CC BY
36
УДК 622.235
© А.М Мухаметшин, А.Г. Болгаров, 2011
А.М. Мухаметшин, А.Г. Болгаров ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА В МЕТОДЕ СКВАЖИННОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
Приведены результаты геофизических исследований методом скважинной сейсмической томографии и ВСП на основе геоинформационной системы. Изучено физическое состояние массива пород площадки строительства высотной башни «Урал» Делового центра «Екатеринбург-Сити», оценено его структурно-тектони-ческое строение. Оценены упруго-деформационные и прочностные свойства пород, даны их квалификационные характеристики. Определена степень выветрелости и трещиноватости массива пород.
Ключевые слова: межскважинная томография, сейсмический мониторинг, геофизические методы, геоинформационная система, базы данных, базы знаний.
~П комплексе геофизических мето--*-*дов, применяемых при инженерно-геологических исследованиях, метод скважинной сейсмической томографии в настоящее время занимает одну из ведущих позиций. Кинематические и динамические особенности распространения упругих волн в геологической среде позволяет не только на качественном уровне изучить строение среды, выявить ослабленные, нарушенные зоны, но также и количественно оценить упругодеформационные и прочностные свойства массива пород в целом, и его отдельных участков. Существующие в настоящее время мощное аппаратное и программное обеспечение в скважинной сейсморазведке позволяет проводить исследования в условиях интенсивных электрических и механических помех, которые свойственны городским условиям исследований. Эффективность подобных исследований при решении инженерно-геофизических задач на глубоко урбанизированной территории (в центре г. Екатеринбурга) возрастает еще более при органи-
зации методического и программного обеспечения в виде геоинформацион-ной системы.
Как известно, основная идея метода межскважинной томографии состоит в просвечивании среды сейсмическими лучами по определенной системе наблюдений и на основании наблюденных времен первых вступлений сейсмических волн построения карт скоростей распространения сейсмических волн, которые, в свою очередь, позволяют перейти к оценке упруго-деформационных и прочностных свойств пород межсква-жинной среды. Как уже отмечалось нами ранее [1], методика и технология межскважинной сейсмической томографии заключается в возбуждении упругих колебаний в одной скважине и приеме их в другой. В практике меж-скважинных сейсмотомографических исследований в зависимости от конкретных задач и условий применяются различные системы наблюдений.
С целью достижения максимально возможного числа линий просвечивания, более полного по угловым коорди-
натам их покрытия исследуемой области (один из важных критериев качества решения томографической задачи) широко используется встречная веерная система наблюдений, которая и была применена на изучаемом объекте изысканий. Практически данная система реализуется последовательным перемещением приемного зонда вдоль всего исследуемого интервала глубин (от забоя до устья скважин) с заданным шагом (шаг приема) при фиксированном положении источника упругих колебаний. Такие наблюдения повторялись для различных положений фиксированного источника, который перемещался по стволу скважин с выбранным шагом возбуждения. При смене скважин возбуждения и приема технологический цикл повторялся. В результате получена серия вертикальных волновых полей, соответствующая сетке лучей, равномерно покрывающей исследуемое межскважинное пространство. Для уменьшения неоднозначности в приповерхностной зоне и вблизи ствола скважины система меж-скважинного просвечивания комбинировалась системой просвечивания скважина - дневная поверхность [1], где с достаточной полнотой были представлены все необходимые сведения по методике исследований методом скважинной томографии. Поэтому далее в кратком виде представляются основные практические результаты, полученные на площадке строительства.
Такая комбинированная система наблюдений позволяет достичь наибольшей густоты лучей сейсмопросвечивания и дает возможность адекватного изучения среды в субгоризонтальном и в суб-вертикальном направлениях.
Основные параметры системы наблюдений (шаг наблюдения, шаг возбуждения) выбирались с учетом сейсмогео-логических особенностей участка исследований, степени детальности исследо-
ваний. По опыту работ в аналогичных сейсмогеологических условиях, а также с учетом требований технологии исследований, при межскважинном просвечивании шаг приема составил 2 м, шаг возбуждения - 4 м, в методе ВСП шаг приема - 1 м.
Учитывая предполагаемую сложность и неоднородность геологического строения изучаемого массива, а также специфическую особенность распространения упругих колебаний при межскважинном сейсмопросвечивании, прием упругих колебаний осуществлялся специализированной трехкомпонентной цифровой аппаратурой АМЦ ВСП - В (высокочастотный вариант) с симметричной (однородной) системой сейсмоприемников DF-8.
В сейсмогеологическом отношении участок исследований приурочен к верхним частям массива скальных пород, перекрытых относительно мощной (до 15 м) сильно выветрелой зоной, характеризующейся не высокими упругими свойствами пород, слагающих ее (из того же отчета, см. выше). В плане тектонического строения площадка изысканий расположена в пределах приконтактовой части Шувакшинского габбрового массива в непосредственной близости от субмери-дионального Вкрхисетского разлома.
