Федотов C.А., Федорова М.П. Высокоразрешающие технологии многоволновой сейсморазведки и электроразведки для инженерно-геофизических исследований
Подождите немного. Документ загружается.
ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
И ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
С.А. ФЕДОТОВ, ГФУП «ВНИИгеофизика», г. Москва
М.П. ФЕДОРОВА, ОАО «Метрогипротранс», г. Москва
Роль геофизических методов в изучении верхней части разреза (ВЧР) для потребностей
промышленного и гражданского строительства постоянно возрастает. Следует отметить, что для ВЧР, в
отличие от глубинных слоев, характерны: существенная изменчивость как геометрических форм, так и
физических свойств геологических объектов, большое влияние на нее природных (экзогенных,
гидрогеологических и т.д.) и техногенных процессов. Поэтому повышение разрешающей способности
геофизических методов является весьма актуальной проблемой. Практика ставит задачи, где требуется
выделять объекты с характерным размером порядка 1–2 м.
Достижение этой цели с помощью бурения скважин является нецелесообразным из-за
неприемлемой стоимости и существенных нарушений сплошности среды, что может с большой
вероятностью спровоцировать ряд экологически вредных процессов (ускорение образования карстовых
воронок, загрязнение водоносных горизонтов и т.д.).
Единственной альтернативой бурению являются геофизические исследования ВЧР. Накоплен
значительный опыт применения геофизических методов для этих целей (гравиразведка,
электроразведка, сейсморазведка и т.д.).
Такие методы как гравиразведка, электроразведка методом вертикального электрического
зондирования (ВЭЗ), сейсморазведка методом МПВ дают интегрированное представление о среде,
поэтому имеют очень ограниченные возможности повышения разрешающей способности.
В сейсморазведке получил существенное распространение метод преломленных волн с
использованием продольных волн. Этот путь развития сейсморазведки не может обеспечить
эффективность ее применения для детального изучения ВЧР. Только применение многоволновой
сейсморазведки, опирающейся на метод отраженных волн (МОВ) с применением систем многократных
перекрытий позволяет извлечь существенно больше информации о геометрии и физических свойствах
изучаемых объектов.
Дальнейшее повышение эффективности геофизики при малоглубинных исследованиях мы
связываем с комплексированием различных геофизических методов – в первую очередь, многоволновой
сейсморазведки в комплексе со скважинными исследованиями и высокоразрешающей
электроразведкой.
Применение комплексного подхода в широком смысле, т. е. комплексирование различных
геофизических методов (например, сейсморазведки и электроразведки) позволяет стратиграфически
расчлененный разрез охарактеризовать большим количеством параметров, связанных с физическими
свойствами: коэффициент Пуассона, модель Юнга, модуль сдвига, удельное сопротивление,
диэлектрическая проницаемость и др.
Для решения задачи повышения экономической и геолого-геофизической эффективности создан
аппаратурно-методический комплекс для изучения верхней части геологического разреза. Основой
комплекса является сейсморазведочная технология. Отличительная особенность комплекса –
применение как продольных (Р), так и поперечных (S) волн. В неограниченной однородной изотропной
среде существуют только продольные (Р) и поперечные (S) волны. В Р-волне смещение частиц среды
направлено вдоль луча, в S-волне смещение перпендикулярно лучу, при этом если вектор смещения
лежит в горизонтальной плоскости, то распространяется SH-волна, если в вертикальной – SV-волна.
Если среда не бесконечна, а ограничена, например, плоской границей, то возникают поверхностные
волны, распространяющиеся вдоль поверхности. Амплитуда этих волн уменьшается с глубиной.
Наиболее важными поверхностными волнами в сейсморазведке являются волны Рэлея и Лява. Волна
Рэлея является преимущественно продольной, волна Лява – SH. Комплексное применение продольных
и поперечных волн позволяет получить наиболее полные сведения о строении верхней части
геологического разреза. Это дает возможность устойчиво определять динамический модуль сдвига (G) и
коэффициент Пуассона (
σ
). В многоволновой сейсморазведке существует возможность повышения
разрешающей способности без увеличения частоты зондирующих импульсов. В этом случае повышение
разрешающей способности достигается за счет различной дифференциации среды по скоростям V
P
и V
S
– одни границы фиксируются преимущественно первыми волнами, другие – вторыми. Одной из важных
задач при малоглубинных исследованиях является изучение близкорасположенных геологических
границ, расстояние между которыми может составлять несколько метров. Применение одного типа волн
не позволяет решать такого рода задачи. Иначе обстоит дело при совместном использовании
продольных и поперечных волн. «Настройка» волн разного типа на определенные геологические
границы, обладающие различной акустической жесткостью по отношению к волнам P и SH,
существенно расширяет возможности изучения разреза. Так, в условиях северо-западной части города
Москвы, при работах с продольными волнами, в первых вступлениях фиксируются в основном
преломленные продольные волны, приуроченные к наиболее резкой границе – уровню грунтовых вод
(УГВ) при мелком ее залегании; при более глубоком положении этой границы регистрируется
отраженная от него волна (Р). Отраженные продольные волны от нижележащих горизонтов как бы
экранируются сильной волной от УГВ. Использование поперечных волн (SH) позволяет получать
отражение от кровли известняков карбона, так как поверхность УГВ акустической границей для
поперечных волн не является.
