Сейсморазведка

Полевые сейсморазведочные работы проводились в период с 17 по 19 июня 2012 года на Хаутаваарском учебном полигоне в пределах учебного профиля «База» (ПРБ) ПК0 - ПК20, что соответствует отрезку профиля длиной в 200 метров.

Основной целью сейсморазведочных работ было определение глубины залегания кровли коренных пород. Для решения поставленной задачи был применен метод преломленных волн, который является достаточно простым и эффективным, и, как следствие, популярным при проведении инженерной сейсморазведки.

Методика полевых работ

Метод преломленных волн (МПВ) основан на регистрации колебаний, которые образуются при падении волны на поверхность раздела двух сред под определенным (критическим) углом (рис. 4.1). При этом образуется скользящая волна, распространяющаяся со скоростью нижележащего пласта и проходящая большую часть своего пути внутри него. Для образования головных преломленных волн необходимо возрастание скорости с глубиной. Головные преломленные волны наблюдаются на удалении от пункта возбуждения и распространяются вдоль преломляющей границы. Как правило, это определяет систему наблюдений: в МОВ сейсмоприемники располагают вблизи пункта возбуждения, а в МПВ - вдалеке от него (на расстояниях, превышающих проектируемые глубины разведки).

Рис. 4.1 Лучевые схемы монотипных и обменных головных волн

Модификацией метода МПВ, основанного на регистрации первых вступлений преломленных волн, является корреляционный метод преломленных волн (КМПВ). Он основан на регистрации первых вступлений преломленных волн. При КМПВ используются принципы фазовой корреляции волн, которые подробнее будут описаны в части «Обработка сейсмических данных».

Геометрия наблюдений

Расстояние между приемниками равнялось 5 м, источник перемещался через один канал. Таким образом, удары производились в створе каждого нечетного и 24-го канала.

При полевых работах использовалась следующая аппаратура:

1) Сейсмическая станция

В ходе работ использовалась станция отечественного производства Лакколит–24М2. Станция предназначена для производства инженерных сейсморазведочных работ методами МПВ и МОВ. Получение, обработка и интерпретация полевых данных и их оценка производится оператором с помощью персонального компьютера с установленным на нем специализированным программным обеспечением Лакколит.

Параметры станции:

· диапазон регистрируемых частот: От 5 до 8000 Гц;

· дискретизация: 0,5 мс;

· длина записи: 1024 мс;

· средняя потребляемая мощность на один канал (без учета потребления переносного компьютера): не более 0,2 Вт.

Станция работает в 3-х различных режимах:

· «По обнаружению» ‒ активирует станцию только при поступлении сейсмического события заданного типа;

· «Безусловный» ‒ запись по команде оператора;

· «Тестовый запуск» ‒ обеспечивает запись калибровочного сигнала, подаваемого на вход усилителей со встречного ЦАП.

2) Отметка момента, которая служит для синхронизации времен начала возбуждения импульса и начала срабатывания регистрации сейсмического сигнала, производилась с помощью сейсмоприемника, подключенного к радиоантенне.

Рис. 4.2 Сейсмическая станция, подключенная к персональному компьютеру

3) Коса

Расстановка общей длиной 115 м состоит из одной 24-канальной косы, на которой через 5 м находятся каналы, каждый из которых предназначен для подключения 1-ой группы сейсмоприемников по 3 штуки в каждой.

Рис. 4.3 Фрагмент сейсмической косы с подключенными к ней горизонтальными сейсмоприемниками

Рис. 4.4 Схема сейсмической косы

4) Импульсный источник

В качестве источника сейсмического импульса применялась обыкновенная кувалда массой 8 кг в комбинации с ударяемым предметом, в зависимости от типа вызываемых целевых волн. Так, для возбуждения продольных волн ударяемым кувалдой предметом служил деревянный пенёк радиусом от 10 до 25 см и высотой от 30 до 70 см, либо камень, в случае его нахождения в створе канала; для возбуждения поперечных волн была использована стальная барана специфической конфигурации, также на ранних этапах работ были осуществлены попытки возбуждения упругих поперечных волн с помощью вышеупомянутого деревянного цилиндра, но вкопанного в землю под углом в 45 градусов.

Удары кувалдой выполнялись через один канал, каждый нечетный и последний (24-й) каналы. При возбуждении поперечных волн для улучшения сигнала при камеральной обработке удары кувалдой осуществлялись по 10 накоплений в разные стороны (20 накоплений в общей сложности). При возбуждении продольных волн производилось 10 накоплений, удар направлялся перпендикулярно грунту.

Поскольку длина профиля составляла 200 м и одной расстановкой косы покрыть весь профиль было невозможно, наблюдения производились двумя расстановками таким образом, что перекрытие двух расстановок составляло 30 м (первый канал второй расстановки совпадал с 18-м каналом первой расстановки).

Обработка данных

Обработка данных заключается в выделении целевых волн (пикировании прямых и преломленных волн в первых вступлениях).

Для обработки данных использовались программы «Лакколит (1.5.0.5)», ZondST2D и Microsoft Excel. С целью усиления сигнала и соотношения «сигнал-шум» в программе «Лакколит (1.5.0.5)» было проведено суммирование и корректировка 10-ти (для продольных волн) и 20-ти (для поперечных волн) накоплений на каждом из 24 каналов.

После получения суммарных сейсмограмм с использованием программы ZondST2D были выделены годографы прямых и преломленных волн в первых вступлениях: производилась корреляция одинаковых фаз одной и той же волны по разным каналам сейсмограммы, при этом использовали суммарную запись всех накоплений. В результате были получены годографы первых вступлений прямых и преломленных волн по обеим расстановкам. Метод t₀был реализован в программе Microsoft Excel.

Сущность данного метода заключается во взаимной увязке встречных годографов по взаимному времени (t_вз), в конечном итоге это позволяет вычислить глубину преломляющей границы, и, как следствие, оценить глубину залегания кровли коренных пород.

Определение глубины преломляющей границы проводилось в программе Microsoft Excel с использованием годографов из программы ZondST2D, экспортированных в файлы формата.dat. Были рассчитаны и построены годографы .

и разностный годограф, :

По разностному годографу была вычислена разностная скорость, :

По годографам прямых волн вычислена скорость в первом слое, . Получив , вычислена граничная скорость, , которая приближенно равна:

По полученным данным были вычислены критический угол и глубина преломляющей границы по формулам:

В результате обработки сейсмических данных по вышеупомянутому методу были получены графики годографов для первой и второй расстановок (рис. 4.5 и рис. 4.6 соответственно)

Рис. 4.5 Система годографов для первой расстановки

Рис. 4.6 Система годографов для второй расстановки

Окончательный результат обработки – график, показывающий изменение глубины залегания кровли коренных пород, начиная с удаления в 30 метров (ПК3) с интервалом в 5 м до 170-метровой отметки (ПК17) (рис. 4.7).

Рис. 4.7 Глубина залегания кровли коренных пород

Значения критических углов в обоих случаях получились равными с точностью до сотых радиана и равняются 0,11 радиан. Скорости продольных волн в коренных породах совпадали с точностью до целых и их значения определяются величиной около 5,5 км/с. Глубины залегания кровли коренных пород в заданном интервале колеблются от 6,3 м до 7,1 м.

В дополнение следует отметить, что имея в наличии априорные геологические данные и зная типичные для определенных типов пород скорости распространения упругих волн (рис. 4.8), можно сделать предположения о литологической характеристике изучаемых толщ.