По данным наземной сейсморазведки, а также ультразвукового просвечивания образцов керна, отобранных в скважинах на соседней площадке проектируемой башни «Исеть», скорость продольной волны изменяется в диапазоне 2500-4200 м/с (интервал глубин до 10-12 м). Ниже по разрезу (до глубин 30-40 м) значения скорости продольной волны изменялись в диапазоне 3300-5600 м/с. Столь значительный разброс значений скоростей продольной волны и относительно невысокие величины для габбро и амфиболитов свидетельствует в первом приближении о высокой степени
выветрелости и трещиноватости массива пород.
Сложность структурно-тектонического строения массива пород, субверти-кальная трещиноватость и такая же структурная форма массива, а также высокая степень и неоднородность выветривания оказывают большое влияние на формирование волнового поля межскважинного сейсмопросвечивания. Полученные сейсмограммы просвечивания имеют достаточно сложную интерференционную структуру волнового поля. Выделить и проследить на сейсмограммах сейсмопросвечивания поперечную волну, параметры которой необходимы для оценки упруго-дефор-мационных и прочностных свойств массива, даже после обработки различными процедурами фильтрации практически невозможно. Поэтому основная томографическая обработка и интерпретация полученного материала проводились по прямой продольной волне, выделение которой по динамическим признакам не представляло каких-либо затруднений. В тоже время необходимо отметить некоторые особенности динамики прямой волны, которые могут качественно характеризовать состояние и строение массива пород. Инверсия фаз прямой волны, наблюдаемая в отдельных интервалах глубин волновых полей, смена частотного состава и поглощение амплитуды волны, все это свидетельствует в первом приближении о неоднородности физических свойств массива пород. Особенно это ярко выражено по смене частотного спектра прямой волны. Как правило, на всех волновых полях в нижнем интервале глубин прямая волна характеризуется диапазоном частот 800-1100 Гц. В средних интервалах частотный спектр снижается до 600-700 Гц. В самой верхней части (в интервале глубин до 15-16 м), а также в ряде интервалов средней части наблюдается резкое уменьшение, как
амплитуды сигнала, так и частоты, которая не превышает 300 Гц.
Результаты томографической обработки межскважинного сейсмопросвечивания представлены заказчику в виде сейсмотомографических разрезов (вертикальных карт значения скоростей продолжительных волн) межскважинно-го пространства и сечений в плане (горизонтальные карты скоростей) на различных глубинных отметках с дискретностью по глубине 5 м (рис. 1). Анализ полученных сесмотомографических разрезов показывает следующие особенности строения массива исследований.
Скорость продольной волны в исследуемых глубинах массива пород изменяется в диапазоне 2400-5200 м/с. В целом такой диапазон изменения значений скорости продольной волны соответствует диапазону скоростей, определенному по результатам ультразвукового просвечивания керна площадки башни «Исеть». Однако утверждать о плавном, градиентном увеличении значений скорости продольной волны с глубиной нельзя. Скоростная модель массива исследований, судя по сейсмотомографическим разрезам, имеет явно неоднородное строение, как в плане участка, так и по глубине. Наименьшими значениями скорости (Ур = 2400-2800 м/с) характеризуется верхняя часть геологического разреза в интервале глубин до 14-16 м. По значениям скоростей продольной волны этот интервал глубин разреза соответствует в большей мере обломочным породам, которые были образованы в результате сильного физического выветривания пород скального типа.
При преобладающих значениях скоростей 2600-2800 м/с на отдельных участках массива в этом интервале глубин наблюдаются также и зоны с повышенными значениями скорости (до 4500 м/с). Это свидетельствует о том, что процесс выветривания на площадке ис-
следований происходил очень неравномерно.
Неоднородность процессов выветривания массива прослеживается по значениям скоростей продольной волны и их характеру распределения в объеме исследований и на больших глубинах. Наиболее крупные зоны пониженных значений скоростей соответствующие более разуплотненным, трещиноватым, выветрелым участкам массива (карманы выветривания) наблюдается в около-скважинных пространствах скважин 05 и 01. На волновых полях сейсмопросвечивания это отображается низкочастотным спектром прямой волны (300-400 Гц), инверсией фазы.
В околоскважинном пространстве скважины 05 глубина кармана выветривания достигает 30 м и более, а в плане имеет развитие за пределы участка исследований в северо-западном направлении на большие глубины. Породы в карманах выветривания, представленные песком и обломочным материалом, характеризуются наименьшими значениями скорости продольной волны (Ур = 2400-2800 м/с). Аналогичными породами и значениями скорости характеризуется и карман выветривания в около-скважинном пространстве скважины 01, однако его размеры, как в плане, так и по глубине имеют меньшие размеры.
