Разработка алгоритма выявления низкоскоростной прослойки грунта в более высокоскоростном слое в рамках метода преломленных волн для оценки сейсмической безопасности техносферных объектов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 1 (2Q15 S) 108-116

УДК 550.834.3

Developing the Algorithm of Delineation of Low-Velocity Ground Layer in a Higher-Velocity Layer as Part of the Refraction Survey for Seismic Safety Inspection of Techno Sphere Objects

Vasiliy A. Mironova* and Anastasia A. Karyukinab

aEnvironmental Center Sustainable Management

of Natural Resources 53 Mira, Krasnoyarsk, 660049, Russia bState Enterprise of the Krasnoyarsk Territory "Krasnoyarsk Research Institute of Geology and Mineral Resources" 55 Mira, Krasnoyarsk, 660049, Russia

Received 22.11.2014, received in revised form 15.12.2014, accepted 09.02.2015

The refraction survey is based on registration of refraction elastic waves away from the source. Refraction waves travel time during processing gives information about the layers cover thickness and their form. You can get the mentioned data on condition that the elastic waves velocity from layer to layer in the ground gets higher in the depth. However, there are cases when there occur low-velocity layers among high-velocity ones in the ground in question. Therefore there is necessity for solving this problem within the investigated method. In the worked-out algorithm no new software packages have been invented, but the opportunities of already known software packages have been used (RadExPro, in our case), along with using miscellaneous calculations and graphic editors.

Keywords: method of refraction, the layers of geological formations, the seismic safety.

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: vasya-kun@mail.ru

*

Разработка алгоритма выявления низкоскоростной прослойки грунта в более высокоскоростном слое в рамках метода преломленных волн для оценки сейсмической безопасности техносферных объектов

В.А. Миронов3, А.А. Карюкинаб

аЭкологический центр рационального освоения природных ресурсов

Россия, 660049, Красноярск, пр. Мира, 53 бКрасноярский научно-исследовательский институт геологии

и минерального сырья Россия, 660049, Красноярск, прМира, 55

Изложен метод преломленных волн, основанный на регистрации преломленных упругих волн вдали от источника. Распространение преломленных волн в процессе обработки дает данные о глубинах залегания слоев геологических образований, их форме и толщине покрытия. Перечисленные данные можно получить при условии того, что скорость упругих волн в грунте от слоя к слою возрастает с глубиной. Однако бывают случаи, когда встречаются низкоскоростные прослойки, данные о которых также необходимо предоставить в результате обработки. Таким образом, существует необходимость в решении этой проблемы в рамках исследуемого метода. В разработанном алгоритме не применяются новые программные пакеты, но возможности уже известных пакетов программного обеспечения были использованы (RadExPro, в нашем случае) наряду с различными расчетами и графическими редакторами.

Ключевые слова: метод преломленных волн, слои геологических образований, сейсмическая безопасность.

Метод преломленных волн (МПВ) основан на регистрации преломленных упругих волн вдали от источника, скользящих вдоль верхней части слоя (кровли) геологических образований [1]. При этом большую часть своего пути упругие волны проходят приблизительно горизонтально по кровле слоев, в которых скорость их распространения больше по сравнению со скоростью в соседних вышележащих слоях. По времени пробега данных преломленных волн в процессе обработки получают данные о глубинах залегания этих слоев, их форме и, в отдельных случаях, об их литологии.

Особенностью МПВ является возможность наблюдать при залегании слоистой толщи на однородном слое большой мощности преломленную от нижней части слоя (подошвы) волну на таком расстоянии от источника, при котором она приходит к поверхности раньше всех других волн (метод первых вступлений) [2]. При проведении работ по методу преломленных волн используют системы наблюдений, обеспечивающие надежное распознавание волн и их прослеживание по всей изучаемой площади, что достигается при наблюдениях по системе встречных или нагоняющих годографов, которые характеризуют зависимость времени

пробега волны, распространяющейся от источника до приемника волны (регистрирующего устройства) [3].

