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

Состояние и пути совершенствования методов наземной 10 инженерной сейсморазведки.

Обзор существующих способов изучения верхней части разреза 11 с помощью сейсмических исследований.

Многоволновая инженерная сейсморазведка — ключ к 16 успешному решению сложных инженерно-геологических задач Роль количественных характеристик сейсмической записи при 23 изучении разреза с участками пониженной прочности.

Глава 2 Получение и использование сейсмических атрибутов при 32 изучении инженерно-геологической среды 2.1 Особенности сейсмических волновых полей для некоторых 32 типов инженерно-геологических моделей среды 2.2. Атрибуты сейсмических волновых полей и способы их 45 определения.

2.3 Инверсия атрибутов сейсмических волновых полей и получение 59 на этой основе геосейсмических разрезов инженерно-геологической среды.

Глава 3 Примеры применения атрибутных геосейсмических разрезов для 70 изучения ослабленных зон в геологических средах 3.1 Выявление закарстованных зон на трассе железной дороги 71.

Свердловск-Богданович 3.2. Выявление подземных горных выработок на площадках 82 промышленного и гражданского строительства в г. Березовский 3.3 Решения задач мониторинга состояния грунтовых оснований в г. 87 Каменск-Уральском.

Заключение

96.

Список литературных источников 97.

Актуальность проблемы.

Сейсмические методы исследования геологического разреза играют существенную роль при выполнении инженерно-геологических изысканий. На основе изучения упругих свойств грунтов они позволяют решать целый ряд задач инженерной геологии. Наиболее важными из этих задач являются задачи, связанные с изучением геологического строения верхней части разреза (ВЧР), которая определяет работу оснований зданий и сооружений, а также задачи определения физико-механических свойств грунтов и сейсмического районирования участка работ. Высокие темпы строительства, появление проектов сложных и уникальных сооружений, требующих серьезной инженерной подготовки, необходимость мониторинга действующих объектов гражданского и промышленного назначения, эксплуатация которых зачастую провоцирует опасные инженерно-геологические процессы, с одной стороны — обусловливают сжатые сроки проведения изыскательских работ, с другой — требуют такого качества исследований, которое может обеспечить надежность принятия проектных решений. Современные компьютерные технологии явились той базой, на основе которой сейсмические методы стали доступными по цене и по срокам получения результатов обследования. Это обеспечило их массовое применение и выход в число высоко востребованных технологий инженерных изысканий.

Сейсморазведочные работы для изучения геологического разреза при инженерно-геологических изысканиях, как правило, выполняются на тех участках, которые классифицируются как сложные, при этом перед ними ставятся задачи по локализации и детальному изучению неоднородностей различного генезиса. Чаще всего для строительных целей или мониторинга оснований уже существующих сооружений исследователей интересуют пространственное распределение прочностных показателей, и, в частности, положение участков пониженной прочности. Характерными чертами этих участков является повышенный процент содержания пустот в горной породе по отношению к вмещающим породам и анизотропия физических свойств. Снижению прочности горных пород способствуют различные инженерно-геологические процессы [26], такие как разуплотнение горных пород, выветривание, суффозия, карстообразование и т. д. Эти процессы во многом формируют сложный характер распределения упругих свойств в геологической среде.

Изучение сложно построенных сред с помощью инженерной сейсморазведки на основе традиционно применяемых кинематических методов интерпретации сталкивается с принципиальными трудностями, связанными с погрешностями определения кинематических характеристик волн, неоднозначностью решения обратных задач и т. д. При применении методов сейсморазведки, которые ориентированы на использование или однотипных по поляризации волн (продольных, поперечных, поверхностных релеевских волн и волн Лява), или волн с определенным характером их распространения (отражение, преломление, дифракция и рассеяние), получаемые результаты отображают структурно-вещественное строение изучаемой среды зачастую недостаточно полно и однозначно. Конечно, основным способом преодоления этих недостатков является комплексирование геофизических методов [53]. Однако важной особенностью сейсморазведки является то, что она сама может выступать как комплекс методов, характеризующих объект исследования посредством привлечения информации о динамике и кинематике прохождения через изучаемую среду различных типов сейсмических волн. Перспективы одновременного использования различных сейсмических волн и, дополнительно, их динамических параметров достаточно очевидны и были поняты геофизиками давно. Однако эффективная реализация этих возможностей стала возможна только при применении современных цифровых сейсмостанций с существенно более широким, чем ранее, динамическим и частотным диапазоном регистрируемых сейсмических волн, а также с использованием компьютерных технологий, в значительной степени облегчивших анализ волновой картины [1].

