Сейсмические методы в инженерной геологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО

Сейсморазведке

 

 

ТЕМА: Сейсмические методы в инженерной геологии

 

 

Содержание:

 

Введение

Глава 1. Современные знания в данной области

Глава 2. Применения сейсморазведки МОВ-ОГТ

2.1 Основные различия малоглубинных и глубинных исследований

2.2 Аппаратура для производства работ МОВ-ОГТ

2.3 Методика проведения работ МОВ-ОГТ

Глава 3. Применение метода Рефрагированных волнн

Глава 4. Применение сейсморазведки МПВ

Глава 5. Применения метода многоканального анализа поверхностных волн (MASW)

5.1 Условия выполнения полевых работ методом MASW

5.2 Особенности выполнения полевых работ методом MASW

Список использованной литературы

 

 

 

Введение

 

Сейсмическая разведка является ведущим методом геофозических исследований земной коры. Лидирующее положение метода в разведочной геофизике обусловлено его большой глубинностью при высокой детальности исследований.

Сейсморазведка основана на изучении распространения в горных породах искусственно возбуждаемых упругих волн. Вызванные взрывом, ударом или вибрацией сейсмического источника, упругие колебания распространяются во все стороны и проходят в толщу земной коры. Здесь они претерпевают преломление и отражение на границах горных пород с различными упругими свойствами и частично возвращаются к дневной поверхности, где во множестве точек наблюдения регистрируются высокоточной аппаратурой. По записям этих волн строят сейсмические изображения геологических объектов, что позволяет определить их глубины и формы, а также прогнозировать.

Благодаря своим возможностям сейсморазведка играет ключевую роль в региональных исследованиях земной коры, особенно - в изучении мощных осадочных толщ. Чрезвычайно велико значение метода при поисках и разведке месторождений нефти и газа как на суше, так и на море. Сейсморазведку применяют для поисков углей и многих нерудных полезных ископаемых, а также для решения гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических задач. Все более активно она участвует в решении задач рудной геологии, изучающей сложные комплексы кристаллических пород.

В настоящее время преобладающую часть геофизической информации о строении земных недр получают с помощью отраженных волн. По этой причине метод отраженных волн (МОВ) является основным, хотя практическая сейсморазведка начиналась с метода преломленных волн (МПВ). 
Глава 1. Современные знания в данной области

Всем современным знаниям в области сейсморазведки (как и сейсмологии) мы обязаны закону Гука. Он позволяет вычислить деформации при известных напряжениях. (Напряжение – сила на единицу площади. Деформация – изменение формы и размера тела в результате действия на него напряжения.) Когда деформации малы, их связь с напряжениями определяется законом Гука, согласно которому данная деформация прямо пропорциональна обусловившему её напряжению. Если существует несколько напряжений, то каждое из них создаёт деформацию независимо от других. Таким образом, полная деформация равна сумме деформаций, вызванных отдельными напряжениями.

Гук придумывал свой закон для деформаций отдельных тел. Но, как известно, сейсмическая волна – это, в сущности, и есть деформация, передающаяся по материалам. Так что и для сейсмических волн закон Гука выполняется. Далее мы увидим, как. Сейчас же необходимо отметить, что сейсмические волны делятся на две основные группы: поверхностные и объёмные.

Поверхностные волны в свою очередь делятся на два типа: волны Релея и Лява. В первом случае движение частиц происходит по окружностям. Во втором – в горизонтальном направлении поперек движения волны (рис. 1).

А)

 

 

Б)

 

 

Рис. 1. Поверхностные волны. А) Релея; Б) Лява

 

Но эти волны не имеют практически никакой пользы при выполнении сейсмологических и сейсморазведочных работ. Причем иногда они наоборот создают помехи.

Объемные волны, в свою очередь, тоже разделяются на два типа: P (продольные) и S (поперечные). Движение частиц в продольных волнах (или в волнах сжатия) происходит вдоль распространения волны. В поперечных волнах (волнах сдвига) – поперёк. (Рис. 2)

 

 

Рис. 2. Виды объёмных волн

 

Скорости таких волн описываются формулами

  ;       

где l и m - параметры упругости среды (постоянные Ламе; l – объёмный модуль упругости или модуль всестороннего сжатия, m – модуль сдвига), пришедшие из закона Гука [1]. Видно, что Р-волны гораздо быстрее S-волн. Также необходимо отметить, что S-волны не распространяются в жидкой среде, что имеет огромное значение: так определяют агрегатное состояние веществ. Но на границе раздела двух сред возникает некоторая проблема: из S и P волн могут образоваться P и S волны соответственно.

