Атрибуты сейсмических волновых полей и их использование при решении задач инженерной геологии

впервые предлагается структура комплексного атрибутного параметра, несущего существенную информацию о наличии ослабленных по прочности участков в верхней части геологического разреза;

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:

Международной конференции ”Экологическая геофизика и геохимия”, Москва-Дубна, 1998 г.

Международном симпозиуме ”Карстоведение - XXI век: Теоретическое и практическое значение”, Пермь, 25-29 мая 2004 г.

Научно-практической конференции “Проблемы инженерных изысканий для строительства в Уральском регионе”, г. Екатеринбург, 8 июля 2004 г.

Международной научно-практической конференции "Инжгео - 2008", Геленджик, 25-30 апреля 2008 г.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ, отражающих основные результаты исследований, в том числе статья в журнале, рекомендованном ВАК: Крылаткова Н.А. Результаты инженерно-сейсмических исследований карста на Свердловской железной дороге / Н.А. Крылаткова // Изв. вузов. Горный журнал. - 2008. - № 6.

Структура, содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (120 наименований). Основное содержание диссертационной работы изложено на 102 страницах машинописного текста, иллюстрированного 8 таблицами и 45 рисунками.

В первой главе представлен анализ современного состояния инженерно-сейсмических исследований, обсуждаются особенности применения сейсморазведки при решении задач картирования и изучения зон пониженной прочности в геологическом разрезе. Определяются задачи исследования. сейсмический геологический инженерный сейсморазведка

Во второй главе доказывается важность и значимость атрибутных характеристик сейсмических записей при работах МПВ, приводится возможный набор атрибутов, определяется роль атрибутов при изучении упругих свойств среды, особое место занимает описание атрибутов, определяемых по записям поверхностных волн. Предлагаются способы определения атрибутов и инверсии сейсмических полей для определения кинематических и динамических атрибутов. Рассматриваются некоторые математические модели сред с ослабленными по прочностным показателям зонами. Обсуждается структура комплексного параметра на примере параметра карстоопасности при изучении территорий с развитием современных карстовых процессов.

В третьей главе проводятся примеры получения атрибутов и использования атрибутных изображений геологической среды при проведении инженерно-сейсмических исследования на различных по геологическому строению площадках.

Работа выполнена на кафедре геофизики нефти и газа Уральского государственного горного университета (г. Екатеринбург).

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за поддержку и помощь в разработке проблемы научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору В.И. Бондареву и выражает искреннюю признательность доктору геолого-минералогических наук, профессору С.Г. Дубейковскому за помощь в сборе и систематизации материалов, которые легли в основу данной работы. Автор благодарит директора ЗАО НПЦ “Карст” (г. Дзержинск) Нещеткина О.Б., зам. генерального директора Уральской гидрогеологической экспедиции Арзамасцева А.А., директора ООО “Геоэкология” Булатова А.В., директора ООО “Уральский геологический холдинг” Муманенко А.А. за любезно предоставленные материалы по геологии участков, рассматриваемых в диссертационной работе. Автор выражает глубокую признательность зам. начальника отдела изысканий ОАО “Институт УралНИИАС” Печенкину В.М., гл. специалисту отдела изысканий ОАО “Институт УралНИИАС” Сазонову А.П., с.н.с. ИГД УРО РАН Бодину В.В., начальнику партии Зеленогорской геологоразведочной экспедиции Крылатых А.М. и инженеру-геофизику ООО “Уралгеотехсервис” (г. Тюмень) Ермолюку Д.О. за помощь в получении полевых данных и участие в обсуждении и анализе полученных материалов. Автор благодарит специалистов ЗАО НПЦ “Карст” за помощь в организации и проведении полевых исследований и к.г.-м.н. Крылаткова С.М. за оказанную помощь, участие и советы при выполнении работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первое защищаемое положение. Комплексное использование широкого класса сейсмических атрибутов для решения инженерно-геологических задач открывает возможности получения новых более достоверных сведений о геологической среде.

Положение базируется на материалах первой, второй и третьей глав.

