука, 1977.
29. Царев Р. И., Пригара А. М., Жуков А. А. Возможности сейсморазведки на поперечных волнах / Материалы конференции EAGE «Инженерная и рудная геофизика». - Геленджик, 2019. DOI: 10.3997/2214-4609.201901765.
30. Санфиров И. А., Жикин А. А., Ярославцев А. Г., Бабкин А. И. Техногенные артефакты в результатах сейсморазведочных исследований урбанизированных и горнотехнических объектов // Геофизика. - 2019. - № 5. - С. 4-12. fï^
REFERENCES
1. Zhukov A. A., Prigara A. M., Tsarev R. I., Shustkina I. Yu. Method of mine seismic survey for studying geological structure features of Verkhnekamskoye salt deposit. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(4):121-136. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04-0-121-136.
2. Sanfirov I. A. Rudnichnye zadachi seysmorazvedki MOGT [Mine problems of seismic exploration of the method of common depth point], Ekaterinburg, UrO RAN, 1996, 168 p.
3. Puzyrev N. N., Bobrov B. A., Gik L. D., Trigubov A. V. Investigation of the seismic S-wave source orientation by means of the physical modeling. Geologiya i geofizika. 1985, no 5, pp. 66-75. [In Russ].
4. Puzyrev N. N. Metody i ob"ekty seysmicheskikh issledovaniy. Vvedenie v obshchuyu seysmologiyu [Methods and objects of seismic investigations. Introduction to general seismology], Novosibirsk, Izd-vo SO RAN, NITS OIGGM, 1997, 301 p.
5. Nikitin V. N. Osnovy inzhenernoy seysmiki [Fundamentals of engineering seismics], Moscow, Izd-vo MGU, 1981, 176 p.
6. Savich A. I., Koptev V. I., Nikitin V. N., Yashchenko Z. G. Seysmoakusticheskie metody izucheniya massivovskal'nykh porod [Seismic methods of studying rock mass], Moscow, Nedra, 1969, 239 p.
7. Primenenie seysmoakusticheskikh metodov v gidrogeologii i inzhenernoy geologii. Pod red. N. N. Goryainova [Application of seismoacoustic methods in hydrogeology and engineering geology. Goryainov N. N. (Ed.)], Moscow, Nedra, 1992, 264 p. [In Russ].
8. Qi C., Chen H., Chanyshev A., Qi J., Wu W. Modeling deformation wave in rock near deep level tunnel. Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. No 6. DOI: 10.1134/S1062739117063090.
9. Sanfirov I. A., Babkin A. I., Sal'nikov A. P. Control of the rock mass state by multi-wave mine seismic survey methods. Gornyy vestnik. 1998, no 6, pp. 94-99. [In Russ].
10. Sanfirov I. A., Babkin A. I., Baybakova T. V. Parametric support of mine multi-wave seis-moacoustics. Razvedka i okhrana nedr. 2008, no 12, pp. 37-40. [In Russ].
11. Babkin A. I. Spatial interference systems of seismoacoustic observations in the conditions of mining potash mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2010, no 1, pp. 261-267. [In Russ].
12. Babkin A. I., Sanfirov I. A. Practical examples of solving mining problems using methods of mine seismoacoustics. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2011, no 4, pp. 152-159. [In Russ].
13. Babkin A. I., Sanfirov I. A. Seismic prognosis of lithological heterogeneities in the horizontal plane of the mine shaft. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2011, no 11, pp. 55-60. [In Russ].
14. Sanfirov I. A., Babkin A. I., Yaroslavtsev A. G., Gerasimova I. Yu., Fat'kin K. B., Gle-bov S. V. Local Inhomogeneities of the waterproof layer mapping by a multi-level different dimensions seismic surveys complex. Materialy konferentsii EAGE «Inzhenernaya i rudnaya geofizika» [Materials of the EAGE conference «Engineering and ore Geophysics»], Gelendzhik, 2019. [In Russ]. DOI: 10.3997/2214-4609.201901743.
15. Vagin V. B. Shakhtnye seysmicheskie metody izucheniya stroeniya massivov solyanykh porod [Mine seismic methods of studying structure of saliferous rock mass], Minsk, BelNITS «Ekologiya», 2010, 186 p.
16. Kulagov E. V. Characteristics of seismic waves excited in salt rock strata of the Starobin deposit. Litasfera. 2012, no 2 (37), pp. 105-111. [In Russ].
17. Vagin V. B., Efimov A. M., Kulagov E. V. Research and assessment of status of waterproof strata over potassium horizons by geophysical methods. Gornyi Zhurnal. 2014, no 2, pp. 11-15. [In Russ].
