Инженерная сейсморазведка давно используется для определения деформационно-прочностных характеристик горных пород и грунтов на стадии предварительного проектирования различных объектов строительства, как-то: гидротехнические сооружения, дороги различного назначения, тоннели, здания и сооружения и пр. На стадии изысканий для проектирования сейсморазведочные работы проводятся с поверхности или из разведочных и других горных выработок, в которых крепь либо отсутствует вообще, либо имеется только временная не препятствующая установке сейсмодатчиков непосредственно на обнажения пород, свойства которых требуется изучить.

Как правило, инженерные сейсморазведочные наблюдения проводятся методом преломленных волн. То есть, сейсмогеологические разрезы строятся по первым вступлениям продольных прямых и головных волн. Скорости поперечных или релеевских волн используются лишь для расчета  деформационно-прочностных характеристик горных пород и грунтов, определенных с помощью обработки продольных волн.

Методики производства сейсморазведочных исследований и обработки их результатов хорошо известны и проработаны, а определенные этими исследованиями деформационно-прочностные характеристики горных пород и грунтов близки к данным натурных геомеханических исследований.

Нашими специалистами выполняются исследования методом инженерной сейсморазведки. С помощью зарекомендовавших себя и широко апробированных методик сейсмических исследований решаются самые разнообразные инженерно-геологические задачи, в их числе основные (рис.1):

1. определение мощности четвертичных отложений, глубины и формы залегания коренных пород;

2. определение состояния сплошности массива грунтов в верхней части разреза;

3. выявление зон тектонических нарушений и определение направления их падения;

4. определение размеров зон ослабленных и обводненных грунтов;

5. поиск зон ослабленных и трещиноватых пород;

6. определение уровня грунтовых вод и многие другие.

Разрез по скоростям преломленных волн

Рисунок 1 — Томографический разрез по скоростям продольных волн

Специалистами-геофизиками по параметрам прохождения звуковых волн через грунт или инженерное сооружение определяются упругие и некоторые другие механические свойства материалов исследования. Среди них такие физико-механические свойства как:

— прочность на сжатие, МПа;

— коэффициент Пуассона;

— модуль сдвига, МПа;

— динамический модуль упругости, МПа;

— модуль общей деформации, МПа;

— статистический модуль упругости, МПа;

— коэффициент удельного упругого отпора, кгс/см2.

Определяемые в ходе сейсморазведочных работ физико-механические свойства, необходимы для расчета предела прочности грунтов и материалов исследуемых конструкций,  количественного описания их упругих свойств и способности сопротивляться сдвиговой деформации.

В конечном итоге определение физико-механических свойств по результатам сейсморазведочных работ дает полное представление о всевозможных геомеханических параметрах разреза исследуемого участка по глубине. В этом выражается преимущество сейсмических исследований параметров грунтов в их естественном заложении перед бурением, когда геомеханическая информация получается всего из нескольких точек разреза (скважин), а потом осредняется для всего участка.

По результатам изысканий на исследуемых участках составляется сводная таблица деформационных характеристик исследованных горных пород и грунтов (рис.2).

Таблица физико-механических свойств грунтов

Рисунок 2 — Сводная таблица деформационных характеристик исследованных горных пород и грунтов

Методика и техника полевых сейсмических исследований

Малоглубинные сейсмические исследования выполняются с помощью 12-ти канальной сейсмостанции типа МСС-1 или сейсмостанцией типа «ЛАККОЛИТ» по методике сейсмопрофилирования методом преломленных (МПВ) и рефрагированных волн с шагом между сейсмоприемниками (велосиметрами) – 5 метров.

Также сейсморазведочные работы выполняются с помощью 24-х канальной сейсморазведочной станции «Geode» (США).

geode

24-х канальная сейсморазведочная станция «Geode» (США)

При проведении работ используется пятиточечная система наблюдений с возбуждением колебаний ударным способом. Регистрация ведется на открытом канале с частотой оцифровки – 4,3 кГц, для усиления полезного сигнала используется накопление. Сейсмоприемники устанавливаются с небольшим заглублением в грунт или забуриваются в бетонную конструкцию дрелью, а также могут быть закреплены без повреждения конструкции с помощью гипса (рис.3).

Сейсмодатчик в бетонной конструкции

Рисунок 3 — Расположение сейсмодатчика на бетонной конструкции

Проводится раздельная регистрация продольных (в частности головных) и последующих поперечных или релеевских волн. При этом для  подавления предшествующих продольных волн примется разно-полярное суммирование сейсмограмм, полученных от противоположно направленных ударов.

Методика обработки и интерпретации полученных сейсмических материалов

На стадии первичной обработки, с помощью «прикладного» программного обеспечения сейсмостанции, снимаются времена первых вступлений и первых фаз продольной (Р) и поперечной (S) (или релеевской (R)) волн, возникающих в массиве грунтов и подстилающих их горных пород, для чего проводится корреляция годографов преломленных  и (или) рефрагированных волн.

Проводится увязка взаимных времен прослеженных волн. Первичная обработка материалов сейсмических наблюдений, как правило, осложняется тем, что полезный сигнал присутствует на фоне многочисленных техногенных помех, что требует использования дополнительных частотных фильтраций полученного сигнала.

Дальнейшая обработка наблюденных материалов производится с использованием пакета программ сейсмической томографии. Результатами обработки являются скоростные разрезы по Р и S (R) — волнам (рис.4).

Томографический разрез по продольной и поперечной волне

Рисунок 4 — Томографические разрезы про продольным (Vp) и поперечным (Vs) волнам

Мощности четвертичных отложений и зоны выветривания коренных пород, а также скорости упругих волн в данных зонах определяются исходя из анализа волновой картины сейсмических записей и построенных сейсмотомографических разрезов (рис.5).