Одной из инженерно-геологических задач, которую можно решать с помощью сейсморазведки, является задача картирования в плане и разрезе в зоне малых скоростей или даже верхней части разреза областей или зон с пониженными по отношению к среднему уровню значениями прочностных характеристик (ослабленных зон). Объектами с такими свойствами могут быть пустоты естественного или искусственного происхождения, зоны суффозионного выноса вещества, карстовые образования, участки повышенной трещиноватости горных пород и т.д. В качестве таких зон могут рассматриваться и достаточно сложные области геологического разреза с резкими изменениями характера границ объектов, а также среды с ярко выраженной анизотропией сейсмических свойств.

Локализация и изучение объектов с пониженными прочностными и деформационными свойствами являются сегодня важнейшими задачами, стоящими перед инженерной геофизикой вообще (Миндель И.Г., 2008), а перед инженерной сейсморазведкой в особенности.

Для решения задачи картирования ослабленных зон обычно проводят полевые сейсмические исследования методом преломленных волн (МПВ), которые особенно выгодны при изучении протяженных трасс и значительных по площади участков. В МПВ после обработки годографов первых вступлений получают распределение в разрезе или в плане значений скорости распространения объемных волн (чаще продольных, реже поперечных). В этом направлении накоплен большой опыт и получены хорошие результаты (Спасский Б.А и др.). Идеи по применению обменных PSP- и PSS-волн (Савич А.И. 1969; Воронков О.К., 1966), получаемых на сейсмограммах МПВ, в настоящее время не нашли еще широкого применения, хотя эти волны могут служить источником информации о скоростях поперечных волн. Немало исследователей обращаются к использованию моделей среды, для которых характерно распространение рефрагированных волн. Современные модификации метода рефрагированных волн используют для построения скоростного разреза алгоритмы томографии, которые пригодны и для аномальных разрезов (Sheehan J., Doll W., 2003). Исходный полевой материал при этом должен быть получен по достаточно плотной сети. Таким образом, недостаток МПВ, связанный с ограничением на характер скоростного разреза, перестал быть доминантой при выборе метода сейсмических исследований геологической среды.

Альтернативным методом, способствующим успешному решению задачи по обнаружению прочностных неоднородностей в верхней части разреза, в последнее десятилетие стал метод отраженных волн. К настоящему времени известны положительные результаты применения наблюдений отраженных волн при изучении карста на территории Москвы и Московской области (Боганик Г.Н., Номоконов В.П., Федотов С.А., Скворцов А.Г.), Пермской области (Санфиров И.А. и др.), при специальных исследованиях ОАО “Противокарстовая и береговая защита”, г. Дзержинск (Леоненко М.В.).

При наличии сложностей с получением поперечных волн для восстановления скоростного разреза по поперечным волнам привлекаются поверхностные волны релеевского типа (Савич А.И., 1969; Бондарев В.И., 1979). Современные технологии обработки сейсмических данных позволили выполнить серьезную формализацию этого процесса, что привело к популярности инверсии дисперсионных кривых в скоростной разрез по S-волнам (Miller, R., J.Xia, C.B. Park, 1999). Важность динамических характеристик волнового поля объемных (Герасимова И.Ю., 2004; Гликман А.Г., 2005), поверхностных (Каляшин С.В., 2008) волн привлекает многих исследователей. В то же время качественный характер используемых признаков и многовариантность полученных результатов усложняют принятие решений.

Для получения дополнительной информации, уменьшающей неоднозначность полученных результатов по материалам традиционных сейсмических наблюдений МПВ, можно использовать количественные параметры сейсмической записи - атрибуты, строить на их основе новые типы изображений геологической среды, получать сведения о структурных особенностях строения среды, тектонических нарушениях и характеристиках вещественного состава горных пород. При этом нужно учесть различия, связанные с принципами распространения отраженных и преломленных волн, различия в методике получения и обработки сейсмограмм, особенности систем наблюдений в инженерной сейсморазведке и наблюдаемых в МПВ волновых полей. Разработка рационального набора атрибутов для волновых полей МПВ и изображение среды в этих атрибутах может существенно улучшить поисковые возможности сейсмического метода при решении инженерно-геологических задач. Предпосылками для этого служат многочисленные результаты, полученные различными исследователями, а также материалы собственных исследований автора, проведенных на участках с известным положением ослабленных зон.