Вообще, когда волна падает на поверхность раздела 2-х сред с различными упругими свойствами, она порождает отражённую и преломлённую волны. Соотношения между различными волнами можно найти из зависимостей между напряжениями и деформациями по обе стороны от границ раздела. При переходе через границу, разделяющую две среды, напряжения и деформации должны быть непрерывными.[2]

 

Глава 2. Применения сейсморазведки МОВ-ОГТ

2.1 Основные различия малоглубинных и глубинных исследований

В отличие от нефтяной сейсморазведки (диапазон изучаемых глубин колеблется от первых сотен метров до нескольких километров), в инженерной сейсморазведке метод отраженных волн не имеет такого доминирующего положения. Основная причина заключается в сложности адаптации уже наработанных методик, используемых в нефтяной сейсморазведке, к изучению верхней части разреза. Многие обрабатывающие процедуры МОВ-ОГТ (например, деконволюция, миграция, АVО-анализ) работают в предположении “дальней зоны”. Это означает, что длина волны импульса источника много меньше, чем расстояние до отражающих границ. При изучении малых глубин длина волны импульса источника соизмерима с расстоянием до изучаемой границы.

Несмотря на вышесказанное, у малоглубинных сейсморазведочных исследований есть ряд принципиальных преимуществ. Основное из них заключается в контролируемости источника упругих колебаний. Как правило, в качестве такового используется обыкновенная кувалда. Производя разнонаправленные удары кувалдой, в зависимости от положения приемников можно возбуждать волны различного типа (продольные или поперечные) и поляризации (вертикальной или горизонтальной) [4]. Данная особенность позволяет проводить работы МОВ-ОГТ с использованием различных типов волн в зависимости от геологических условий и решаемых задач.

 

2.2 Аппаратура для производства работ МОВ-ОГТ

В состав сейсморазведочной аппаратуры входят: сейсморазведочные станции, сейсмоприемники и источники упругих колебаний. Наиболее распространенным способом возбуждения упругих волн является применение механического источника типа “падающий груз”. Как правило, при производстве работ используется обыкновенная строительная кувалда.   В редких случаях, когда ставится задача исследовать большие глубины (от 100 до 500 м), используются механические системы, которые с ускорением сбрасывают груз (весом от 10 до 100 кг) с небольшой высоты (от 0,5 до 3 м). На рис. 3 изображен сейсмический источник “ESS 200” (Еlесtriс Seismic Sоurсе 200), смонтированный на автомобильном прицепе. Ударная часть источника представляет собой колонну весом 90 кг. В момент дистанционной инициализации возбуждения колонна поднимается на высоту ~ 0.5 м и под тяжестью собственного веса ударяется о металлическую плиту. Для увеличения ускорения падения колонны в источнике используется толстый резиновый жгут. Помимо механических, в инженерной сейсморазведке применяются источники импульсного типа. Наиболее распространенными в производстве являются: малогабаритный электромагнитный источник сейсмических волн “Геотон 06” (рис. 4), импульсный источник упругих колебаний (рис. 5).

Рис. 4. Малогабаритный электромагнитный источник сейсмических волн “Геотон 06”

Рис. 5. Импульсный источник упругих колебаний

2.3 Методика проведения работ МОВ-ОГТ

Работы МОВ-ОГТ в инженерной сейсморазведке проводятся с использованием продольных (P) и поперечных (S) волн. Для реализации полевой методики работы на том или ином типе волн используются различные компоненты возбуждения/приема. При проведении двумерных сейсмических исследований обычно выбирается следующая система координат [4]: ось Z направлена вертикально вниз, ось Х – вдоль линии профиля, ось Y – перпендикулярно линии профиля в горизонтальной плоскости (рис. 6).

Рис. 6. Схемы наблюдений в сейсморазведке: расстановка Z-Z (а), расстановка (б).