В последние десятилетия в сейсморазведке МОГТ, ориентированной главным образом на поиски и разведку месторождений углеводородов, помимо кинематических параметров (времен прихода, скоростей распространения сейсмических волн, амплитудных аномалий) при прогнозировании геологического разреза (ПГР) и фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) горных пород успешно используются дополнительные характеристики волнового поля [85]. Эти характеристики часто формируют как функции базовых динамических или кинематических параметров сейсмических записей, которые не являются в строгом смысле параметрами волнового поля. Они занимают среди обычно используемых характеристик некоторое особое положение и получили обобщенное название — «сейсмические атрибуты». Количество рассматриваемых при интерпретации данных МОГТ сейсмических атрибутов составляет сегодня несколько десятков и продолжает увеличиваться. Получаемые поля значений сейсмических атрибутов позволяют создавать новые виды изображений геологической среды, которые облегчают процесс решения структурных задач, задач ПГР и прогноза ФЕС. Широкое применение атрибутов в нефтяной сейсморазведке открыло совершенно уникальную возможность создания тонкослоистых детальных моделей геологического пространства. Применение аналогичного подхода в инженерной сейсморазведке методом ОГТ также открывает новые возможности видения и оценки строения и состояния геологической среды, хотя следует отметить, что сам термин атрибуты здесь обычно не рассматривается. Так в работах Санфирова И. А. и др. [72,73] при малоглубинных сейсмических исследованиях МОГТ с целью определения ослабленных зон в геологическом разрезе для расчета комплексного параметра-индикатора рассматриваются четыре величины: эффективные скорости, максимум амплитудно-частотного спектра, отношение сигнал/помеха, средние арифметические абсолютных значений амплитуд. К сожалению, в основном методе инженерной сейсморазведки — методе преломленных волн (МПВ), сейсмические атрибуты не нашли еще широкого применения, хотя отдельные элементы подобного анализа (изучение затухания амплитуд и частот [51,56], характера полей времен и скоростных законов [17]) известны.

Всё это определило актуальность проведения настоящей работы, основной целью которой является разработка методики и технологии применения атрибутов сейсмических волновых полей в МПВ для локализации неоднородностей в верхней части разреза, связанных с различными инженерно-геологическими процессами, а также для получения информации об их вещественном составе.

Основными задачами исследования являются:

1) анализ возможности применения сейсмических атрибутов в инженерной сейсморазведке и оценка эффективности использования этих атрибутов;

2) формирование технологии построения атрибутных сейсмических изображений по записям волновых полей, наблюдаемым при инженерно-сейсмических исследованиях;

3) разработка методики интерпретации, позволяющей выявлять участки пониженной прочности в геологической среде на основе комплексного использования сейсмических атрибутов;

4) разработка и внедрение в практику инженерных изысканий программно-методического обеспечения, облегчающего использование предложенных методик и способов интерпретации инженерно-сейсмических данных.

Объектами исследования в работе являются ослабленные по прочностным и деформационным показателям участки геологического разреза, области развития карстовых процессов, территории с заброшенными подземными выработками, зонами повышенной трещиноватости. Необходимость и актуальность исследования указанных объектов очевидна. Провалы грунтовой поверхности и ее нарушение, происходящие за счет наличия приповерхностных пустот, образованных в результате процессов растворения карстующихся пород или горнопроходческой деятельности, происходят достаточно часто и представляют серьезную проблему во всех странах. Они проявляются в повреждениях зданий, фундаментов, инфраструктуры, авариям на железных дорогах, обрушеншо мостов и, следовательно, приводят к значительным материальным потерям. В значительной мере это происходит в результате отсутствия достоверных сведений о положении зон повышенной трещиноватости в геологическом разрезе. Информация такого рода могла бы сократить затраты на эксплуатацию строительных сооружений и других сложных и ответственных объектов.

