Сейсмические методы в инженерной геологии

При использовании простейших поверхностных источников упругих колебаний свыше 85 процентов энергии удара уходит на формирование низкочастотных и низкоскоростных поверхностных волн. Являясь наиболее сильными помехами для метода отраженных волн, они в то же время содержат весьма ценную для изучения свойств грунтов информацию о скоростях распространения поперечных волн.

Наиболее передовая и быстро развивающаяся в настоящее время в малоглубинной сейсмике методика обработки, основанная на многоканальном анализе поверхностных волн (MASW), позволяет получать достаточно детальные одно- и двухмерные модели распределения скоростей поперечных волн Vs в массиве грунтов.

Естественным ограничением методики MASW является небольшая глубина проникновения энергии поверхностных волн в толщу грунтового массива. Существенным фактором для увеличения глубинности метода является возможность привлечения для совместного анализа с полученными в активном режиме записями пассивных низкочастотных шумов транспорта и работающих механизмов.

Основными предпосылками для многоканального частотного анализа является преобладание энергии компоненты поперечных смещений при распространении колебаний вдоль поверхности раздела сред и частотная дисперсия фазовых скоростей – увеличение видимого периода и, соответственно, увеличение глубины проникновения энергии поверхностной волны в толщу грунтового массива при увеличении скорости распространения поперечных смещений.

Рис. 9. Распределение скоростей распространения поперечных волн в толще моренных суглинков по данным MASW по одному из профилей

 

Приведенный на рис. 9 разрез характеризует типичное соотношение представительности геотехнических методов, бурения и геофизики при оценке физических свойств грунтового массива. Несмотря на достаточно высокую плотность точек бурения, они не обеспечивают пространственного построения границ инженерно-геологических элементов внутри относительно однородного массива моренных суглинков. В то же время скорости поперечных волн, характеризующие в первую очередь свойства скелета грунта, дают наглядную пространственную картину распределения в моренных суглинках крупнообломочной фракции с повышенными скоростями распространения поперечных волн.

При инженерных изысканиях для оценки состояния и свойств грунтового массива и насыщающих его флюидов обычно используются несколько типов волн: продольные отраженные, рефрагированные и поверхностные.

 

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

В связи с активным ростом технологического и информационного прогресса создаются новые методы и методики геофизических исследований, одним из которых и является метод многоканального анализа поверхностных волн (MASW). Впервые он был представлен в геофизике в 1999 г., но за 15 лет в нашей стране в инженерных целях его применяли единицы. До недавнего времени слабый интерес к методу был связан с отсутствием должного программного обеспечения для обработки данных, опытной базы, ну и как основное, отсутствием его в нормативной литературе нашей страны. В настоящий момент по первым двум пунктам метод с успехом продвигается вперед.

При анализе распространения поверхностных волн методом MASW конечным результатом являются вариации распространения скоростей поперечных волн (Vs) для площадки исследования, которые вносят наибольший вклад в формирование поверхностных волн. Скорости поперечных волн (Vs) являются одной из упругих характеристик среды и тесно связаны с модулем Юнга. В большинстве случаев Vs являются прямым индикатором прочности грунтов (жесткости) и, следовательно, обычно используются для определения несущей способности грунтов.[6]

 

5.1 Условия выполнения полевых работ методом MASW

Рельеф местности. Поверхностные волны лучше всего возбуждать на более «плоской» поверхности земли в пределах одной расстановки D. Если это не так, то общие топографические изменения в пределах всей линии исследования не должны быть критическими. Принято, что любой рельеф поверхности, размерность которого больше, чем 10% от D, приведет к значительному препятствию для генерации поверхностных волн.

Механические помехи. Для методов МПВ, ВСП и МОВ-ОГТ шумовые помехи несут существенную угрозу качеству получаемого материала, когда как для метода MASW существенного влияния на формирование дисперсионного изображения не оказывают (Рисунок 2). Это связанно с высоким отношением сигнал/помеха. Вклад в полную энергию в приповерхностном слое для волн Релея составляет 67%, для S-волн 26%, для Р-волн 7%. Более того, существует пассивный метод MASW, в котором подвергаются анализу записи микросейсм от различных источников колебаний, будь они техногенные или природные.