Коренные и четвертичные отложения

Рисунок 5 — Геологический разрез бокситовой залежи Южно-Тиманского района 1 – четвертичные образования (суглинки, супеси, пески); 2 – доломиты; 3 – алевритистые глины; 4 – глинистые алевролиты; 5 – углистые алевролиты; 6 – углистые глины; 7 – песчаники; 8 – углистые аргилиты; 9 – бокситоносная пачка (а – бокситы, б – аллиты); 10– глинистые известняки [Смирнов В.И. Геология полезных ископаемых: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1989]

Для определения местоположения ослабленных и трещиноватых зон, а также зон тектонических нарушений, используются следующие поисковые признаки, свидетельствующие о неоднородностях преломляющей границы и связанной с ними дифракцией и рассеянием упругих волн:

  • крутые уступы и локальные понижения в поверхности преломляющей границы;
  • наличие на встречных наблюденных годографах характерных изломов, перегибов, коротких участков аномально высокой или низкой кажущейся скорости (иногда отрицательной), участков резкого изменения амплитуд преломленных волн.

Для определения углов и направления падения данных зон дополнительно используются сейсмотомографические разрезы по таким параметрам, как: модуль Юнга (Ед), модуль всестороннего сжатия (Кд) и коэффициент Пуассона (µ).

Для определения физико-механических и деформационно-прочностных параметров горных пород используются стандартные методики и известные из теории упругости соотношения и зависимости.

Кроме того, производится и ручная обработка материалов сейсмонаблюдений. Строятся годографы первых вступлений, по которым определяются скорости в верхней части разреза. Рассчитываются разностные годографы, по которым определялись граничные скорости для разных типов волн, что в последующем на стадии интерпретации позволяет контролировать результаты машинной обработки сейсмических материалов.

При интерпретации результатов сейсмоакустических работ учитывается, что глубинность исследований зависит от состава, свойств и состояния горных пород или инженерных конструкций, изучаемых сейсмическими методами. Этим объясняется различная глубина проникновения сейсмической волны на разных участках исследования.

Так как работы проводятся методами преломленных и рефрагированных волн, то глубина проникновения сейсмических волн в первом приближении свидетельствует о прекращении роста скоростей с глубиной, что в свою очередь может указывать на:

  • выдержанность физических характеристик исследуемых пород и грунтов в нижней части сейсмических разрезов. То есть, эта часть массива пород и грунтов характеризуется либо одинаковым составом, либо однородным состоянием (пористость, трещиноватость и пр.), либо и тем,  и другим вместе;
  • уменьшение скоростных характеристик этих пород или грунтов в нижней части сейсмических разрезов. То есть данная часть массива пород и грунтов может быть либо более трещиноватой, чем вышележащая, либо представлять собой более слабые породы или грунты другого литологического состава.

Необходимо отметить, что продольные и поперечные (или релеевские) волны по-разному реагируют на одни и те же свойства массива пород и грунтов (в частности, соотношение водонасыщенности и пористости).

Кроме того, продольные волны имеют большее «разрешение» как по вертикали, так и по горизонтали по отношению к поперечным и тем более к релеевским, связанное с меньшей, как правило, длиной продольной волны. И, наконец, продольные волны прослеживаются в первых вступлениях, то есть на них не накладываются волны других типов, в то время как поперечные волны часто прослеживаются в зоне их интерференции с продольными и (или) релеевскими, поэтому, корреляция фаз продольной волны более достоверна.

В связи с приведенными факторами на сейсмотомографических разрезах могут наблюдаться отличия в расположении одноименных сейсмогеологических границ, и так как более достоверными являются результаты обработки продольных волн, то на них и следует ориентироваться при описании (геологической интерпретации) сейсмических разрезов.

Следует подчеркнуть, что четких границ в геологии, как правило, нет, а существуют некие переходные зоны от одного типа пород или грунтов к другим, или между породами одного состава, но в различном состоянии. Соответственно и на сейсмических разрезах данные переходные зоны могут выделяться как отдельные слои. Причем мощность данных слоев может составлять от нескольких сантиметров до нескольких метров.

В заключении необходимо отметить, что результаты сейсмических исследований эффективно дополняют данные, полученные при бурении скважин (рис.6).

Геологический разрез по данным бурения+сейсмо

Рисунок 6 — Геологический разрез по данным бурения и сейсморазведки

Выполнение сейсморазведочных работ позволяет сэкономить время и средства при бурении и лабораторных испытаниях керна, а кроме этого, результаты сейсморазведки обширнее (за счет получения томографического разреза, а не данных по единичным скважинам) и получены без нарушения целостности грунтов (в естественном залегании, а не после деформирования буровым инструментом).

Программное обеспечение для интерпретации данных метода преломленных волн

Здесь дана информация по программному обеспечению, которое наши специалисты используют для обработки и интерпретации сейсморазведочных данных, полученных в полевых условиях. Рассматривается следующее ПО:

Программа IXRefrax компании INTERPEX

Программы WinSism и TomTime

Программа EasyRefract

Пакет программ Зонд

Пакет программ SeisOpt

Программа REFSTAT

Пакет программ компании GeoTomo (США)

Программа SEISIMAGER

Система Геотомо 4.5

Программа Rayfract

Система RadExPro

Пакет программ компании X-GEO

Программы компании GEOGIGA TECHNOLOGY CORP. (Канада): Программа Refractor, Программа DW Tomo, Программа DW Tomo 3D

Пакет REFLEXW компании SANDMEIER SCIENTIFIC SOFTWARE (Германия)

Программа Flatirons

Программный комплекс GeOlympus

Программа SeisImager/2D

Программное обеспечение серии Millennium

ПРОГРАММА «ГОДОГРАФ» (МГУ, В.Б.Пийп)