Предметом исследования в работе являются взаимоотношения и взаимосвязи атрибутов сейсмических записей в инженерной сейсморазведке МПВ с элементами геологического разреза, содержащего объекты пониженной прочности.

При написании работы применены следующие методы исследования:

— изучение научно-методической и технической литературы по проблеме применения сейсмических методов при изучении сложно построенных сред;

— совместный анализ результатов полевых геологических и сейсмических исследований на объектах, содержащих участки пониженной прочности;

— формирование математических моделей изучаемых объектов и соответствующих им сейсмических полей;

— анализ информативности атрибутов сейсмических записей;

— разработка алгоритмов и программ для решения задач инверсии полей кинематических и динамических атрибутов.

Информационная база исследования включает: научные источники (монографии, статьи в научных журналах, информационные обзоры, материалы научно-практических конференции, симпозиумов), нормативные и официальные документы, регламентирующие проведение инженерно-геологических исследований, результаты собственных расчетов и полевых исследований.

Положения, выносимые на защиту:

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

2. Определены сейсмические атрибуты, наиболее эффективные для изучения участков с нарушенными прочностными и деформационными свойствами горных пород верхней части геологического разреза, и предложена технология получения этих атрибутов по сейсмическим записям МПВ.

3. 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.

Научная новизна исследования:

— впервые разработаны принципы использования атрибутов сейсмических волновых полей в МПВ для изучения упругих характеристик горных пород в верхней части геологического разреза;

— проанализированы математические модели сейсмических полей, соответствующих ослабленным зонам в геологическом разрезе;

— разработаны программные средства для решения задач инверсии с целью определения основных атрибутов по сейсмическим записям объемных и поверхностных волн;

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

— в ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность использования количественных значений атрибутов сейсмической записи и их изображений при решении задач картирования ослабленных зон в плане и разрезе.

Практическая значимость:

На основе теоретических и экспериментальных исследований создана методика получения информативных атрибутов и атрибутных изображений для интерпретации данных инженерно-сейсмических работ. Методика позволяет получать информацию о местоположении и упругих свойствах участков с пониженной прочностью в геологической среде. Она состоит из следующих элементов:

— способов анализа сейсмических записей при проведении традиционных инженерно-сейсмических исследований МПВ;

— способов создания и использования математических моделей среды, на базе которых выполняется последующая кинематическая и динамическая инженерно-геологическая интерпретация данных сейсморазведки;

— алгоритмов и программ инверсии и получения атрибутных изображений геологической среды при инженерно-сейсмических работах.

Личный вклад автора заключается в разработке и внедрении:

— методики анализа полей многоволновой инженерной сейсморазведки для получения информации о положении в плане и разрезе зон пониженной прочности, связанных с наличием пустот и трещин;

— интерпретационных моделей геологической среды при инженерно-сейсмических исследованиях территорий с наличием зон пониженной прочности в разрезе;

— структуры атрибутных показателей сейсмических записей, в том числе структуры комплексного атрибутного параметра, характеризующего наличие ослабленных участков в разрезе;

— алгоритмов для определения атрибутов сейсмических записей в сейсморазведке МПВ по записям объемных и поверхностных волн.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

— Международной конференции «Экологическая геофизика и геохимия», Москва-Дубна, 1998 г.

— Международном симпозиуме «Карстоведение — XXI век: Теоретическое и практическое значение», Пермь, 25−30 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 // Горный журнал. — 2008. — № 8. С. 190 192.

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.

Выводы.

Применение количественных характеристик сейсмических записей (атрибутов) в МПВ при решении инженерно-геологических задач обосновывается особенностями наблюдаемых волновых полей, опытом применения подобных характеристик в сейсморазведке МОГТ и анализом возможностей атрибутов с помощью математического моделирования.

