CC BY
2УДК 550.34.06.013.22
В. В. Туманов, Л. А. Новгородцева, Д. С. Бородин, А. Ю. Грицаенко, Е. А. Ялпута
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ СПЕКТРОВ СЛОЖНОГО СИГНАЛА, ПОЛУЧЕННЫХ ПО ДАННЫМ СЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА ШАХТНОМ ПОЛЕ
Проведено сопоставление спектров сейсмических сигналов, включающих как естественную, так и техногенную составляющие, с соответствующими геологическими участками разреза массива шахты «Калиновская-Восточная». Показано, что поверхностная волна Рэлея имеет определяющее значение в оценке характера скорости смещения грунта, так как образует максимальные значения спектра в зонах трещиноватости. Для повышения разрешающей способности сейсмических наблюдений рекомендуется использовать отношения спектров горизонтальных и вертикальных составляющих сейсмического сигнала.
Ключевые слова: шахтное поле, надвиги, углепородный массив, трещиноватость, микросейсмический мониторинг, волна Рэлея, скорости, амплитудно-частотный спектр.
Введение. Микросейсмические исследования, получившие широкое распространение в течение последних 20 лет, к настоящему времени используются не только для решения многих геологических задач, но и в экологических обследованиях антропогенных районов [1], [2]. На поле шахты «Калиновская-Восточная» сейсмический мониторинг был проведен в 2020 и 2021 году с целью предотвращения развития негативной геодинамической ситуации, возникшей при отработке 4-ой и 6-ой восточной лав при затоплении верхних горизонтов [3]. На поле шахты были установлены 4 трехкомпонентных датчика типа Ш -1 (Geospace, США) с цифровыми регистраторами «Ермак-5» и с
полосой пропускания от 2-х до 100 Гц и частой дискретизацией 200 Гц. В результате мониторинговых наблюдений были установлены и оконтурены очаги техногенных землетрясений, а шахте выданы рекомендации по безопасному ведению очистных работ.
В 2023 г. в ФГБНУ «РАНИМИ» была открыта тема по госзаданию FRSR 2023-0007 «Создание геолого-геофизической модели формирования аномальных скоплений метана на угольных шахтах в зонах динамического влияния разломов на основе использования микросейсм», в ходе выполнения которой результаты сейсмического мониторинга на поле шахты «Калиновская-Восточная» послужили экспериментальной основой для определения возможности микросейсмических исследований при прогнозировании локальных зон трещиноватости и разработан программный комплекс [4], позволяющий выполнять чтение микросейсмических записей, проводить преобразование Фурье, фильтровать помехи разных уровней и частот.
Кроме того, было установлено, что между суммарной тре-щиноватостью массива, выраженной в интервалах 100 % поглощения промывочной жидкости при бурении, и максимальными мгновенными амплитудами скорости смещения грунта существует прямая пропорциональная зависимость [5].
В продолжении научных исследований в рамках вышеуказанной темы в данной статье рассматриваются амплитудно-частотные спектры для разных участков геологического разреза и изучаются их сравнительные характеристики.
Краткая геологическая характеристика объекта исследований.
Донецко-Макеевский геолого-промышленный район и расположенное в его пределах поле шахты «Калиновская-Восточная» находиться в южном крыле Кальмиус-Торецкой котловины. В литологическом отношении геологический разрез представлен циклическим переслаиванием песчано-глинистых пород с закономерными включениями пластов угля и маркирующих известняков свит С25 и С26. Интенсивная тектоническая жизнь Донбасса на протяжении длительного геологического времени от Кембрия до Неогена создала на данном ограниченном
участке необыкновенно сложное сочетание пликативных и дизь-юнктивных структур разных размеров и направлений. В массиве шахты «Калиновская-Восточная» присутствуют 3 региональных надвига: Французский, Тимошенко, Итальянский, 3 надвига второго ранга - Промежуточный, Диагональный, и «S», множество мелких надвигов и протяженная антиклинальная структура (рис.1 а, б). Тектонические нарушения создают локальные пересечения, зоны влияния которых, зачастую заполненные метаном, являются предметом данного исследования.
Частотно-амплитудные спектры и их сравнительные характеристики.
Рассмотрим результаты микросейсмического мониторинга в сопоставлении с геологическим разрезом.
Расположение датчиков микросейсмических измерений (условные полевые названия DNMK1-4 за 2021 год) показано на рисунке 1а, на рисунке 2 представлены прошедшие преобразование Фурье спектры компоненты Z с шагом спектральных линий 0.0002 Гц от 2 до 45 Гц. В процессе мониторинга по техническим причинам оказались непригодны для микросейсмического анализа показания компоненты Z на датчике 2, поэтому на рисунке 2 этот спектр отсутствует.