Другие преимущества совместного использования продольных и поперечных волн хорошо
известны: повышение точности разведки малоамплитудных структур, тектонических нарушений, зон
разуплотнения, определение упругих характеристик горных пород, флюидонасыщенности.
Зимний период является менее благоприятным для проведения работ на продольных отраженных
волнах, так как наличие мерзлых пород у поверхности земли создает за счет экранирующего эффекта
слоя с повышенной скоростью неблагоприятные условия для прослеживания отраженной продольной
волны. Наоборот, наличие в верхней части разреза мерзлого грунта благоприятствует прослеживанию
отраженных поперечных SH-волн из-за практического отсутствия поверхностной волны Лява, так как
волна Лява возникает в слое, лежащем на полупространстве с большей скоростью. Если верхний слой
представляет мерзлый грунт, то соотношение скоростей не благоприятно для возникновения волны
Лява.
Для волн S не возникает, как правило, проблем с формированием профильных систем
наблюдений (2D). Они определяются исключительно типом поляризации используемых волн (SH или
SV). Однако, это обстоятельство, т. е. тип поляризации, создает определенные трудности при переходе к
площадным системам наблюдений (3D).
В каждой точке изотропной среды интенсивность волн Р определяется только удалением от ПВ
(пункт возбуждения), тогда как интенсивность волн S заданной поляризации (SH или SV) зависит,
кроме того, от направления луча относительно линии профиля. Интенсивность колебаний SH
изменяется по закону cos α, а колебаний SV – по закону sin α, где α – угол между линией профиля и
прямой, соединяющей ПВ и ПП (пункт приема). В направлениях, «косых» по отношению к профилю,
сдвиговые волны характеризуются сложной поляризацией, вызванной наложением волн SH и SV.
Условия их интерференции обусловлены не только различиями в их поляризации, но и зависимостью
распространения указанных компонент от скоростной анизотропии среды.
Наиболее эффективной системой наблюдений является система ОГТ (общей глубинной точки).
Она обладает высокой помехоустойчивостью. Кроме того, она обеспечивает большие возможности
анализа волнового поля, изучения кинематических и динамических характеристик волн, скоростной
дифференциации среды и т. д.
Аппаратурной составляющей комплекса являются компьютеризованные портативные
многоканальные (6, 12, 24, 48, 96 и т.д.) сейсмостанции типа ЭЛЛИСС, которые используются при
сборе полевых данных для сейсморазведки и электроразведки (ЭЛЛИСС-ГЭК, ЭЛЛИСС-ПП).
Разработанный геофизический комплекс внедрен и успешно эксплуатируется в различных
регионах страны (Москва, Красноярский край, Краснодар и др.).
Приведем примеры использования высокоразрешающих технологий сейсморазведки и
электроразведки.
Целью геофизических исследований для объекта строительства являлись:
− определение уровня грунтовых вод,
− уточнение геологического строения разреза,
− картирование зон разуплотнений.
Высокоразрешающие сейсмические исследования проводились с высокоплотной системой
наблюдений: длина профилей 60 м, расстояние между сейсмоприемниками – 1 м, расстояние между
профилями – 2 м, количество профилей – 13, т. е. размер площадки 60х26 м.
Таким образом, получена высокоплотная сеть профилей, позволяющая выявлять зоны
разуплотнений на глубинах 30–60 м. Соответственно для каждого профиля получены данные для
продольных и поперечных волн, результаты обработки сейсмических данных приведены на рис. 1, 2.
Рис. 1. Глубинный сейсмический разрез по продольным волнам Рис.2. Глубинный сейсмический разрез по поперечным волнам
Геологическая интерпретация по одному из профилей приведена на рис. 3, а на рис. 4 представлены
результаты динамической интерпретации данных. Желтый цвет соответствует зонам разуплотнений.
По срезам на каждом профиле построены карты сечений зон разуплотнений в плотных породах для
разных глубин. На рис. 5 приведен пример обработки данных высокоразрешающей малоглубинной
электроразведки со станцией «ЭЛИСС-ПП».
Дальнейшее развитие малоглубинных сейсмических исследований направлено на изучение
физических характеристик исследуемой среды на основе комплексирования поверхностной
многоволновой сейсморазведки со скважинными сейсмическими наблюдениями.
Рис. 3. Геологическая интерпретация по разрезу Рис. 4. Динамический разрез по поперечным волнам
Рис. 5. Пример обработки данных высокоразрешающей малоглубинной электроразведки