При работах МПВ в качестве кинематических атрибутов записи предлагаются: времена регистрации, временные задержки 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.

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 и по вертикальной оси — по глубине, интервалу глубин, по времени вступления волны, интервалу времен.

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.

Получение некоторых атрибутов возможно на базе выполнения инверсии сейсмических записей.

3. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АТРИБУТНЫХ ГЕОСЕЙСМИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОСЛАБЛЕННЫХ ЗОН В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ.

Возможности применения атрибутов записей МПВ изучались на нескольких участках и площадках инженерно-геологических исследований в течение ряда лет. Это, прежде всего, работы 2001;2008 гг. на участках Свердловской железной дороги: Богданович — Пышминская (1914 -1915 км), Кунгур Пермь (1516−1520 км), Свердловск-Каменск-Уральский (94−95 км), Богданович-Каменск-Уральский (90−91, 244−245, 258−259 км) с целью получения информации о положении карстоопасных зон. В период 2007;2008 гг. проводились исследования территорий под гражданское и промышленное строительство в г. Березовский (на 3 объектах), г. Ноябрьском (ХМАО), а также исследования устойчивости фундаментов эксплуатирующихся жилых домов в г. Каменск-Уральском (3 объекта). Перед сейсморазведочными работами стояли задачи определения участков пониженной прочности связанных с подземными пустотами и зонами трещиноватости.

Изучаемые объекты являются сложными системами, образующими многочисленные связи, которые проявляются в тесном взаимодействии динамических и кинематических параметров. Характеристики среды (геометрия пространства, контрастность упругих свойств и степень поглощения энергии сейсмических колебаний) сложным образом влияют на кинематику волнового процесса. От этого зависит количество образующихся в геологической среде сейсмических волн, их скорость и траектории распространения.

Поэтому итоговая волновая картина на сейсмограмме сочетает в себе как спектральные характеристики среды, так и интерференционные эффекты суммарного волнового поля.

Таким образом, и изучаемые объекты, и наблюдаемое поле представляют собой сложные взаимодействующие системы, требующие системного подхода. Одним из вариантов такого подхода является комплексное изучение объектов. В отношении сейсморазведки, как это обсуждалось во 2 главе, он может заключаться в использовании комплекса кинематических и динамических атрибутов регистрируемых сейсмических волн.

Сложности установления детерминированных связей между параметрами поля и геологическим строением предопределили в качестве инструмента вероятностный подход при применении сейсмических атрибутов для прогноза геологического строения. В связи с этим необходимым и обязательным этапом стало обучение сейсмических атрибутов на данных непосредственного изучения свойств геологической среды (бурения, опробования или прямых измерений). Цель обучения — получить надежные поисковые параметры и зависимости как для качественных характеристик геологического разреза (литология, тип заполнителя пустот и т. п.), так и количественных (размеров объектов, глубины залегания, физических характеристик). Благоприятным фактором для такой схемы изучения.

70 послужило наличие данных о результатах бурения значительного количества инженерно-геологических скважин на большей части исследуемых объектов.

Атрибутному анализу должен предшествовать многосторонний анализ волновых полей в той геологической обстановке, которую предстоит изучить. В состав устанавливаемых связей может входить один или несколько атрибутов, способных сформировать наиболее информативный параметр. Комплексные параметры более всего отвечают принципу системности и являются предпочтительными. При этом подключение возможно большего числа атрибутов не может быть самоцелью атрибутного анализа. Вполне оправдывает себя ситуация, когда небольшое число атрибутов дают достаточно информации, чтобы принять инженерное решение для конкретной инженерно-геологической обстановки. Показанием к усложнению комплексных параметров и увеличению числа атрибутов должна служить неоднозначность принятия решений, проверяемая на стороннем геолого-геофизическом материале.

