CC BY
29
УДК 550.834
ОБНАРУЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ПУСТОТЕЛЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ЗАПИСЯМ МИКРОСЕЙСМ: НАТУРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
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, тел. (383)333-31-38, e-mail: KolesnikovYI@ipgg. sbras.ru
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, тел. (383)333-34-19, e-mail: [email protected]
В натурном эксперименте исследована возможность обнаружения подземных пустотелых объектов по записям микросейсм. Показано, что накопление амплитудных спектров микросейсмических сигналов позволяет определять частоты и амплитуды стоячих волн сжатия-растяжения, формирующихся между земной поверхностью и подошвой приповерхностного слоя либо над подземными полостями. Наблюдаемое над пустотами резкое повышение частот стоячих волн является критерием их обнаружения.
Ключевые слова: подземные пустоты, микросейсмы, стоячие волны, натурный эксперимент.
DETECTION OF UNDERGROUND HOLLOW OBJECTS USING MICROSEISMS RECORDS: NATURAL EXPERIMENT
Yury I. Kolesnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Doctor of Science, Principal Research Scientist, Associate Professor, tel. (383)333-31-38, e-mail: [email protected]
Konstantin V. Fedin
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Research Scientist, tel. (383)333-34-19, e-mail: [email protected]
We investigated in the natural experiment the possibility of detecting underground hollow objects using microseisms records. It is shown that accumulation of amplitude spectra of microseismic signals allows estimating the frequencies and amplitudes of compressional standing waves arising between ground surface and bottom of near-surface layer or above underground cavities. Observed over the cavities a sharp increase of the frequencies of standing waves is the criterion of their detection.
Key words: underground hollow objects, microseisms, standing waves, natural experiment.
Необходимость выявления и изучения подземных пустотелых объектов, таких как карстовые пустоты, пещеры, заброшенные горные выработки, подземные ходы и др., может возникать во многих областях человеческой деятельности - при проведении проектных изысканий, археологических исследований,
мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации различных объектов городской инфраструктуры и т. д. Применение для решения таких задач прямых методов, основанных на бурении или вскрытии грунта канавами и шурфами в местах предполагаемого нахождения объекта, может оказаться весьма трудоемким и не гарантирует достижения требуемого результата.
Намного менее трудоемки косвенные геофизические методы, основанные на регистрации на поверхности грунта различных физических полей. В частности, имеется определенный опыт применения для выявления пустот в верхней части разреза (ВЧР) сейсмических методов. Несмотря на разнообразие применяемых подходов, возможности активных (с искусственными источниками) сейсмических методов во многих случаях ограничены из-за относительно малых в сравнении с длиной волны размеров неоднородностей [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 слоя, либо верхней поверхностью пустотелого объекта. Выделить из шумового поля стоячие волны можно, например, накапливая (усредняя) амплитудные спектры 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 [2].
Подтверждением того, что резкие пики, если они выделяются на осреднен-ных спектрах, соответствуют стоячим волнам, может служить регулярный характер этих пиков, так как интервал между соседними собственными частотами любого слоя равен частоте низшей моды стоячих волн в таком слое со свободными границами. Это следует из того, что в возникающей в слое стоячей волне на земной поверхности образуется пучность, а на нижней поверхности, в зависимости от условий отражения, - либо пучность, либо узел (подобно стоячим волнам в незакрепленном или закрепленном одним концом стержнях [3]). Соответственно, на толщине слоя должно укладываться в первом случае целое число полудлин, а во втором - нечетное число четвертей длин стоячих волн.
Собственные частоты для колебаний слоя типа вертикального сжатия-растяжения в этих двух случаях определяются, соответственно, формулами
(!)
или
_ (2п-1)Ур
Тп- 4Л > (2)
где п - номер моды стоячих волн, Ур - скорость продольных волн в слое, И -толщина слоя. Легко показать, что и в том, и в другом случае интервал между соседними собственными частотами ДF = (/п+1 — /п) равен Ур/2к, т. е. частоте низшей моды /ъ определенной по формуле (1).
Для тестирования in situ, предложенного в работе [2] метода обнаружения подземных пустотелых объектов, нами был проведен натурный эксперимент. Эксперимент проводился на территории геофизической обсерватории «Ключи», расположенной в 7 км восточнее Академгородка (Новосибирск, Россия). На территории обсерватории имеются площадки, где закопаны на небольшую глубину несколько десятков «мишеней» для тестирования малоглубинных электроразведочных методов и аппаратуры для них.