Второе защищаемое положение. Определены сейсмические атрибуты, наиболее эффективные для изучения прочностных свойств в верхней части геологического разреза, и предложена технология получения этих атрибутов по сейсмическим записям МПВ.

Защищаемое положение раскрывается во второй главе диссертации.

В основе классификации сейсмических атрибутов (Brown, 2004) лежат типы исходной сейсмической информации, способ их расчета и форма представления. Сейсмические атрибуты условно разделяют на два класса - кинематические и динамические (Урупов А.К., 2004). Кинематические атрибуты (время, скорость) несут структурную информацию о строении среды (о положении и конфигурации границ объектов) и частично об упругих параметрах горных пород. Динамические атрибуты (амплитуда, частота, затухание) сейсмических волн отражают фациальные и литологические особенности строения геологического разреза, связаны с вещественным составом, пористостью и трещиноватостью горных пород, могут давать информацию об относительном изменении пустотности и водонасыщенноси горных пород. Для подчеркивания той или иной особенности геологического строения в конкретных условиях вычисляются наиболее чувствительные атрибуты или их производные, а также конструируются комплексные атрибуты. Комплексные атрибуты могут состоять из атрибутов сейсмических волн одного типа или разных типов волн, отличающихся как по поляризации, так и по траектории распространения. Использование гибридных (комплексных) атрибутов, учитывающих многообразие геологического строения в конкретных условиях, повышает устойчивость получения сейсмической информации о среде и ее детальность.

Для облегчения процесса выделения волн разных типов автором предлагается трансформация исходных сейсмограмм в сейсмограммы таких атрибутов, как мгновенные амплитуды и фазы. На сейсмограммах мгновенных амплитуд лучше прослеживаются первые вступления преломленных и рефрагированных волн разных типов, а на сейсмограммах мгновенных фаз четче выделяются оси синфазности регулярных волн в зоне интерференции.

В качестве атрибутов на объектах с наличием участков пониженной прочности целесообразно использовать параметры, количественно сообщающие о наличии или отсутствии на записях некоторых волн-индикаторов, таких как дифрагированные волны, образующиеся на неоднородностях, связанных с участками нарушенной прочности. Например, этим атрибутом может быть величина кривизны осей синфазности.

При работах МПВ в качестве кинематических атрибутов записи предлагаются: времена регистрации, временные интервалы между фазами, между осями синфазности, интегральные или локальные углы наклона осей синфазности и производные от этих параметров (скорости и т.п.). В качестве динамических атрибутов волновых записей предложены интегральная, интервальная и мгновенная амплитуды, их частотные и фазовые характеристики, а также различные производные параметры: энергия сейсмических сигналов, коэффициенты затухания и градиенты этих характеристик по вертикали и по латерали.

В таблице показаны рекомендуемые сейсмические атрибуты на основе информации о времени регистрации сейсмических волн, их амплитуде, частоте и затухании. Атрибуты определяются для некоторой преломляющей границы (оси синфазности) или в некотором временном окне. Внутри окна изучаемый параметр (атрибут) может быть описан средним, экстремальным, доминирующим значением, а также как параметр статистического распределения.

Атрибуты, рекомендуемые для применения в инженерной сейсморазведке МПВ

Особенность атрибутов МПВ в отличие от атрибутов МОГТ заключается в том, что они получаются по сейсмограмме, а не по временному разрезу. Поэтому при практическом использовании следует отдать предпочтение более надежно определяемым оконным или комплексным атрибутам.

Важной стороной при построении атрибутных изображений является вопрос о координатах, в которых изображаются значения атрибута. Предлагается отнесение атрибутов по координатам источника, приемника или средней точки на поверхности наблюдений, по глубине, интервалу глубин, по времени вступления волны, интервалу времен.

Третье защищаемое положение. На базе применения новых атрибутных изображений получены новые геологические результаты при изучении карстоопасных объектов, участков с подземными горными выработками и зон повышенной трещиноватости в геологическом разрезе.