18. Gendzwill D. J., Randy Brehm. High-resolution seismic reflections in a potash mine. Geophysics. 1993. Vol. 58. No 5. Pp. 741-748.
19. Antsiferov A. V. Teoriya i praktika shakhtnoy seysmorazvedki [Theory and practice of mine seismic exploration], Donetsk, Alan, 2003, 312 p.
20. Donczew A., Malehmir A., Koivisto E., Savolainen M., Brodic B. Mine bench-tunnel seismic data acquisition for characterizing shear zones in the Siilinjarvi Phosphate Mine, Finland. Near Surface Geoscience Conference & Exhibition. The Hague, Netherlands, 2019. DOI: 10.3997/2214-4609.201902378.
21. Malehmir A., Brodic B., Pecheco N., Marsden P., Penney M. Malehmir et al. Smart exploration: from legacy data to state-of-the-art data acquisition and imaging. First Break. 2019. Vol. 37. No 8. Pp. 71-74. DOI:10.3997/1365-2397.n0049.
22. Meshbey V. I. Metodika mnogokratnykh perekrytiy v seysmorazvedke [Method of multiple overlaps in seismic exploration], Moscow, Nedra, 1985, 264 p.
23. Brodic B., Malehmir A., Juhlin C. Delineating fracture zones using surface-tunnel-surface seismic data, P-S, and S-P mode conversions. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2017. Vol. 122. No 7. Pp. 5493-5516. D0l:10.1002/2017JB014304.
24. Seysmorazvedka. Spravochnik geofizika. Pod red. I. I. Gurvicha, V. P. Nomokonova [Seismic exploration. Handbook of Geophysics. Gurvich I. I., Nomokonov V. P. (Eds.)], Moscow, Nedra, 1981, 464 p.
25. Aki K., Richards P. Kolichestvennaya seysmologiya: Teoriya i metody. Per. s angl. T. 1 [Quantitave seismology. Theory and methods. English-Russian translation. Vol. 1], Moscow, Mir, 1983, 520 p.
26. Kudryashov A. I. Verkhnekamskoe mestorozhdenie soley. 2-e izd. [Verkhnekamskoe Deposit of salts. 2nd edition], Moscow, Epsilon Plyus, 2013, 371 p.
27. Golubev B. M. Morphological features of the folds inside the potash strata of the Verkh-nekamskoye Deposit and conditions for their formation. Doklady Akademii nauk SSSR. 1972. Vol. 204, no 3. [In Russ].
28. Golubev B. M. Features of the internal structure of the salt column of the Verkhnekam-skoye Deposit. Problemy solenakopleniya [Problems of salt accumulation]. Vol. 2. Novosibirsk, Nauka, 1977.
29. Tsarev R. I., Prigara A. M., Zhukov A. A. The possibilities of mine seismic survey on shear waves. Materialy konferentsii EAGE «Inzhenernaya i rudnaya geofizika» [Materials of the EAGE Conference «Engineering and ore Geophysics»], Gelendzhik, 2019. [In Russ]. DOI: 10.3997/2214-4609.201901765.
30. Sanfirov I. A., Zhikin A. A., Yaroslavtsev A. G., Babkin A. I. Artificial artifacts in the reflection seismic results on urbanized and mining engineering sites. Geofizika. 2019, no 5, pp. 4-12. [In Russ].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Санфиров Игорь Александрович1 - д-р техн. наук, профессор, директор, e-mail: [email protected], Бабкин Андрей Иванович1 - канд. техн. наук, заведующий сектором, e-mail: [email protected], Ярославцев Александр Геннадьевич1 - канд. техн. наук, заведующий сектором, e-mail: [email protected], 1 Горный институт УрО РАН, 614007 Пермь, Россия. Для контактов: Санфиров И.А., e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
I.A. Sanfirov1, Dr. Sci. (Eng.), Professor,
Director, e-mail: [email protected],
A.I. Babkin1, Cand. Sci. (Eng.), Head of Sector,
e-mail: [email protected],
A.G. Yaroslavtsev1, Cand. Sci. (Eng.),
Head of Sector, e-mail: [email protected],
1 Mining Institute of Ural Branch, Russian Academy of Sciences,
614007, Perm, Russia.
Corresponding author: I.A. Sanfirov, e-mail: [email protected].
Получена редакцией 10.04.2020; получена после рецензии 07.05.2020; принята к печати 20.06.2020.
Received by the editors 10.04.2020; received after the review 07.05.2020; accepted for printing 20.06.2020.
^_