Известное свойство горных пород сопротивляться изменениям размеров или формы и возвращаться в первоначальное недеформированное состояние называют упругостью. Мерой изменения (формы и размеров породы является характеристика относительной деформации. Количественно меро воздействия на горные пор оды источников сейсмических во лн измеряют напряжением - силой, действующей но единицу площади. Связь между величиной приложенного напряжения и параметрами возникшей деформации устанавливается законом Гука. Если эта связь линейна, то такие тела принято называть абсолютно упругими. При малых и кратков-р менных деформациях, обычно возникающих при сейсмических иссл дованиях, большинство горных пород можно считать идеально (абсолютно) упругими. Если связь между напряжением и деформацией в теле имеет более сложный вид зависимости, то такие породы называют пластическими или не абстлютно упругими [4].

Возникшеие в районе действия исночника напряжения, они распространяются (передаются) в среде от точки к точке во все стороны от иеночника. Дтнный процесс является процессом распространения упругих нтлн в ороде. При втздействии источника упругих волн на горные породы происходит процесс переддчи энергии и ее распространения в видв сейсмической волиы.

Согласно теории распространения упрутох волн в безграничном изотропном кростран-стве могут тозникато и распрострсняться два независ имых типа сейсмически. волн. Первый тип волн - продо льные сейсмические волны Р (prima - первый), они наиболее быстрые и приходят от источника к любой точке наблюдения первыми.Обозначают скорость распространения Р-волны Vp. Второй тип сейсмических волн называют поперечными, или S-волнами (secunda -второй). Скорость распространения S-волны обозначают V.

Эти типы волн раоличаются характером смещения точек среды в момент прохождения сейсмических восн (рис. 1). На данном рисунке поназснычастицы горных пород среды (« шарики»). Стрелками обозначены длина волны X и направления: смещения частицы среды при прохождении Р-волны (1), смещения частицы сиеды при прохождении ¿-волны (2), движе ния волиы (3). На рис. 1а показано, что направление движения частиц среды сля Р-волн совпадает с напрсвлением распространения волны. На рису нке 1б видно, что нсправление движения частиц для ¿^волн перпендик°лярно направлению распространения волны.

IV ь

ООО ООО О О 00 ООО ООО ооо ооо о q о о ооо ооо о о о ооо оо о о ооо о о о 0 0 0 ООО 0 0 ОО ООО ООО ч» 1 3 о0 О 2* о ° о ° о ° о 0 + ° о ° О ° о О ° О 0 о °оО 0 о 0 0 й о % ° О о 0 ° о ° о 0 ° 0 ° °о° ° о ° 5о°

а б

Рис. 1. Пример геологическо. среды при прохождении Р-холн (а) и S-волн .б)

13 изотропном твердом теле для описания процесса распространения упругих волн используют упругие модули Ламе ц и е. Связи параметров ц и е задаются выражением

где р - плотность среды. Отношение скоростей — може т принимать значение, большее ве ли-

В 2014 г. были проведене>1 гуофизичевкие полевые работы методом преломленных волн на ояобо ответственном объекте . Полевые исследования МПВ выпмлнены в ооответствии с методикой одним отрядам с исполязованием двув цифровых 24-канальных инженерных сейс-мостанций «Лакяолит 24-М3», в резвльтате выполнялась 48-канальная запись. В качестве источников упрмаих колебааий использовали удары ручного тампера (кувялды) массой 16 кг о специалвную металлическую подставу ввопгнную в ярунт. Применение такого способа возбуждения упруяих колебаним позволяев полу чить довтаточно разрешенную запись.

Сейсморгзведочньее работы проводили по отдельным линиям - сейсморазведачным профилям. Перед началом неземныу работнамечали смстему профиллй. По каждому профилю располагались пункты возбуждения упругих волн и сейсмоприемники. При вертикальном расположении семсмоприемник реагирует в основном на продольные волны, при аоризонталь-ном - улавливает главным образом поперечные волны [1]. Вдоль профиля разматывается сейс-мичегкая коса, квторая подвлючаетгя к сейсмоприемникам и блоку усилителей. Для точного отсчета времени прихода у плугих волн нужно знать момент возбуждения. При использовании кувалды в момент удара на один из каналов подается электрический импульс.