На рис. 6, а приведена схема наблюдений Z–Z (вертикальное возбуждение колебаний, вертикальный прием). При такой методике проведения по левых работ возбуждаются и принимаются преимущественно продольные волны. Такая система наблюдений относительно просто реализуема и имеет широкое распространение в нефтяной сейсморазведке. В инженерной сейсморазведке широкое распространение имеет схема наблюдений У–У (возбуждение и прием колебаний производятся в плоскости, перпендикулярной оси профиля). При такой методике возбуждаются и принимаются преимущественно поперечные волны горизонтальной поляризации (Sh-волны) (см. рис. 6, б).

Традиционно наиболее успешно в инженерной сейсморазведке применяется МОВ-ОГТ на поперечных волнах горизонтальной поляризации                   (Sh-волны) [5].

Можно выделить следующие основные причины:

– поперечные волны горизонтальной поляризации не порождают обменных волн при преломлениях и отражениях на границах разделов сред. Таким образом, наблюденные гиперболические оси синфазности на сейсмограммах ОПВ, полученных по методике У–У, должны соответствовать только отраженным и кратно отраженным поперечным Sh-волнам;

– скорости поперечных волн меньше, чем скорости продольных. На рис. 7 приведен пример двух полевых сейсмограмм ОПВ при одном положении приемной линии: полученные при регистрации по схеме Z–Z (а) и при регистрации по схеме У–У (б). На сейсмограмме Z–Z четко выделяется годограф однократно отраженной продольной волны, которая по своим кинематическим характеристикам очень близка к годографу головной волны. В то же время на сейсмограмме У–У выделяются сразу несколько (в диапазоне от 90 до 120 мс) годографов отраженных волн с различной интенсивностью;

– резкое увеличение скоростей продольных волн в породах, залегающих ниже уровня грунтовых вод. Контрасты скоростей продольных волн в верхней части разреза ниже уровня грунтовых вод становятся незначительными;

– возможность использования технологии вычитания “левых” и “правых” ударов.

Несмотря на перечисленные преимущества, в случае, когда в разрезе нет инверсного слоя, зачастую провести работы МОВ-ОГТ на поперечных волнах не представляется возможным. Основная причина этого заключается в наличии на сейсмических записях высокоамплитудной поверхностной волны, обладающей сильной дисперсией. Такая поверхностная волна интерферирует с отраженными волнами и не позволяет выделить их на записях. На рис. 8 приведен пример сейсмограммы, на которой нельзя проследить оси синфазности отраженных волн по причине их интерференции с высокоамплитудной поверхностной волной.

В случае, когда невозможно провести работы на поперечных волнах, можно провести работы на продольных волнах с использованием фланговой расстановки.[5]

Рис. 7. Сейсмограммы ОПВ, полученные при одном положении приемной линии: расстановка Z–Z (а), расстановка У–У (б).

ПВ_Х – координата пункта возбуждения, ПП_Х – координата пункта приема.

Рис. 8. Сейсмограмма ОПВ, на которой невозможно проследить оси синфазности отраженных волн. ПП_Х – координата пункта приема. 
Глава 3. Применение метода Рефрагированных волнн

Метод рефрагированных волн наиболее часто применяется в инженерной геофизике для изучения геометрии и физических свойств поверхности коренных пород и определения мощности рыхлых четвертичных отложений.

Наиболее оправдано использование метода рефрагированных волн при отсутствии ясно выраженной слоистости приповерхностного слоя отложений и, как следствие, отсутствии отраженных волн на записях. Глубиннность исследований по методу рефрагированных волн обычно составляет 25-30 % от максимального расстояния источник-приемник. При наличии мощного приповерхностного слоя рыхлых грунтов (сухих песков, торфяников), в котором происходит быстрое затухание энергии упругих волн, для получения годографа рефрагированной волны в первых вступлениях на базе приема в 250-400 м приходится использовать достаточно мощные источники упругих волн, зачастую – взрывы, там, где это разрешено природоохранными органами.

Одним из наиболее распространенных применений метода рефрагированных волн является выявление закарстованных участков в приповерхностных слоях коренных пород, представленных галогенно-карбонатными отложениями. В этих случаях глубинность метода обычно ограничена глубиной залегания кровли высокоскоростных отложений, однако изменчивость физических свойств выветрелой поверхности коренных пород и перекрывающего слоя грунтов проявляется достаточно отчетливо.

 

Глава 4. Применение сейсморазведки МПВ

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.

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. 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.