Проведенные исследования подтвердили возможности применения атрибутов. Ниже приводятся некоторые результаты по участкам с разными инженерно-геологическими задачами. Первая группа задач — выявление сильно закарстованных участков и связанных с ними тектонических нарушений, вторая — полостей, сформировавшихся в грунтовых основаниях жилых зданий из-за утечек воды в карстующуюся толщу, и третья — поиск погребенных недокументированных горных выработок и зоны их влияния.

3.1. Выявление закарстованных зон.

Карстовые процессы достаточно широко распространены на территории России. В тех районах, где инженерные сооружения находятся в пределах закарстованных зон, задача изучения карста приобретает особую остроту. При этом на одном из первых стоит проблема исследования карстовых явлений на железных дорогах, протяженных объектах, пересекающих различные по геологическому строению территории. Эти дороги, пересекая массивы растворимых горных пород, как правило, расположены в благоприятных для развития карста геоморфологических условиях: в долинах рек, межгорьях, и т. п. В результате динамического воздействия поездов и техногенного влияния прилегающих к дорогам промышленных и гражданских сооружений, включая утечки из водоводов, скорость и объемы карстовых процессов увеличиваются, что приводит к ухудшению условий эксплуатации железных дорог и, как следствие, к их аварийному состоянию.

Традиционно при исследованиях карста наиболее информативными считаются сейсмический, электрический и гравиметрический методы [21], в последнее время привлекаются георадарные исследования [18]. Как отмечено выше важной особенностью сейсмического метода в отличие от других геофизических методов является возможность регистрации в рамках одной многоканальной сейсмограммы нескольких типов волн. Накопленный к настоящему времени опыт исследования карста сейсмическим методом свидетельствует о высокой эффективности получаемых с его помощью результатов, их хорошей согласованности с геологическими данными. Несмотря на относительно высокую стоимость и трудоемкость сейсмических работ, инженерная сейсморазведка занимает ключевые позиции при геофизических исследованиях карстовых процессов вдоль железных дорог.

Работы па каретоопасных участках Свердловской железной дороге.

Первыми объектами, на которых отрабатывались элементы атрибутного анализа, были объекты довольно сложного строения на закарстованных участках Свердловской железной дороги. Эти объекты в значительной степени отличаются геологическим строением. Несмотря на это, к ним был применен одинаковый подход в вопросах выявления зон разуплотнения, образовавшихся в результате карстовых процессов.

Участок 1913;1914 км перегона Богданович — Пышминская.

Объект представляет собой отрезок пути с весьма интенсивным движением поездов и характеризуется значительными динамическими нагрузками при торможении тяжелых по весу товарных составов. С юга к участку примыкает территория Богдановического огнеупорного завода, промышленные стоки которого в значительной мере определяют современный режим развития карстовых зон [20].

Провалы, связанные с карстом наблюдались на этом участке с 70-х годов. Для защиты железнодорожного полотна и уменьшения нагрузки на грунтовое основание пути укреплены челноками длиной от 10,0 м до 200,0 м. Сами железнодорожные пути расположены на насыпи высотой 0,7−1,0 м. Карстовые формы наиболее ярко проявляются к югу от железнодорожных путей под газопроводом ПК 1914.0 — 1913.9. На участке ПК 19 140+00 были обнаружены и затампонированы соединенные понором провалы, размеры которых составляют 9,0×7,0×7,0 м и 5,0×4,0×4,0 м.

К началу работы в 2001 году имелось следующее представление о геологическом строении изучаемой территории. Карстоопасный участок в районе железнодорожной станции Богданович имеет размеры 700×400 м и находится в пределах развития карбонатного карста. Верхняя часть геологического разреза сложена известняками нижнего карбона Ci и терригенными отложениями верхнего карбона Сз, имеющими западное простирание. По данным бурения, проводившегося летом 2001 года силами НПЦ «Карст», в западной части участка геологический разрез сверху до глубины 4.0−11.6 метров представлен рыхлыми грунтами, в основном суглинками, реже песками, супесями, а также дресвяными и щебенистыми грунтами. По результатам инженерно-геологического изучения (отчет Дубейковского С. Г. и Афанасиади Э.И.) граница сильно закарстованной зоны на участке исследований располагается в районе ПК 19 138+50 — ПК 19 140+60. Кровля известняков в середине участка располагается на глубине от 2 до 4 метров, западнее и восточнее она погружается до глубин 19−25 метров.

