Обоснование применения сейсморазведки методом отраженных волн способом общей глубинной точки для решения инженерно-геологических задач в Санкт-Петербурге и пригородах

Актуальность темы

.

Территория Санкт-Петербурга и его пригородов характеризуетсядовольно сложным строением верхней части разреза (ВЧР) — значительными перепадами рельефа геологических границ, наличием погребенных палеодолин и па-леоврезов, а также тектонических нарушений, в том числе и геодинамически активных. Зоны новейших тектонических движений являются наиболее опасными для инженерных сооружений, поскольку приводят к изменению физико-механических свойств пород. Над зонами активных разломов отмечаются деформации зданий и сооружений, частое разрушение полотна дорожных покрытий, повышенная аварийность на подземных инженерных коммуникациях. В современном рельефе активные разломы практически не проявляются, из-за нивелирующих неровности современного рельефа техногенных отложений. В связи с этим, для детального изучения ВЧР и выделения тектонических нарушений необходимо применять комплекс геофизических методов.

Одним из основных геофизических методов, используемых при инженерных изысканиях для расчленения геологического разреза и выделения тектонических нарушений, является сейсморазведка. Наиболее детальные сведения о строении ВЧР позволяет получать малоглубинная сейсморазведка методом отраженных волн способом общей глубинной точки (MOB OFT). Использование продольных волн отличается простотой возбуждения и регистрации колебаний, в сравнении с поперечными волнами и позволяет получать сведения о степени водонасыщения пород, в частности о положении уровня грунтовых вод.

Ограниченное применение MOB ОГТ с использованием продольных волн связано1, со сложным характером регистрируемой волновой картины, в частности, с наличием на сейсмических записях интенсивных низкоскоростных поверхностных и техногенных помех, затрудняющих выделение отражений от неглубоко залегающих границ.

Вопросам применения сейсморазведки в инженерной геологии и гидрогеологии посвящены работы следующих авторов: H.H. Горяинов, Ф.М. Ляхо-вицкий, В. Н. Никитин, П. И. Дик, В. В. Палагин, А. Я. Попов, И. А. Санфиров, D.W. Steeples, R.D. Miller, J.A. Hunter, S.E. Pulian, R. Spitzer и др. В ряде работ рассмотрены примеры использования малоглубинных сейсмических методов, в том числе и метода MOB ОГТ при изучении геодинамически активных разломов на территории сейсмически активных регионов, таких как Греция и штат Калифорния (США).

На территории Санкт-Петербурга и его пригородов ВЧР отличается незначительной скоростной дифференциацией, и небольшими амплитудами смещений по разломам (как правило, первые метры). Поскольку висследуемом районе малоглубинная сейсморазведка методом MOB ОГТ с использованием продольных волн практически не применялась, особенности регистрируемых волновых полей, их связь с геологическим строением ВЧР, и, следовательно, возможности метода для решения инженерно-геологических задач изучены недостаточно. В связи с этим, отсутствует оптимальная методика работ и способы обработки сейсмических материалов.

Представляется актуальным проведение исследований с целью разработки эффективной методики полевых работ, способов обработки и интерпретации материалов малоглубинной сейсморазведки MOB1 ОГТ на продольных волнах, позволяющих ослабить поверхностные и техногенные волны-помехи, и обеспечить детальное изучение ВЧР и выделение тектонических нарушений на территории Санкт-Петербурга и его пригородов.

Цель работы. Разработка методики малоглубинных сейсморазведочных работ MOB ОГТ на продольных волнах, технологии обработки и интерпретации сейсмических материалов, позволяющих детально изучать упругие свойства верхней части геологического разреза на примере Санкт-Петербурга и его пригородов.

Основные задачи исследований:

— Обосновать требования к методике сейсморазведочных исследований.