В числе «мишеней» есть две пустые двухсотлитровые стальные бочки диаметром 0.56 м и высотой 0.88 м с толщиной стенок 1 мм, закопанные в вертикальном положении на глубину 1.3 и 2.5 м (расстояние от земной поверхности до верхней границы «мишени»). Для тестирования рассматриваемой методики была проведена регистрация микросейсм в четырех точках (над каждой из этих «мишеней») и еще в двух точках с заведомо ненарушенным грунтом.
Регистрация велась одноканальными цифровыми регистраторами Texan (RefTek-125A) с частотой дискретизации 1 кГц. Для записи использовались вертикальные сейсмографы GS-20DX, поэтому целевыми волнами в данном эксперименте были стоячие волны сжатия-растяжения. Нужно заметить, что одним из критериев выбора места для обсерватории в 1960-х годах был низкий уровень микросейсм, так как одна из ее основных функций - получение сейсмологических данных на расположенной на территории обсерватории сейсмической станции «Новосибирск» (международный код - NVS). Поэтому для оценки возможности выделения стоячих волн из микросейсмического поля были получены записи микросейсм большой длительности - от 5 до 12 суток.
На рис. 1 , 2 представлены результаты осреднения амплитудных спектров последовательных участков записей длительностью 8192 отсчета каждый. Как можно видеть, на осредненных спектрах уверенно выделяются регулярные пики, соответствующие стоячим волнам сжатия-растяжения. В таблице приведены частоты трех первых пиков для всех четырех точек. Обращает на себя внимание различие между характером распределения пиков для точек над «мишенями» и в свободных от пустотелых объектов местах. Интервал между соседними пиками над «мишенями» равен частоте первого пика, а в двух других точках - удвоенной частоте первого пика.
Частота, Гц Частота,
Рис. 1. Результаты накопления амплитудных спектров микросейсм, зарегистрированных над бочками, закопанными на глубину 1.3 м (а) и 2.5 м (б). Цифрами обозначены номера мод стоячих волн
Рис. 2. Результаты накопления амплитудных спектров микросейсм, зарегистрированных в двух точках над ненарушенным грунтом. Цифрами обозначены номера мод стоячих волн
Таблица
Частоты / стоячих волн в точках регистрации микросейсм
Глубина до «мишени», м /1, Гц /2, Гц /3, Гц
1.3 76.6 153.2 230.9
2.5 36.4 72.8 109.2
— 6.0 18.1 30.2
— 5.8 17.5 29.1
Это объясняется тем, что обе границы слоев между «мишенями» и земной поверхностью свободны и на них образуются пучности колебаний стоячих волн. Под двумя другими точками наблюдений поверхностный низкоскоростной слой имеет жесткий контакт с нижележащими породами, поэтому на его верхней границе образуется пучность, а на нижней - узел колебаний. Соответственно, и частоты стоячих волн в первом случае определяются формулой (1), а во втором - формулой (2).
Для грунта над «мишенями», используя частоты стоячих волн и известную глубину до верхней границы «мишени», можно оценить скорость продольных волн Ур. Согласно формуле (1), она равна 182 м/с над бочкой, закопанной на глубину 2.5 м, и 199 м/с над бочкой, заглубленной на 1.3 м. Столь низкие значения скоростей объясняются тем, что над бочками находится слабо консолидированный грунт, так как его состояние было изменено при их закапывании. Сейсмические скорости в ненарушенном грунте, очевидно, должны быть существенно выше, чем в грунте над «мишенями», поэтому полученные оценки скорости Ур не могут быть использованы, например, для оценки глубины до подошвы приповерхностного низкоскоростного слоя по записям, полученным в местах с нетронутым грунтом.
Как показано в работе [2], выявлять пустоты можно как по частотам, так и по амплитудам стоячих волн, что также подтверждают рис. 1-2, на которых амплитуды стоячих волн над пустотами больше, чем над менее контрастной и залегающей на большей глубине подошвой приповерхностного слоя. Но на прак-
тике из этих двух параметров предпочтительнее использовать частоты, так как они менее зависимы от характеристик источника (в данном случае микросейсмического поля) и на точность их определения меньше влияют параметры используемой аппаратуры, в частности, амплитудно-частотные характеристики. Более того, если в спектре микросейсм, зарегистрированных в некоторой точке, появляются регулярные пики, частоты которых удовлетворяют формуле (1), уже это свидетельствует о наличии в этом месте подземного пустотелого (либо существенно низкоскоростного) объекта.
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. Лепендин Л.Ф. Акустика. - М.: Высшая школа, 1978. -[ 448 с.
© Ю. И. Колесников, К. В. Федин, 2016