Толща известняков сложена круто (53−70°) падающими пластами различной прочности. Известняки среднеи сильнотрещиноватые, в верхней части выветрелые до песка, супеси и рухляков. Наиболее сильно разрушены пласты известняковых брекчий, менее разрушены органогенные детритовые известняки [20]. Мощность зоны выветривания 2−3 метра, по трещинам до 20 метров. Трещины круто падающие (до 79−805) — секут породу через 3−10 метров. Общая закарстованность участка около 10%. Полости примерно в 40% случаев заполнены глиной или суглинками с примесью дресвы и щебня, в 45% - глиной текучей и мягкопластичной консистенциив 15% - полости не заполнены или заполнены водой. Незаполненные полости приурочены, как правило, к уровню грунтовых вод и располагаются в верхних частях древних заполненных карстовых полостей. Размер полостей колеблется от десятков сантиметров до нескольких метров. Размеры известных провалов на данной территории составляют от 2 до 7 метров, при глубине от 1.5 до 9 метров.

Участок 1516−1517 км железнодорожного перегона Пермь — Кунгур

Объект в значительной степени отличается от предыдущего литологией карстующихся пород. В геоморфологическом отношении участок представляет собой обширную платообразную поверхность, развитую на известняках артинского яруса, в которую врезаны системы каньонообразных долин. Характерная черта рельефа — широкое развитие карстовых форм. Участок находится у тылового шва первой надпойменной террасы р. Бабки. В коренных породах под аллювием, мощность которого составляет от 10 до 18 метров, находится зона интенсивной трещиноватости и закарстованности. Основное направление трещиноватости вертикальное и горизонтальное, заметно разбиение на блоки. Коренные породы пермского возраста представлепы мелкои среднезернистыми песчаниками с карбонатным цементом, а также гипс-ангидритовыми и карбонатными пачками. Ниже по разрезу с глубины 20−25 метров залегают слабо трещиноватые доломиты. Характерная черта карстующихся пород — загипсованность. Она определяет интенсивность развития карста, строение полостей, наличие зон разуплотнения, в которых карбонатная мука находится в текучем состоянии. Углы падения пластов небольшие.

Карстопроявления на участке связаны с тремя горизонтами растворимых горных пород. Горизонт разрушенных карбонатных пород обладает благоприятными для образования карста условиями. За счет растворения кровли сульфатных пород образуются зоны разуплотнения, в которых карбонатная мука находится в текучем состоянии. Кроме того, при растворении гипсов развиваются полости в карманах под козырьками сульфатных пород. Гипсовый горизонт отличается интенсивным развитием карста. Выявлены карстовые полости значительной высоты (1.5 метра) и мощные разрушенные зоны. В некоторых случаях встречается этажное строение полостей, разделенных незначительными прослоями гипсов. Мощность разрушенных зон меняется от 0.1 до 1.0 метра. Рухляк представлен щебнем, дресвой гипсов. Ангидритовый горизонт характеризуется незначительным развитием карста. Ангидриты в результате процессов гидратации и выщелачивания деформированы и разрушены, что проявляется в увеличении степени их неоднородности. Обнаружены маломощные разрушенные зоны от 0.1−0.3 метра, представленные щебнем, пластинами ангидрита.

Методика полевых работ.

На обоих участках основной объем полевых сейсмических работ выполнялся методом преломленных волн (МПВ). Основным видом наблюдений являлось продольное сейсмическое профилирование с получением систем встречных и нагоняющих годографов. Профили располагались в основании насыпи железнодорожных путей параллельно железной дороге. На каждой стоянке сейсмоприемников записывались сейсмограммы от нескольких пупктов возбуждения. При регистрации применялось вертикальное направление возбуждения колебаний и вертикальная ориентировка сейсмоприемников. Шаг сейсмоприемников составлял 1 или 2 м, а шаг пунктов возбуждения равнялся 10, 20 или 46 метров при работах МПВ и 2−4 метра при работах MOB. Длина годографа 46 м.