В связи с тем, что в составе микросейсм присутствуют колебания от техногенных и эмиссионных импульсов, идущих от очага хрупкого разрушения пород, возникшего при приближении отработки к зоне затопления верхних горизонтов, привязка спектров по глубине осуществлялась не по формуле А. В. Горбатикова [6,7], а наложением на детальные разрезы скважин с известными пластовыми скоростями продольных сейсмических волн (VP). Пример такого сопоставления приведен на рисунке 3, где спектр компоненты Z практически зеркально отражает осредненный разрез пластовых скоростей, что подтверждается присутствием волны Рэлея в сложном сейсмическом сигнале. В дальнейшем, глубины, соответствующие градиентным изменениям значений амплитуд (Аг), принимались за параметрические, и неоднородности геологического разреза получали свое отображение в соответствующих интервалах частот спектров. Значения амплитуд (Аг) всех компонент спектров были автомати-
чески усреднены по программе подсчета среднего арифметического. Осреднение показало закономерный рост значений А^ ср от менее нарушенных участков разреза к более нарушенным.
1 - скважина и её номер; 2 - поглощение промывочной жидкости 50100 %, цифры указывают интервал глубин, в м; 3 - частичное поглощение промывочной жидкости, в м; 4 - слабая трещиноватость массива; 5 - изо-пахиты угольного пласта /1; 6 - газопроявления; 7 - надвиги регионального масштаба и их название :Т - Тимошенко, Ф - Французский и И - Итальянский; - надвиги второго ранга и их название: S- надвиги <^», «Д», «В», К -Каменский, П - Промежуточный; 9 - профиль КМПВ; 10 - станции наблюдения ЕРМАК-5 (2020 год); 11 - источник сейсмических событий.
Рис. 1 - Геолого-структурная схема (а) и геологический разрез по линии 1Х-1Х' (б)
Рис. 2 - Общий вид спектров компонент 7
Общий вид спектров каждого из 3-х датчиков (рис. 2) полностью согласуется со степенью тектонических преобразований углепородного массива, что описано ниже.
Датчик 1 - находится в области висячего крыла надвига S среди уплотненных пород (по скв. 4 312), отмечается слабая тре-щиноватость до глубины 940 м, где в переслаивании глинистых пород отмечаются зеркала скольжения, соответствующие зоне влияния надвига Диагонального, зафиксированного бурением на глубине 1 200 м, на спектре это частоты 5,5 - 8,5 Гц. Небольшие всплески на частотах 26-27 Гц соответствуют обилию трещин, возникших при закруглении отрицательной структуры (рис.1, б).
Датчик 3 расположен в зоне влияния 4-х надвигов: Диагонального, Итальянского, £ и Промежуточного в разрезе, характеризующимся на глубине 720-1 090 м мощными трещиноватыми песчаниками с поглощением промывочной жидкости 100 % и частотами спектра 5 - 15 Гц; близость к плоскости сместителя активного Промежуточного надвига проявляется аномалией спектра на частотах 24 - 31 Гц для глубин 450 м - 300 м.
Датчик 4 находится прямо в зоне пересечения плоскостей сместителей надвигов £ и Промежуточного и над надвигом Диагональным. Помимо геологических причин аномальности его спектра существуют и технологические - на глубине 1 000 м находится выработанное пространство шахты Советская.
1, 2 - переслаивания песчано-глинистых пород: аргиллитов, алевролитов и песчаников: 1 - тонкослоистые, 2 - крупнослоистые; 3 - песчаники; 4 -глины; 5 — трещиноватые породы; 6 - линия усреднения пластовых скоростей.
Рис. 3 - Сопоставление пластовых скоростей (УР) и спектра вертикальной компоненты (Лг)
Рис. 4 - Объёмная схема образования ловушки метана в
геологическом разрезе
На рисунке 4 показана схематическая модель образования
двух газовых ловушек (скв.171 и 306) при пересечении газонос-
С 6
2 мощной зоной трещиноватости, сопровождающей надвиг Диагональный. Присутствие в геологическом разрезе многочисленных малоамплитудных нарушений, а на более высоких горизонтах плоскостей сместителей надвигов £ и
Промежуточного «консервирует» газ в замкнутом ограниченном пространстве.
На рисунке 5 представлены амплитудно-частотные характеристики аномальных фрагментов спектров датчиков (1-3), относимых к зоне влияния надвига Диагонального.
Рис. 5 - Амплитудно-частотные спектры ^-компонента) в зоне влияния надвига Диагонального на глубине 1000-1100 м
Для лучшего разрешения и детального рассмотрения они выполнены с интервалом частот 0.0002 Гц и полиномиальным осреднением. Заметны следующие общие черты и различия спектров:
- максимальные значения коэффициентов разложения в ряд Фурье А! практически равны;
- спектры первого и четвёртого датчиков подобны, но у первого максимум располагается на частотах от 7.1644 до 7.1651, а у четвёртого на частотах от 8.3230 до 8.3139, что геологически объясняется подъёмом блока пород под надвигом Промежуточным;
- аномальный спектр датчика3 пределах частот 6.45086.4629 имеет большую ширину, что объясняется значительной трещиноватостью в зоне влияния трёх крупных надвигов.
Выводы. Известно, что на поверхности Земли всегда присутствуют волны Рэлея и Лява в диапазонах частот от 0.01 до 50 Гц. Наличие этих волн в сложном сейсмическом сигнале, состоящем из продольных, поперечных, отражённых и обменных волн, образованных изменённым напряжённым состоянием угле-породного массива, позволяет прогнозировать достаточно мощные зоны трещиноватости на глубине до 1 000 метров.