Инверсионный разрез. Это разрез, где скорости в верхней части выше, чем в подстилающем слое. Такие разрезы распространены в северных регионах, где верхняя часть промерзает, а также разрезы в черте города с асфальтобетонным покрытием. Сравнивая минимальную длину волны Релея с мощностью верхнего высокоскоростного слоя можно сказать, что если минимальная длина волны больше, чем мощность этого слоя, то слой для неё будет «незаметен». Для стандартного шага пунктов приёма dx = 2 м верхние слои менее 0,7÷1,8 м будут «незаметными». В приведенных условиях применение метода МПВ невозможно, что позволяет выдвинуть метод MASW на передний план.[6]

 

5.2 Особенности выполнения полевых работ методом MASW

Источник определяет максимальную (Z max) и минимальную (Z min) глубину исследования путем генерации максимальной (L max) и минимальной (L min) длины волны. Существует соотношение Z max ≈ 0.5L max, где L max в этом случае определяется воздействием силы сейсмического источника. Как правило, в инженерной сейсморазведке применяются кувалды весом от 4 до 9 кг, которые позволяют исследовать глубины 10-20м (обычно около 15 м). В работах методами МПВ и ОГТ применяют накопление сигнала, чаще всего, от 3 до 10 накоплений, что хорошо сказывается на качестве материала метода MASW.

Приемники. Всегда рекомендуют использовать низкочастотные геофоны (например: 4,5 Гц или 10 Гц – наиболее распространенные в методах МПВ и ОГТ), которые определяют верхний предел регистрации самой большой длины волны L max. Величина L max, в свою очередь, напрямую связана с максимальной глубиной исследования. Верхний частотный предел геофонов не так критичен.

Геометрия установки. Длина приемной линии D непосредственно связана с длиной волны L max, которую можно будет проанализировать. L max, в свою очередь, определяет максимальную глубину исследования Z max. Значение D должно быть равно или больше, чем Z max:

D = mZmax (1 ≤ m ≤ 3)

С другой стороны, расстояние между приемниками dx (рис. 10) связано с самой короткой длиной волны Lmin, и, следовательно, определяет наименьшую разрешенную глубину исследования Zmin:

Zmin=kdx (0.3 ≤ k ≤ 1.0)

Рис 10. Геометрия установки.

 

Параметры записи. Рекомендуется применять шаг дискретизации dt = 0,5 мс, с T = 1 сек общего времени записи, эти параметры позволяют обрабатывать сейсмограммы как методом MASW, так и использовать в обработке любую другую целевую волну (например, преломленные и отраженные). В случае наличия предельно малых скоростей (например, Vs <100 м/с) или использования длинных приемных расстановок (D) (например, > 100 м) не будет лишним выбрать более длительный период записи T (например, 2 с). В активном методе MASW не рекомендуется применять чрезмерно большие T (например, T> = 5 с), потому что это может увеличить вероятность записи случайного шума.

Относительный шаг пункта возбуждения на профиле q*dx, где q для 24-хканальной установки колеблется 1-12. Этот интервал с переменной q непосредственно напрямую связан с разрешением метода по горизонтали. Соответственно, если обрабатывать данные, полученные методикой ОГТ, с высокой кратностью то и разрешение по горизонтали методом MASW будет высокое. А если обрабатывать данные, полученные методом МПВ с 5-ю или менее точками ПВ на 24 канала, то и разрешение у нас получается соответствующее - слабое.

Точка записи – место на поверхности, к которому привязывают полученную дисперсионную кривую. Известно 3 способа определения точки записи для метода MASW: 1) центр приемной расстановки; 2) геометрическое среднее всех центров пар источник-приемник; 3) 1/4D со стороны пункта возбуждения. Последний вариант получен опытным путем и по положению совпадает со вторым вариантом. Эти два варианта наиболее адекватны и хорошо согласуются с результатами других геофизических методов изучения геологического строения. Таким образом, для одного положения приемной расстановки есть возможность получения дисперсионных кривых в количестве, равном числу пунктов возбуждения.

Число каналов. Концепция многоканальных сейсмических исследований аналогична технологии визуализации разрешения в цифровых картинках. Поскольку при большом количестве доступных бит достигается более широкое цветовое разрешение, в то время как более высокое разрешение картинка достигается путем большего числа пикселей использующихся для захвата изображения (Рисунок 4). Число каналов играет роль битов и пикселей при оценке контрастности и чёткости изображения геологической среды.[6] 
Список использованной литературы

 

1. Короновский Н. В. Общая геология: учебник. – Москва: Изд-во МГУ, 2002. – 448 с.
2. Пузырёв Н. Н. Методы сейсмических исследований. – Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-е, 1992. – 236 с.

3. Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. – Москва: «Мир», 1987. – 447 с.

4. Тихонов А.А. Многоволновая сейсморазведка : учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 2008.
5. Скворцов А.Г. Высокоразрешающая сейсморазведка на поперечных волнах при изучении малых глубин : Матер. науч.-практ. конф. «Инженерная и рудная геофизика – 2007». Геленджик, 2007.
6. Ясницкий А.А., Колодий А.А, Шабарин В.Н. «Сравнение эффективности примененияметода MASW с традиционными методами сейсморазведки для целее инженерных изысканий.» Инженерная и рудная геофизика 2012 г ООО «ИнжГеоСервис», г. Туапсе