MOB ОГТ с использованием продольных волн;

— Выбрать параметры методики малоглубинных сейсмических работ в Санкт-Петербурге и его пригородах, согласно предъявляемым требованиям;

— Определить граф обработки сейсмических материалов, позволяющий максимально ослабить низкоскоростные поверхностные и техногенные волны-помехи и увеличить соотношение сигнал/помеха на результативных сейсмических разрезах;

— Разработать способы интерпретации результатов работ MOB ОГТ для решения задач расчленения геологического разреза ВЧР и определения положения геологических границ, выявления малоамплитудных тектонических нарушений, зон разуплотнения пород, погребенных речных долин.

Научная новизна:

— Разработаны принципы оптимизации методики сейсморазведочных работ MOB ОГТ для изучения верхней части разреза.

— Впервые получены сейсмические разрезы (волновые изображения) подтверждающие возможность выделения по результатам работ MOB ОГТ малоамплитудных тектонических нарушений на территории Санкт-Петербурга и его пригородов.

Защищаемые положения.

1. Для решения задач изучения ВЧР и выделения малоамплитудных тектонических нарушений методика сейсморазведочных работ MOB ОГТ должна удовлетворять следующим критериям:

— обеспечить детальность изучения упругих свойств для их надежной интерпретации за счет оптимальной дискретизации результатов сейсморазведки по площади и глубине исследований;

— зарегистрировать от каждого элемента дискретизации среды набор записей полезных сейсмических волн, необходимый для определения упругих свойств (сейсмограмму ОСТ);

— ослабить волны-помехи при получении сейсмических записей или создать предпосылки для их ослабления на этапе обработки материалов без искажения кинематических и динамических свойств полезных волн.

2. Последовательное применение одноканальных частотных и двумерных фильтров в F-K и т-р областях в процессе обработки материалов для ослабления низкоскоростных помех увеличивает соотношение сигнал/помеха до значений, необходимых для достоверной интерпретации сейсмических результатов.

3. Разработанная методика полевых работ методом MOB OFT и граф обработки сейсмических материалов обеспечивают в процессе интерпретации сейсмических разрезов (волновых изображений) определение положения геологических границ и выявление малоамплитудных тектонических нарушенийважных параметров для оценки геологического риска при строительстве на территории Санкт-Петербурга и его пригородов.

Методика исследования. Для решения поставленных задач проведён анализ геологического строения территории Санкт-Петербурга и его пригородов, выполнены опытно-методические сейсмические работы методом MOB ОГТ на одиннадцати участках и вертикальное сейсмическое профилирование в трёх гидрогеологических скважинах, что обеспечило обоснование параметров методики полевых работ. Произведена обработка и геологическая интерпретация^ полученных материалов. Наземные полевые работы выполнялись с использованием 24-х канальной цифровой сейсмостанции «Лакколит-Х-М2» (ООО «Логические системы). Исследования в скважинах выполнены с использованием каротажной станции КАМК-» АЛМАЗ-1″ (ООО НПП ИНГЕО) и скважинно-го прибора АСПУ-ТС1−48 (АО НПП «ВНИИГИС»). Обработка фактических материалов выполнена с использованием программ FOCUS- (Paradigm Geophysical) и ProMAX (Halliburton).

Достоверность. Достоверность выполненных исследований определяется развернутым научным обоснованием параметров методики полевых работ, применением современных технологий обработки и интерпретации сейсмических материалов и сопоставлением полученных результатов с известными геологическими данными и результатами бурения.

Практическая значимость. Разработана методика полевых сейсмических работ, граф обработки и способы интерпретации сейсмических материалов позволяющие изучать геологическое строение ВЧР и выделять тектонические нарушения в условиях интенсивных техногенных помех.

Выводы.

На полученных сейсмических разрезах (волновых изображениях среды) выделяются отражения от геологических границ между отложениями четвертичного возраста, а также от кровли коренных пород кембрия и венда, осложнённые разрывными тектоническими нарушениями проявляющимися в виде смещения и флексурных перегибов осей синфазности. Таким образом, разработанная методика полевых работ и граф обработки сейсмических материалов позволяют определять положение геологических границ, приблизительную глубину их залегания, а также выявлять малоамплитудные тектонические нарушения на территории Санкт-Петербурга и пригородов, и могут эффективно применяться при инженерно-геологических изысканиях.