Для возбуждение продольной волны наблюдения вели по схеме 2 - 2 (вертикально направленное возбуждение и вертикальные сейсмоприемники). Возбуждение продольных волн осуществляется вертикально направленными ударами. Для получения поперечных волн использовали схему У - У (горизонтальные возбуждения в направлении, перпендикулярном линии профиля, и горизонтальные сейсмоприемники, ориентированные в том же направлении), волны возбуждаются горизонтально направленными ударами по стенкам шурфов глубиной 0,3 м. С целью однозначного опознания волн типа 8И получали записи с противоположно направленных ударов с применением разнополярного суммирования накоплений, за счет чего поперечная волна меняла фазу на противоположную, а продольная волна не меняла и гасилась.

Выносные пункты возбуждения располагались по линии профиля с удалением от концов интервала наблюдения на расстояние 46 м. В некоторых ситуациях данные интервалы изменялись в зависимости от местных условий на площадке. Регистрация данных проводилась по 4-точечной схеме наблюдения (рис. 2).

На рис. 2 показаны основные пункты возбуждения О] и О2, фиксирующиме начало и конец профиля, и выносные - О3 и О4, которые располагались по линии профиля с удалением от концов интервала наблюдения на расстояние 46 м. Выносные пункты возбуждения необходимы для получения дополнительного материала о «мертвой» зоне, где отсутствует головная волна. Встречные годографы обозначены t] и t2, а нагоняющие - и t4ш Встречные годографы - это годографы, полученные при постоянном расположении сейсмоприемников вдоль оси X и двух

(1.1)

ЧИНЫ V2 .

Рис. 2. 4-точечная схема наблюдений в МПВ: лучи и годографы

пунктов возбуждения , расположенных в начале и конце расстановки. Нагоняющие годографы -годографы преломленных волн, полученные на одном интервале х с дву х пунктов взрыва.

На данном о бъекте мыне единожды столкнулись с вышеукаоан ной проблемой, когда при обработке данных по поперечным ¿"-волнам встречаются «разрывные по времени» первые вступления аразрывы по времени не наблюдались для более высокоскоростных продольных Р-волн на иссаедуемом участке грунта). Данная проблема возникает ин-за того, что в высокоскоростных слояхгрунта встречаются низкоскоростные прослойки, например, суглинки сменяются нижележащим слоем песка . При этом извест но, что скорость упругих поперечных ¿-волн в суглинках выше, чем у« песков.

В используемых программных пакетах для обработки сейсмических данных учитывают условие, что скорость с увеличением глубины возрастает от слоя к слою. В данном случае при полученном мате риале не возможно использовать стандартную методику в программных пакетах для расче та глубины залегания низкоскоростных прослоек. Поэтому возникла необходимость разработки алгоритма выявления низкоскоростных прослоек грунта в более высокоскоростных слоях .

В предложенном алаоритме никаких новых программных пакетов не разрабатывалось, а использовались возможно сти уже применяемых паклтоа (в наше««1 случае программный пакет КайЕхРто) с дополнительными вычислениями играфическими редакторами.

Программный пакет КайЕхРто позволяет обрабатывать многоканальные сейсмоакустиче-ские данные. Включенные процедуры позволяют осуществлять основные операции:

- ввод данных. При этом реализованы дополнительные возможности, позволяющие автоматически определять количество трасс в файле и шаг по профилю;

- интерполяцию данных на регулярную сеть наблюдений, что используется, например, для объединения различных файлов данных в один профиль;

- обработку и анализ данных;

- вывод данных в виде визуализации результатов и твердой копии.

Программный пакет КайЕхРто может осуществлять внутри одной системы весь процесс обработки данных сейсморазведки: чтение и визуализацию сейсмограмм, редактирование трасс (запись одного сейсмоприемника), корреляцию вступлений волн, построение и редактирование годографов, определение сейсмических скоростей и построение преломляющих границ. При возникновении каких-либо сбоев в результатах реализована возможность возврата на несколько шагов назад для корректировки данных или повторной обработки части материала.

RadExPro является специализированным пакетом, он позволяет проводить обработку и интерпретацию данных: наземной и морской высокоразрешающей сейсморазведки МПВ, а также анализ поверхностных волн [5].

На рис. 3 представлен полевой материал (сейсмограмма), показывающий наличие низко -скоростной прослойки. Первые вступления прерываются и возобновляются уже ниже по оси времени («разрывные» первые вступления).