Очевидно, что для более детального расчленения разреза необходимо рассматривать соотношения спектров между всеми компонентами X, У, I, кроме прочего накопленных за несколько дней, недель, месяцев. Как показано в статье, распределение значений спектров и их соотношений имеют четкую взаимосвязь с зонами трещиноватости шахтного поля, выражающуюся как в их амплитудных показателях (таким зонам, как правило, соответствуют максимумы), так и в форме и протяженности аномалий.
В дальнейших исследованиях по данной тематике необходимо сделать акцент на определение более точных критериев геологического отклика среды, что достижимо при высокой детальности микросейсмической съёмки.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы № FRSR 2023-0007 «Разработка геолого-геофизической модели формирования ано-
мальных скоплений метана на угольных шахтах в зонах динамического влияния разломов» на поле шахты «Калиновская-Восточная».
ЛИТЕРАТУРА
1. Капустян, Н. К. Сейсмобезопасность: обобщение опыта мониторинга зданий и сооружений / Н. К. Капустян // Проектирование и инженерные изыскания. - Москва, 2012. - № 4. -С. 24-31.
2. Котов, А. Н. Мониторинг и оценка свойств стационарности микросейсмического шума на территории пос. Мосрентген, г. Москва в рамках решения задач геоэкологии / А. Н. Котов // Тезисы докладов X международной конференции аспирантов и молодых учёных «Молодежь XXI века: образование, наука, инновации». - М, 2023. - С. 32-33.
3. Анциферов, А. В. Мониторинг техногенной сейсмичности в зоне влияния угольных шахт Донбасса (на примере ш. «Калиновская-Восточная» ГП «Макеевуголь») / А. В. Анциферов, В. В. Туманов, Н. И. Лобков., Д. С. Бородин, О. Л. Шалованов, Р. П. Базеева // Труды РАНИМИ:сб. науч.тр. -Донецк, 2020. - № 9 (24). - С. 78-87.
4. Анциферов, А. В. О программном комплексе обработки результатов микросейсмического мониторинга углепородных массивов / А. В. Анциферов, А. А. Глухов В. В. Туманов, Л. А. Новгородцева // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2023. - Т. 10, №1. - С. 15-22.
5. Туманов, В. В. Геологическая интерпретация спектров сложного сигнала сейсмических наблюдений на поле шахты «Калиновская-Восточная» /В. В. Туманов, Л. А. Новгородцева, Д. С. Бородин, А. Ю. Грицаенко // Труды РАНИМИ:сб. науч.тр. -Донецк, 2023. - №2(40) - С. 119-136.
6. Горбатиков, А. В. Технология глубинного зондирования земной коры с использование естественного низкочастотного микройсейсмического поля / А. В. Горбатиков // Изменение окружающей среды и климата: монография - М. ИФЗ РАН, 2008. - Т. 1, ч.2. - С. 223-236.
7. Горбатиков, А. В. Возможность оценки параметров геологических объектов на основе использования фонового микросейсмического поля. Результаты экспериментальных исследований и моделирования / А. В Горбатиков // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: Материалы Международной сейсмологической школы, посвященной 100-летию открытия сейсмических станций «Пулково» и «Екатеринбург» - Петергоф, 2006. - С. 67-72.
Туманов Виктор Владимирович, заведующий отделом эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; [email protected].
Новгородцева Людмила Александровна, кандидат геологических наук, старший научный сотрудник отдела эколого-геофизичских исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; [email protected].
Бородин Дмитрий Сергеевич, научный сотрудник отдела эколого-геофизичских исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; [email protected].
Грицаенко Антон Юрьевич, научный сотрудник отдела эколого-геофизичских исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; [email protected].
Ялпута Елена Анатольевна, научный сотрудник отдела эколого-геофизичских исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
COMPARISON OF CHARACTERISTICS OF THE AMPLITUDE-FREQUENCY SPECTRA OF A COMPLEX SIGNAL RECEIVED FROM SEISMIC MONITORING DATA IN A MINE FIELD
The spectra of seismic signals, including both natural and man-made components, were compared with the corresponding geological sections of the Kali-novskaya-Vostochnaya mine massif. It is shown that the Rayleigh surface wave is crucial in assessing the nature of the soil displacement rate, since it forms the maximum values of the spectrum in fracture zones. To increase the resolution of seismic observations, it is recommended to use the ratio of spectra of horizontal and vertical components of the seismic signal.
Keywords: mine field, thrusts, carboniferous massif, fracturing, microseismic monitoring, Ray wave, velocities, amplitude-frequency spectrum.
Tumanov Victor Vladimirovich, Head of the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Novgorodtseva Lyudmila Alexandrovna, Ph. D in Geology, Senior researcher of the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Borodin Dmitriy Sergeevich, Researcher of the Department of Geodynamic and geophysical processes, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Grytsaenko Anton Yurievich, Researcher of the Department of Geodynamic and geophysical processes, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Yalputa Elena Anatolyevna, Researcher of the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
