CC BY
58
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСА СЕЙСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОПОЛЗНЕВОГО СКЛОНА
Юрий Иванович Колесников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3, доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией экспериментальной сейсмологии, тел. (383)333-31-38, e-mail:
Александр Федорович Еманов
Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3, доктор технических наук, директор, тел. (383)333-27-08, e-mail: [email protected]
Евгений Андреевич Хогоев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, лаборатория экспериментальной сейсмологии, тел. (383)333-34-19, email: [email protected]
Артем Александрович Красников
Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3, научный сотрудник, лаборатория инженерной сейсмологии, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]
В статье представлены результаты опытных работ комплексом сейсмических методов на оползневом склоне в районе г. Сочи. Кроме изучения скоростного разреза методом КМПВ, проведены пассивные сейсмические наблюдения, по данным которых выделена зона возможной активизации склоновых процессов и определены резонансные свойства верхней части разреза.
Ключевые слова: оползневой склон, активные и пассивные сейсмические наблюдения. APPLICATION OF SEISMIC TECHNIQUES TO LANDSLIDE SLOPE STUDY Yury I. Kolesnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3 Pr. Acad. Koptyuga, Novosibirsk 630090, Doctor of Science (geophysics), associate professor, head of Laboratory of Experimental Seismology, tel. (383)333-31-38, e-mail: [email protected]
Aleksandr F. Emanov
Altay-Sayan Branch of Geophysical Survey SB RAS, 3 Pr. Acad. Koptyuga, Novosibirsk 630090, Doctor of Science (geophysics), director, tel. (383)333-27-08, e-mail: [email protected]
Evgeny A. Hogoev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3 Pr. Acad. Koptyuga, Novosibirsk 630090, PhD (geophysics), senior researcher, Laboratory of Experimental Seismology, tel. (383)333-34-19, e-mail: [email protected]
Artem A. Krasnikov
Altay-Sayan Branch of Geophysical Survey SB RAS, 3 Pr. Acad. Koptyuga, Novosibirsk 630090, researcher, Laboratory of Engineering Seismology, tel. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]
The article presents the results of experimental works using complex of seismic techniques on the landslide slope near Sochi. In addition to velocity section study using refraction method, passive seismic observations were carried out and its data were used to locate possible zone of active slope processes and to determine resonant properties of near-surface section.
Key words: landslide slope, active and passive seismic observations.
Введение
Для оценки устойчивости склонов и изучения склоновых процессов могут привлекаться как активные (с источниками сейсмических волн), так и пассивные сейсмические методы. Активные методы применяются в основном для изучения строения склонов, определения положения границ как литологических, так и связанных с имеющимися или формирующимися поверхностями скольжения.
При пассивных наблюдениях регистрируют микросейсмические колебания, источниками которых могут быть различные экзогенные и эндогенные процессы как природного, так и техногенного происхождения. В частности, при активизации склоновых явлений значительный вклад в микросейсмическое поле вносит сейсмоакустическая эмиссия (САЭ), являющаяся следствием процессов, происходящих в окрестности формирующихся поверхностей скольжения. Параметры САЭ широко применяются в последние десятилетия для мониторинга оползнеопасных участков склонов [1].
Еще одна возможность использования микросейсмического поля для изучения оползневых склонов связана с выделением из него стоячих волн, которые могут формироваться в породах склонов, и изучение которых может дать представление о резонансных свойствах пород верхней части разреза (ВЧР) [2]. В данной работе приведены результаты опытных работ комплексом сейсмических методов на оползнеопасном склоне в районе г. Сочи.
Район работ и аппаратурное обеспечение экспериментов
Работы были проведены на оползнеопасном участке, расположенном примерно в 20 км к северо-востоку от аэропорта Адлер (Сочи) в нижней части северного склона г. Высокая в пределах левого борта долины р. Мзымта (рис. 1). Рельеф участка в пределах оползневого склона резко и глубоко расчлененный, с многочисленными формами оползневого микрорельефа, средний уклон на участке составляет 17-18°. Для регистрации сейсмических данных применялись портативные трехканальные автономные цифровые 24разрядные регистраторы «Байкал-АС» и центральная сейсмостанция «Ангара», обеспечивающая программирование регистраторов на выбранный режим работы и последующее считывание информации в персональный компьютер.
а
б
Район □ работ
Аэропорт Адлер (Сочи)
О
5 км
Рис. 1. Район работ (а) и положение профиля и площадных систем наблюдений (б): 1 - профиль КМПВ, 2 - участок анализа САЭ, 3 - участок сейсмического
микрорайонирования
Активные сейсмические наблюдения
Активные сейсмические наблюдения проводились методом КМПВ на квазилинейном профиле, ориентированном примерно по падению склона (см. рис. 16) на участке с относительно спокойным рельефом. Всего были получены записи от пяти источников типа падающий груз. Расстояние между пунктами возбуждения на квазилинейном профиле наблюдений составляло 25-30 м, сейсмоприемники устанавливались между вторым и четвертым источниками с шагом 5 м, максимальное расстояние источник-приемник - 95 м.
По данным КМПВ были выделены две примерно параллельные дневной поверхности границы. Скорость продольных волн ¥р в верхнем слое мощностью примерно 2.5-3 м была оценена примерно в 500 м/с, во втором слое до глубины 22 м рр=1300 м/с, ниже этой границы ¥р=2900 м/с. Более глубокие границы при применявшейся системе наблюдений выделить не удается.
Оценка активности склоновых процессов по сейсмоакустической эмиссии
Регистрация данных для анализа САЭ проводилась как трехкомпонентными сейсмоприемниками для изучения поляризации микросейсм (10 точек наблюдений), так и вертикальными сейсмографами для локализации источников САЭ (синхронная регистрация микросейсм в 15 точках). Длительность каждой записи составляла 30 минут при частоте дискретизации 2 кГц.