Для наблюдений были использованы сейсморазведочные станции с цифровой записью («Урал-Мини», разработчик Сенин JI.H., Институт геофизики УРО РАН, и «Эхо-3»), обладающие возможностью накопления слабых сигналов. Это позволило обеспечить необходимую для решения поставленных задач глубину исследований при малой энергии источника — 15−20 м.

Интерпретация данных.

Первый шаг интерпретации данных состоял в просмотре полученных полевых записей на предмет распознавания полезных волн, определения формы их годографов и оценки уровня шумов. Анализ данных на этом этапе для обоих объектов показал:

— в первых вступлениях четко выделяются головные, чаще преломлено-рефрагированные продольные волны, во многих местах искаженные участками пониженной скорости с ярко выраженной ступенькой, криволинейными участками, интервалами с понижением амплитуд, зонами интерференции волн;

— в последующих вступлениях наряду с прямой волной для Кунгурского участка наблюдаются интенсивные обменные волны, связанные с кровлей высокоскоростных пород, область их прослеживания по сравнению с продольными волнами несколько короче, а на участке Богдановича идентификация обменных волн затруднена из-за неоднородного состава пород под четвертичными отложениями;

— в конце записи на обоих объектах всегда присутствуют записи поверхностных волн релеевского типачаще всего представленные одной или двумя гармониками;

— на части сейсмограмм выделяются дифрагированные волны, их идентификация в значительной степени затруднена из-за высокого уровня микросейсм на Богдановическом участке и из-за экранирующего эффекта мощного слоя рыхлых отложений на Кунгурском участке.

На основании анализа формы годографов первых вступлений — в качестве интерпретационной была принята модель градиентной среды. В соответствии с этой моделью для разрезов в отсутствие ослабленных зон предполагались нормальные (монотонно возрастающие) годографы преломленио-рефрагированных волн. Отклонение годографов от этой формы служили поводом для их отнесения к аномальным, соответствующим участкам пониженной прочности. Система годографов первых вступлений на одном из участков исследований показана на рис. 3.1.

Второй шаг заключался в получении структурной информации о строении участков работ по данным распределения скоростных параметров. Для получения данных о распределении скоростных параметров среды на всей площади исследования использовались времена первых вступлений продольных волн. Восстановление скоростных разрезов по годографам первых вступлений выполнялось способом O.K. Кондратьева. По скоростным разрезам были построены вертикальные карты скоростей по каждому профилю.

Рнс.3.1. Годографы первых вступлений по профилям а-01.01 (к северу от полотна дороги) и 02.01 (к югу) по участку 1913;1914 км, ст. Богданович-Пышминская (по материалам Крылаткова С. М. Крьшатковой Н.А., 2002 г).

Третий шаг заключался в привязке скоростных построений к геологическому разрезу и выяснению характерных значений скорости для грунтов различного состава и состояния. Результатом такой операции явилась классификация скоростных разрезов по величине скорости н ее вертикального градиента в различных условиях. При этом анализировались отсутствие наличие полостей, глубина их залегания, положение уровня грунтовых вод, мощность и состав четвертичных отложений. Так для участка ст. Богданович в интервале глубин от 0 до 5 метров, соответствующих рыхлым отложениям, можно было выделить два типа разреза. Первый — нязкоскоростной (от 200 до 500 м/с) с линейной зависимостью скорости от глубины и малым градиентом скорости, второйвысокоскоростной (от 200 до 1000−1500 м/с) с экспоненциальной зависимостью и с высоким градиентом скорости. Первый тип скоростного разреза характеризует участки пониженной скорости, соответствующие разуплотнению грунтов над карстовыми полостями, расположенными в толще известняков (скрытые полости), либо областям трещиноватости. Второй тип скоростного разреза — нормальный разрез с резким изменением скорости вблизи уровня грунтовых вод или скальных грунтов. В обоих случаях нельзя дать однозначную геологическую интерпретацию скоростного разреза. Другой тип неоднозначности обнаружился при сопоставлении с бурением разрезов 2 типа, когда не исключены как возможность резкого перехода в разрезе к обводненным рыхлым грунтам, так и присутствие карстовой полости, заполненной водой вблизи УГВ. Это послужило толчком для последующего привлечения дополнительных данных. Глубже по разрезу в отсутствие карстовых полостей скорость продольных волн плавно увеличивается от 2000 м/с до 3000−3500 м/с, что соответствует постепенному увеличению прочности известняков с глубиной. В области скрытого карста наблюдается локальное уменьшение скорости, а в интервале от глубины залегания УГВ до максимальной глубины исследования значения скоростей в разрезе близки к 2000 м/с. Для разрезов в отсутствие известняков скорость возрастает по линейному закону от 1500−1600 м/с до 2000;2500 м/с.