Защищаемое положение раскрывается в третьей главе диссертации.

Выявление закарстованных зон. Особую остроту проблема изучения и мониторинга карстовых явлений приобретает для участков железных дорог, как правило, расположенных в благоприятных для развития карста условиях: в долинах рек, межгорьях и т.п.

Один из примеров использования атрибутных изображений - участок 1913-1914 км перегона Богданович - Пышминская Свердловской железной дороги. Участок характеризуется интенсивным движением поездов и находится в пределах развития карбонатного карста. Верхняя часть геологического разреза сложена известняками С₁ и терригенными отложениями С₃. Рыхлые отложения, залегающие на палеозойских породах, представлены в основном суглинками, глинами и супесями с высоким содержанием дресвы и щебня. Кровля известняков, поднимаясь в середине участка до глубин от 2-4 м, западнее и восточнее погружается до 19-25 м.. Мощность зоны выветривания 2-3 м, по трещинам до 20 м. Трещины круто падающие, секут породу через 3-10 м. Карстовые полости размером от десятков см до 1-2,5 м заполнены чаще всего глиной или суглинками с примесью дресвы и щебня и могут быть заполнены водой.

Другой объект - участок железнодорожного перегона Пермь - Кунгур - характеризуется карстово-суффозионными явлениями в гипс-ангидритовых отложениях. Участок находится у тылового шва первой надпойменной террасы р. Бабки. В коренных породах под аллювием, мощность которого составляет от 10 до 18 м, находится зона интенсивной трещиноватости и закарстованности. Коренные породы пермского возраста представлены мелко- и среднезернистыми песчаниками с карбонатным цементом, а также гипс-ангидритовыми и карбонатными пачками. Ниже по разрезу с глубины 20-25 м залегают слаботрещиноватые доломиты. Характерная черта карстующихся пород - загипсованность. Она определяет интенсивность развития карста, строение полостей, наличие зон разуплотнения, в которых карбонатная мука находится в текучем состоянии.

Одинаковый подход к получению и обработке сейсмических материалов на обоих участках позволил определить факторы, которые являются доминирующими при обнаружении зон разуплотнения грунтов в карстующейся толще, а также определить комплекс показателей карстоопасности. Для его определения использовались кинематические и динамические характеристики не одного, а нескольких типов сейсмических волн.

Характерной чертой локальных скоростных аномалий является их небольшая ширина - 10-15 м и высокий градиент скорости по латерали (рис.1). Важно то обстоятельство, что такой тип аномалий соответствует скрытым карстовым полостям, расположенным внутри толщи известняков. Открытым карстовым полостям, выходящим в залегающие над известняками рыхлые грунты, соответствуют лишь небольшие скоростные аномалии, которые трудно отличить от аномалий, связанных с поверхностными неоднородностями. Отмечено также, что области понижения скоростей, связанные со сменой типа геологического разреза (с изменением литологического состава), имеют горизонтальные размеры, превышающие размеры блоков. В них наблюдается плавный характер изолиний скоростей. Все это позволило использовать атрибут, вычисляемый как наклон изолиний.

Рис. 1 Фрагмент вертикальной карты скоростей продольных волн с вынесенными инженерно-геологическими скважинами

С целью уточнения положения зон разуплотнения горных пород в изучаемом геологическом разрезе автором был рассмотрен ряд дополнительных атрибутов, которые могут указывать на наличие аномальных участков, связанных с карстовыми полостями или повышенной трещиноватостью. Основными среди них являются: характерный вид сейсмической записи, связанный с аномальным поглощением сейсмических волн (атрибут форма сигнала), форма годографа первых вступлений (атрибут время), характер скоростного разреза продольных волн (атрибут наклон), положение областей уменьшения значений скоростей поверхностных волн (атрибут отношение скоростей). Кроме этого, проводился спектральный анализ сейсмограмм (атрибут спектральная декомпозиция), который позволил сделать заключение об изменении частотного состава волн в пределах участка. Это было использовано для формирования комплексного показателя карстоопасности (рис. 2).