Таким образом можно сформулировать третье защищаемое положение:

Разработанная методика полевых работ методом MOB ОГТ и граф обработки сейсмических материалов обеспечивают в процессе интерпретации сейсмических разрезов (волновых изображений) определение положения геологических границ и выявление малоамплитудных тектонических нарушений — важных параметров для оценки геологического риска при строительстве на территории Санкт-Петербурга и его пригородов.

Заключение

.

Проведенные в рамках данного исследования опытно-методические сейсмические работы на одиннадцати участках расположенных как на территории Санкт-Петербурга, так и его пригородов, а также анализ априорных сведений о геологическом строении района позволили разработать принципы оптимизации методики сейсморазведочных работ МОВ-ОГТ для изучения верхней части разреза.

Для решения задач изучения ВЧР и выделения малоамплитудных тектонических нарушений методика сейсморазведочных работ MOB ОГТ. должна удовлетворять следующим критериям:

— обеспечить детальность изучения-упругих свойств для их надежной интерпретации за счет оптимальной дискретизации результатов сейсморазведки по площади и глубине исследований;

— зарегистрировать от каждого элемента дискретизации среды набор записей полезных сейсмических волн, необходимый для определения упругих свойств (сейсмограмму ОСТ);

— ослабить волны-помехи при получении сейсмических записей или создать предпосылки для их ослабления на этапе обработки материалов без искажения кинематических и динамических свойств полезных волн.

На основании сформулированных требований были выбраны следующие параметры методики сейсмических работ MOB ОГТ на территории Санкт-Петербурга и его пригородов:

— шаг изучения разреза — 0,5−1 м (зависит от наличия техногенных отложений в разрезе);

— максимальное удаление источник-приемник — 100−200 м (в зависимости от уровня случайных помех) — шаг дискретизации записи по времени — 1 мс,.

— кратность наблюдений не менее 24.

Установлены различия волновых полей регистрируемых в черте города при наличии техногенных отложений и интенсивных помех, и за городом в условиях естественного разреза и при относительно низком фоне помех, которые необходимо учитывать при выборе оптимальной методики работ.

Выбранная методика полевых работ (в. частности шаг изучения разреза) позволила эффективно применить при обработке сейсмических материалов процедуры двумерной фильтрации в F-K и т-р областях для ослабления низкоскоростных поверхностных волн-помех. В результате определен граф обработки сейсмических материалов, позволяющий максимально ослабить низкоскоростные поверхностные волны инерегулярные помехи и повысить соотношение сигнал помеха до значений, необходимых для надежной геологической^ интерпретации результатов.

С целью оценки возможностей применения, малоглубинной сейсморазведки MOB OFT на территории. Санкт-Петербурга и его пригородов для изучения верхней части разреза выполнено вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) в комплексе с наземными сейсмическими наблюдениями — для уточнения скоростной, характеристики, геологического разреза и идентификации сейсмических волн.

Схожая структура волновой картины на наземном временном разрезе и на сейсмограмме ВСП и выделение на сейсмограмме ВСП отражений от неглубоко залегающих геологических границ позволяют сделать вывод о возможности эффективного применения в районе исследований наземной малоглубинной сейсморазведки MOB ОГТ для детального изучения верхней части геологического разреза.

В результате геологической интерпретации результатов наземных съемок установлена возможность определения по данным сейсморазведки MOB-ОГТ положения геологических границ в верхней части разреза и выделения/малоамплитудных тектонических нарушений, в том числе и геодинамически активных, проявляющихся в виде смещения осей синфазности и/или приразломных флек-сурных перегибов. Величина смещений по разломам составляет, как правило, первые метры.

Таким образом разработанная методика работ, способы обработки и интерпретации сейсмических материалов обеспечивают изучение геологического строения верхней части разреза в условиях интенсивных техногенных помех. Применение малоглубинной сейсморазведки MOB ОГТ позволяет, в некоторых случаях, снизить стоимость производства работ за счет уменьшения объемов бурения и повысить их информативность.