Пример сопоставления скоростных разрезов с данными бурения по Кунгурскому участку приведен на рис. 3.2.

C47S3g.

•в/.

— 8.

— 10.

7*7″ у.

B.S и.

— 10.

О О а.

С4778с.

2 ВО.

Z7.

— 6.

— 10 Ш.

0,7 Z2.

0 ¦6.7.

9,е о -2 -4 -в •8 •10.

75- о о ——;

0 S.

0 I с о 1.

1000 2000 3000.

1000 2000 3000.

Рис. 3.2 Пример сопоставления скоростных разрезов с данными бурения по Кунгурскому участкуаучасток с резким изменением скорости вблизи УГВ, б — участок с резким изменением скорости вблизи кровли разрушенных известняков н инверсией скорости, соответствующей разрушенной зоне.

Анализ разрезов в соответствии с обучением на материалах бурения позволил классифицировать данные по наличию-отсутствию ослабленных участков. Кроме того, были определены характерные значения скоростей для изученного интервала геологического разреза (табл. 3.1). Сведения о скоростях учитывались при составлении геосейсмических разрезов.

Четвертый шаг — изучение латеральной изменчивости скорости в сопоставлении со скважшшыми данными выполнялся по вертикальным картам скоростей при анализе по профилям, а для участка Богдановича дополнительно по горизонтальным картам скоростей. На обоих объектах по данным вертикальных карт было отмечено, что скважины с полостями попадают на низкоскоростные участки, окаймленные резкими горизонтальными градиентами скорости (рис. 3.4). Для неизмененных участков, а также участков с некарстующимися породами характерен плавный горизонтальный градиент скорости. Горизонтальные карты были составлены для глубин 2,4,10 и 15 м. Глубина 2 м соответствовала подошве четвертичных суглинков, 5м — близка к средней отметке УГВ, 10 м — отражала среднюю глубину расположения менее выветрелых грунтов, 15 мсоответствовала минимальной глубине исследований.

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.

На основании полученных результатов можно считать доказанным значимость, информативность и простоту получения многих атрибутов сейсмических записей в сейсморазведке МПВ.

Дальнейшее развитие атрибутного анализа отрывает большие перспективы. Могут бьггь созданы и проанализированы новые виды атрибутов МПВ, оценена их пригодность для решения специфических задач инженерной геологии. Весьма вероятно создание новых гибридных атрибутов и новых способов их изображения. Динамические атрибуты, описанные в данном исследовании кратко, откроют новые возможности для литологического расчленения разреза. При трансформации атрибутных изображений потребуется решать задачи, сходные с задачами миграции в ОГТ. Активное управление параметрами точки отнесения атрибутов может позволить получать наборы изображений геологического разреза с различной степенью детальности или глубинности.

На сегодняшний дет основным препятствием применения атрибутов в МПВ является применение недостаточно плотной сети наблюдений. Поэтому одним из направлений развития атрибутного анализа в МПВ может стать исследование оптимальных систем наблюдений при инженерных изысканиях.