Сравнение скоростных разрезов, карт, результатов, полученных по различным характеристикам волнового поля, показало, что выделяемые по ним аномальные участки хорошо увязываются между собой по месту положения на профиле. Поэтому решение вопроса об отнесении того или другого участка профиля к категории участка повышенного риска проводилось на основе учета всего комплекса атрибутов, описанного выше. Такой принцип интерпретации применялся для построения прогнозной карты карстоопасных участков.

Рис. 2 Прогнозная карта распределения комплексного параметра по площади и имеющиеся инженерно-геологические скважины на участке ст. Богданович, построенная на основе семи атрибутов сейсмических записей

Выявление положения подземных горных выработок. Мониторинг состояния грунтовых оснований

Исследование зон влияния подземных горных выработок проводилось в г. Березовском, где находится много недокументированных выработок на глубинах часто более 20 м, и на площадках г. Каменска-Уральского, где наряду со старыми выработками широко развиты и карстовые явления. Согласно данным УралТИСИЗ (2006 г.), на площадке г. Березовского подземные воды находятся на значительной глубине. Подземные пустоты на участках исследований в г. Каменске-Уральском заполнены атмосферными и техногенными водами (ООО «Технология», г. Екатеринбург, 2003). Кроме скоростных атрибутов по записям объемных волн использовались атрибуты поверхностных релеевских волн (значения фазовых скоростей, наклоны дисперсионных кривых, амплитуды и частоты их записей, количество наблюдаемых гармоник), а также параметр-индикатор дифрагированных волн - кривизна осей синфазности. Контуры зон влияния, выявленные по данным с применением атрибутного анализа, хорошо коррелируются с данными бурения.

Заключение

Разработана методика применения в инженерной сейсморазведке атрибутных параметров сейсмической записи для получения дополнительной информации о зонах с ослабленными прочностными показателями.

Предложены атрибуты для сейсморазведочных работ методом преломленных волн, а также алгоритмы их получения, изображения, анализа и способы инверсии.

На основе использования атрибутного подхода получены новые геологические результаты на ряде объектов инженерно-геологических изысканий.

Работы, опубликованные по теме диссертации

Статья, опубликованная ведущем научном журнале, входящем в Перечень ВАК:

1. Крылаткова Н.А. Результаты инженерно-сейсмических исследований карста на Свердловской железной дороге // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 6. С.

Монография:

2. Крылаткова Н.А. Интерпретация годографов первых волн в инженерной сейсморазведке / В.И. Бондарев, С.М. Крылатков, Ж.В. Пущина, Н.А. Крылаткова. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1995. 84 с.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:

3. Крылаткова Н.А. Изучение двумерно-неоднородных сред по годографам первых волн / В.И. Бондарев, Р.В. Кузнецов, С.М. Крылатков, Н.А. Крылаткова // Известия УГГГА. Вып. 8. Серия: Геология и геофизика. 1998. С. 137-142.

4. Крылаткова Н.А. Расчет и интерпретация годографов преломленных волн при изучении сред с криволинейными границами / В.И. Бондарев, А.С. Кашубин, Н.А. Крылаткова // Международная конференция "Экологическая геофизика и геохимия": Сборник материалов. Москва-Дубна, 1998. С. 56-57.

5. Крылаткова Н.А. Исследование карстоопасных участков железных дорог с помощью сейсморазведки /С.М. Крылатков, Н.А. Крылаткова, О.Б. Нещеткин // Известия УГГГА. Вып. 18. Серия: Геология и геофизика. 2003. С. 137-142.

6. Крылаткова Н.А. Основные результаты инженерно-сейсмических исследований карста на Свердловской железной дороге в 1998-2002 гг. /С.Г. Дубейковский, В.В. Бодин, Н.А. Крылаткова // Материалы международного симпозиума "Карстоведение - XXI век: теоретическое и практическое значение". Пермь, 2004. С. 251-255.

7. Крылаткова Н.А. Особенности обработки и интерпретации инженерно-сейсмических данных при изучении закарстованных территорий / Н.А. Крылаткова, С.М.Крылатков // Материалы научно-практической конференции “Проблемы инженерных изысканий для строительства в Уральском регионе”. Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2004. С. 46-50.

Размещено на Allbest.ru