Как показано в [3], импульсы САЭ, излучаемые при образовании трещин в зоне формирования поверхности скольжения, должны регистрироваться на дневной поверхности в виде колебаний, поляризованных преимущественно в направлении действия сдвиговых напряжений. Однако проведенный поляризационный анализ трехкомпонентных записей не выявил значительных аномалий в поляризации микросейсм на исследуемом участке, что говорит в пользу предположения о стабильном состоянии склона в окрестности точек наблюдений.
Получасовые синхронные записи микросейсмического поля, полученные на площадной системе наблюдений с помощью вертикальных сейсмоприемников, были обработаны по алгоритму сейсмоэмиссионной томографии [4]. Обработка данных в этом методе основана на суммировании сейсмических трасс вдоль годографов, рассчитанных для возможных положений источников в предположении об известном скоростном разрезе (мы использовали разрез, полученный методом КМПВ). Для каждого положения источника в исследуемом объеме среды в результате суммирования вычисляется когерентная мера подобия (сембланс) £ - отношение энергии суммарного по всем точкам приема сигнала к сумме энергий сигналов, зарегистрированных на всех каналах в отдельности. Если исходные записи содержат сигналы от сейсмических источников, положению каждого источника будет соответствовать локальный максимум £. Визуализация £ позволяет получить представление о пространственном распределении источников излучения упругой энергии в изучаемой среде.
0.145
0.14375
0.1425
0.14
0.135
0.13
0.125
0.12
0.115
0.11
0.105
0.1
360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460
260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480
0.145
0.14375
0.1425
0.14
0.135
0.13
0.125
0.12
0.115
0.11
0.105
0.1
0.095
0.09
0.085
0.08
0.075
■ 0.145 10.14375 Ч 0.1425 -I 0 .14 -10.135 -10.13 0.125 0.12 0.115 0.11 0.105 0.1 0.095 10.09 0.085 10.08 0.075
Рис. 2. Аномалия сембланса £, полученная при обработке данныходнокомпонентных наблюдений; красные треугольники - точки
наблюдений
Результаты обработки приведены на рис. 2. Рис. 2а показывает
распределение £ на глубине 6 м под поверхностью склона, а рис. 26 и 2в -вертикальные сечения £ через линии А и В, показанные на рис 2а. Как можно видеть, в массиве склона вблизи системы наблюдений на глубине примерно 6 м наблюдается положительная аномалия £, которая может указывать на активизацию склоновых процессов на этом участке.
Сейсмическое микрорайонирование участка склона методом стоячих волн
Для изучения резонансных свойств ВЧР на участке склона (см. рис. 16) была реализована площадная система наблюдений из девяти трехкомпонентных сейсмоприемников. Одна из точек наблюдений являлась опорной, запись
микросейсмических колебаний на ней велась непрерывно в течение всего периода наблюдений. В остальных точках длительность непрерывных записей составляла не менее пятнадцати часов при частоте дискретизации 200 Гц. Опорная точка располагалась на скальном грунте и относительно нее рассчитывались приращения сейсмической интенсивности.
При обработке микросейсмических данных несинхронные пятнадцатичасовые трехкомпонентные записи микросейсм в восьми точках (за исключением опорной) пересчитывались к «единому» времени, для чего использовались синхронные с каждой из этих записей участки многочасовой записи в опорной точке. Затем для всех трех компонент рассчитывались спектры когерентности для «одновременных» пар записей, полученных в опорной и в каждой из остальных точек. По повышенным значениям когерентности были определены восемь собственных частот ВЧР в диапазоне 450 Гц, для каждой из которых построены карты усиления колебаний относительно опорной точки и карты приращения сейсмической интенсивности. Подробно методика описана в [2]. Пример карты коэффициентов усиления колебаний грунта приведен на рис. 3.
40.0572 40.0574 40.0576 40,0578 40.0568 40.0582 40.0584
Градусы восточной долготы
Рис. 3. Карта коэффициентов усиления колебаний грунта для вертикальной
компоненты на частоте 35.74 Гц
Заключение
Результаты экспериментов подтвердили перспективность применения автономной портативной регистрирующей аппаратуры и комплекса сейсмических методов для оценки состояния и мониторинга оползнеопасных склонов. Наряду с изучением разреза активными сейсмическими методами, дополнительная информация об активности склоновых процессов и резонансных свойствах ВЧР может быть получена пассивными сейсмическими методами.
1. Муравин Г.Б., Сигаловский М.Н., Розумович Е.Э., Лезвинская Л.М. Метод акустической эмиссии в исследованиях подвижки грунтов (Обзор) // Дефектоскопия. - 1991. - № 11. - С. 3-17.
2. Еманов А.Ф., Красников А.А., Бах А.А., Черных Е.Н., Еманов А.А., Сёмин А.Ю., Черепанов А.В. Резонансные свойства верхней части разреза // Физическая мезоханика. -2008. - Т. 11, № 1, - С. 26-36.
3. Kolesnikov Yu.I., Nemirovich-Danchenko M.M., Goldin S.V., Seleznev V.S. Slope stability monitoring from microseismic field using polarization methodology // Natural Hazards and Earth System Sciences. - 2003. - V. 3, N 6. - P. 515-521.
4. Хогоев Е.А., Колесников Ю.И. Применение сейсмоэмиссионной томографии для изучения геодинамически активных зон // Технологии сейсморазведки. - 2011. - № 1. - С. 59-65.
© Ю.И. Колесников, А. Ф. Еманов, Е.А. Хогоев, А.А. Красников, 2012