По разработанному алгоритму выделяем два варианта первых вступлений (рис. 3). По первом}' в программе строят годографы, рас считываются глубины и скорости сейсмических волн в слоях грунта без учете низко скоростной прослойки. Таким образом, выявляется верхняя граница второго (лежащего ниже прослойки) высокоскоростного слоя. По второму годографу рассчитываем глубину (верхнюю границу) первого (лежащего выше прослойки) высокоскоростного слоя. При этом все слои до высокоскоростного объединяем в один. Таким о бразом, получавм только одну границу.

На рис. 4 всдны изображения слоев, глубин и скоростей по двум построенным годографам. Таким образом, между верхними границами первого и второго высокоскоростных слоев находитея низкоскоростная прослойка.

Далее производятся дополнительные вычисления по следующей формуле:

(б)

Рис. 3. По строение годографов по первымвступленпям: )а) -первые «разрывные по времени» вступления; (б) - годографы, построенные по первым вступлениям: 1 - без учета низкоскоростной прослойки в грунте по нижним вступлениям (обозначен пунктирной линией на части (а)); 2 - по верхним вступлениям и продолженный так, как будто разрыва во времени не происходило (обозначен штрихпунктирной линией)

Рис. 4. Изображение границы слоев, глубины и скоростей волн по годографу, построенному без учета низкоскоростной прослойки (верхняя часть рисунка), и по годографу, построенному без разрыва по времени (нижняя басть рису нка)

Ах Н = —* 2

N

Vn + Vi

где Н- мощность низкоскоростной прос лойки, м; Ур - скорость волны в низкоскоростной прослойке, м/с; у — скоробто волны 15 высобоскоростно м слое, м/с; /Отс -с прирсщение рббстояния вдоль профиля, гдо регио/рируется скорость ниокоскоростной прослойки, м.

Нбвтрхней чостт рис. 3 по прямому годогрофу сидно, что б = 258 м/с, у2 = 320 м/с, Ах = 20 м. По встречнтму годографо V = 2580 м/с, у2 = 335 м/с, ААх = С6 м. Получаем, что с правой и с левой сторон рассматриваемого скоростного разре зв мощность низкоскоростной просло йки составляет 3,27 и 2,88 м соответственно.

Так как низкоскоростная прослойка лежит между первым и вторым высокоскоростными слоями, а по построенным годографам видно, что верхняя граница второго слоя второго высокоскоростного слоя является нижней границей низкоскоростной прослойки, то найденную мощность Н откладываем вверх от глубины залегания второго высокоскоростного слоя. Итоговое построение скоростного грунтового разреза представлено в нижней части рис. 5. Полученные данные в результате обработки упомянутый методикой подтверждаются другим сейсмическим методом - вертикальным сейсмическим профилированием - и геологией, которую получали в результате бурения скважины на исследуемом участке. На рис. 6 изображена блок-схема предложенного алгоритма выявления низкоскоростной прослойки грунта в более высокоскоростном слое.

В ходе выполненной работы получены следующие результаты:

- проведены полевые работы методом преломленных волн на исследуемом участке;

- получен скоростной грунтовый разрез поперечных волн на участке работ;

- разработан алгоритм выявления низкоскоростной прослойки грунта в более высокоскоростном слое.

Рис. 5. Построение годографов и итоговое построение скоростного грунтового разреза

Рис. 6. Блок-схема предложенного алгоритма выявления низкоскоростной прослойки грунта в более высокоскоростном слое

Полученные данные о слоях грунта (мощность и скорость распространения упругих волн) необходимы для реализации других методов (например, метод сейсмических жесткостей) для оценки относительных изменений (приращений) сейсмической балльности на исследуемом участке.

Список литературы

[1] Аплонов С.В. Геодинамика: учебник. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2001. 360 с.

[2] Гайнанов В.Г. Сейсморазведка. М.: МГУ, 2005. 148 с.

[3] Пантелеев В.Л. Физика Земли и планет / МГУ им. М. В. Ломоносова. Физический факультет. Курс лекций. М., 2001. 117 с.

[4] Бондарев В.И. Основы сейсморазведки: учебное пособие для вузов. Екатеринбург: Изд-во УГГТА5, 2003, 2003. 332 с.

[5] RadExPro 2013.1 Руководство пользователя [Электронный ресурс]: ООО «Деко-геофизика СК» / Научный парк МГУ, 2013. - Режим доступа: http://www.radexpro.ru