Особенности формирования ядра преобразования оптимального фильтра с использованием экспериментальных записей сейсмического поля в ближней зоне от распределенных карьерных взрывов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 519.24 С.А. Ефимов ИВМ и МГ СО РАН

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЯДРА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ФИЛЬТРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАПИСЕЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ОТ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ КАРЬЕРНЫХ ВЗРЫВОВ

5.A. Efimov

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of SB RAS

6, Prosp. Lavrenteva, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

FEATURES OF FORMATION OF A NUCLEUS OF TRANSFORMATION OF THE OPTIMUM FILTER WITH USE OF EXPERIMENTAL RECORDINGS A SEISMIC FIELD IN A NEAR ZONE FROM ALLOCATED MINER EXPLOSIONS

In the report the opportunity of use of the miner explosions allocated in space for formation qualitative seismogram is shown. High quality сейсмограмм is achieved by use of a nucleus of the transformation formed as experimental recordings of distributed explosion in a near zone.

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:

t

q{t)= js(T)-R(t-T)-dr 5 (1)

0

где s(t) - сигнал на входе приемника; R(t) - ядро преобразования; q(t) -сигнал на выходе приемника.

При этом ядро преобразования для оптимального фильтра должно удовлетворять условию [1]:

R(t-r) = s0(t-r). (2)

где s0(t) - функция зондирующего сигнала, формируемого

распределенным карьерным взрывом в однородной среде в волновой зоне.

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 Щ). 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.

б'1сГ6

О

е %

-б<10)"‘

А

Рис. 1. Сейсмический сигнал от карьерного взрыва в волновой зоне, сейсмометр СК1-П № 1, Ъ компонента (рисунок слева); спектральная характеристика сейсмического сигнала (рисунок справа)

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.

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.

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

10

п

п

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:

0(ю,т) = [Яе{5(со) • егю т}]2. (3)

vklT1+200

ук2п

500

350

200

50

vk4T1—400-400

vk5T1-600“550

-700

-850

-1000

♦ -X і> Г"»| ‘"4

им м*-Н *ім

и** 4*1 ЦІН у«‘і гіН'ЧП •ГИ| ■

.Ал 1. .1. I, ,Ш|

ІІШІ т

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

50

Рис. 3. Результаты обработки сейсмического сигнала от карьерного взрыва в дальней зоне, 5 сейсмометров СК1-П, Ъ компонента. Расстояние между

сейсмометрами 200 м

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

-100

укЗп 200 _ 250

сейсмометров, полученных в соответствии с формулой (3). 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 со и имеет масштаб 0,1*Гц. Ось абсцисс рис. 5 соответствует аргументу т и имеет масштаб 0,02*с.

Время, с

4 6

Рис. 4. «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

А О

10

10

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).

А 0 200 400 600 9 200 400 600 А у 200 400 600

Рис. 5. «Голограммы» карьерного распределенного взрыва. Место регистрации: район поселка Таштагол Кемеровской области, дата

регистрации - 26.06.2004

Представленные на рис. 5 «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.

Выводы. 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 / В.И. Тихонов / - М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

2. Трахтман А.М. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов / А.М. Трахтман / М.: Изд-во «Советское радио», 1972. - 352 с.

3. Сильвиа М.Т. Обратная фильтрация геофизических временных рядов при разведке на нефть и газ / М.Т. Сильвиа, Э.А. Робинсон. - Пер. с англ. М.: Недра, 1983. -447 с.

© С.А. Ефимов, 2008