Невысокими значениями скорости продольной волны (Ур=3000-3500 м/с)
с-Ш
с-02
С - 03
с-05
скв.4
скв. 4
Рис. 1. Сейсмотомографические сечения
Н=-40м
►с-05 с -Ш
Рис. 2. Сейсмотомографические разрезы
характеризуется околоскважинное пространство скважины 03. Зона пониженных значений скоростей, соответствующая сильнотрещиноватым и выветре-лым породам в околоскважинном пространстве скважины 03 прослеживается практически по всей глубине исследований и вероятно имеет продолжение и на больших глубинах. О вероятности развития зоны в подзабойной части оклоск-важинного пространства свидетельствуют следующие скоростные признаки. Во-первых, непосредственно в пределах забоя скважины 03 отмечается зона невысоких значений скоростей 3600-3800 м/с, которая имеет тенденцию развития в субмеридиональном направлении.
Во-вторых, в центральной части массива вблизи скважины 04 на сейсмото-мографическом разрезе между скважинами 02 - 05 наблюдается узкая зона
пониженных значений скоростей 38004000 м/с, которая по данным акустического каротажа скважины прослеживается до глубины 76 м. По сейсмотомографиче-скому разрезу межскважинного пространства скважин 01 - 03 и сечениям в плане, эта зона смещается по глубине и расширяется в плане в субмеридиональном направлении в сторону скважины 03.
Аналогичного характера зоны пониженных значений скоростей, но мельче по размерам, прослеживаются и внутри массива на различных глубинах. Наибольшую по размерам среди них можно отметить зону, примыкающую к скважине 02 с запада в интервале глубин 2441 м.
В структурно-тектоническом плане массив имеет блоковое строение. По форме скоростных зон в изучаемом
Рис. 3. Сейсмографический разрез по скважинам 03 и 05
массиве преобладают субвертикальные структурные формы. Наблюдаемые в ряде интервалов разреза субгоризонталь-ные формы имеют подчиненное значение. Рассматривая объемное сейсмотомо-графическое изображение массива пород (граф. приложение 1.5), видно, что габб-ровый массив пород, для которого характерны повышенные значения скорости продольной волны внедряется на площади
исследований с запада. Судя по характеру сейсмотомографических разрезов, относительно крупные структур (блоки) осложнены различной степени субверти-кальной трещиноватостью. Средний угол падения структурных элементов и соответственно трещиноватости составляет 75°. Элементы простирания трещиноватости по выполненному объему исследований точно определить достаточно сложно, однако,
судя по преобладающей вытянутости скоростных зон на сейсмотомографических сечениях в плане и характеру объемного сейсмотомографического изображения, простирание трещиноватости (тектонической нарушенности) имеет направление северо-запад - юго-восток.
Анализ скоростной модели массива пород показывает очень слабую корреляцию изменения значений скорости продольной волны с литологическим составом пород. Например, для габбро значения скорости могут быть, как 3500 м/с, так и 5200 м/с. То есть, сейсмотомогра-фические разрезы по значениям скоростей продольной волны в большей степени отображают физическое состояние массива пород, степень его сохранности.
Таким образом, по результатам проведенных геофизических исследований методом скважинной сейсмической томографии и ВСП на основе геоинфор-мационной системы было изучено физическое состояние массива пород площадки строительства высотной башни «Урал» Делового центра «Екатеринбург-Сити», оценено его структурнотектоническое строение.
Оценены упруго-деформацион-ные и прочностные свойства пород, даны их квалификационные характеристики. Определена степень вывет-
релости и трещиноватости массива пород.
В структурно-тектоническом плане массив пород имеет блоковое и мелкоблочное строение, осложненное трещиноватостью и слоистостью пород. Блоки имеют субвертикальное строение. Преобладает субвертикальная слои-сточть и трещиноватость пород (средний угол падения - 75°). Блочность строения массива пород обусловлена общей тектоникой массива и последующими особенностями процесса выветривания.
Верхняя часть массива до глубин 1516 м характеризуется сильновыветре-лым состоянием пород с очень низкими упруго-деформационными и прочностными свойствами. В целом массив пород характеризуется как выветрелый и слабовыветрелый. Развитие выветре-лости по массиву неоднородно, как в плане, так и по глубине. В массиве отмечаются «карманы» выветривания, прослеживаемые на больших глубинах (до 75 м в центральной части по данным АК). Породы, слагающие карманы выветривания характеризуются относительно невысокими упруго-деформа-ционными и прочностными параметрами.
---------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мухаметшин А. М., Болгаров А. Г. Сейсмотомографические исследования и методика выполнения работ на площадке высотного строительства // ГИАБ. - 2008. - №4,- С. 61-65. ЕШ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Мухаметшин А.М. - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геоинформатики УГГУ, научный руководитель ООО «АМиК - Инновационные технологии», [email protected]
Болгаров А.Г. - Уральский государственный технический университет (УПИ).
