Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эффективность применения метода однородных функций для решения задач инженерной сейсморазведки

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Эффективность применения метода однородных функций для решения задач инженерной сейсморазведки"

Наумов Алексей Николаевич

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ОДНОРОДНЫХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ИНЖЕНЕРНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Специальность 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2004

Работа выполнена на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: В. Б. Пийп,

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Официальные оппоненты: А.С. Алёшин,

доктор физико-математических наук, профессор

О.П.Аникин,

кандидат геолого-минералогических наук

Ведущая организация: Производственный, научно-исследовательский

институт по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя России (ПНИИИИС)

Защита состоится 20 октября 2004 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д501.001.64 при Московском Государе i венном Университет им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы. ГЗ МГУ. зона «А», геологический факультет, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (ГЗ Ш У. зона «А». 6-ой этаж).

Автореферат разослан_сентября 2004 года

Ученый секретарь

диссертационного совета___Б А. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследований являются методы интерпретации годографов преломленных волн, полученных по данным инженерной сейсморазведки.

Актуальность исследований

В настоящее время для инженерной сейсморазведки чрезвычайно актуальным является практический переход от слоисто-однородных моделей сред к двухмерно-неоднородным моделям сред и полная автоматизация обработки и интерпретации данных инженерной сейсморазведки, включая отождествление волн на годографах из разных источников. Поиск решения этих задач активно идет во всем мире

Цели исследований

Показать на полевых сейсмических материалах, при сравнении с данными скважин и геологическими данными, что перечисленные ниже задачи могут быть полностью решены методом однородных функций.

Основные задачи исследования

Исследовать.

1. точность определения скоростей и границ раздела, вычисляемых при интерпретации данных методом однородных функций, в условиях высокой скоростной изменчивости и горного рельефа, характерных для сред исследуемых инженерной сейсморазведкой;

2 эффективность и достаточность систем наблюдений, обычно используемых инженерной сейсморазведкой;

3. геологическую информативность получаемых разрезов.

Верхняя часть разреза, которая является объектом изучения методами инженерной сейсморазведки, является "полигоном" или "лабораторией" для исследования точности и применимости метода однородных функций в целом, так как для ВЧР самым подробным образом известна геология, обычно имеются данные скважин, применяется разнообразный комплекс геофизических исследований. Этим задачам посвящена диссертация.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

1 С.И ОЭ

Методы исследований и фактический материал

Метод однородных функций и программный пакет ГОДОГРАФ. Полевые данные по трем крупным объектам инженерных исследований. Информация о геологическом строении регионов исследований. Данные бурения скважин. Сравнительный анализ результатов интерпретации.

Основные защищаемые положения

1. Метод однородных функций решает задачу полной автоматизации процесса обработки и интерпретации данных инженерной сейсмики, включая отождествление волн на годографах из разных источников на основе 2-х мерно-неоднородной модели среды

2. Разрезы, получаемые методом однородных функций по данным инженерной сейсморазведки, обладают высокой точностью в определении скоростей и границ раздела слоев и высокой геологической информативностью при выявлении структур (оползней, крутых и пологих разломов, надвигов и малоамплитудных нарушений, зон трещиноватости).

3. Методом однородных функций при интерпретации данных инженерной сейсморазведки в сложных геологических условиях и условиях горного рельефа устойчиво и практически однозначно определяются не только скорости и границы раздела слоев, но и градиенты скоростей - дополнительный параметр, характеризующий сейсмические разрезы, определяемый при использовании данного метода

4. Использование метода' однородных функций для построения сейсмических разрезов обеспечивает геологическую информативность и детальность разрезов, сопоставимую с аналогичными характеристиками разрезов, полученных по методике ОГТ. При этом достаточно систем наблюдений, обычно применяемых в инженерной сейсмике

5. Для автоматизации выделения границ раздела и тектонических нарушений при геологической интерпретации разрезов, полученных методом однородных функций, и их визуализации могут быть использованы современные методы грид-технологий

- Новизна

В диссертации впервые:

1. На значительном объеме данных инженерной сейсморазведки исследованы сравнительная информативность и даны оценки точности вычисляемых автоматически разрезов, проведено сопоставление разрезов с данными значительного количества скважин.

2. Доказано на примере исследований в Северной Осетии, что методом однородных функций автоматически однозначно и устойчиво с высокой точностью определяются не

только скорости, но и градиенты скоростей и положение границ раздела, что подтверждено данными большого количества скважин и сопоставлением разрезов в точках пересечения профилей

3 Показано и подтверждено данными скважин, что в рамках этого метода по данным инженерного сейсмопрофилирования успешно определяются инверсионные границы раздела слоев (подошвы оползней, надвиги), слои с пониженной скоростью - волноводы, что невозможно при использовании методов, основанных на теории головных волн

4 Доказана на примере исследований в Северной Осетии возможность выявления и картирования трехмерной структуры погребенного оползня-обвала при использовании метода однородных функций для интерпретации данных

5 Установлено весьма хорошее соответствие в отношении информативности, детальности, определения границ раздела и малоамплитудных нарушений, между глубинными разрезами, полученными по методике ОГТ, и разрезами, вычисленными по годографам преломленных волн методом однородных функций

6 Показаны целесообразность и эффективность использования современных грид-технологий для автоматического выделения границ раздела и нарушений на скоростных разрезах, построенных методом однородных функций

Практическая ценность и личный вклад автора

Исследования (обработка, интерпретация, сравнительный анализ, сбор материалов и доказательств) выполнены автором лично на базе современных полевых материалов, полученных в ЦСГНЭО (Центр Службы Геодинамических Наблюдений в Электроэнергетической Отрасли) при личном участии автора в полевых работах Доказательства исключительной эффективности интерпретации данных методом однородных функций, полученные автором исследования, предложенные и показанные автором примеры и приемы практической реализации метода, помогут широкому использованию метода однородных функций в практике инженерной сейсморазведки

Апробация работы

Результаты работы доложены на

ежегодной научной конференции «Ломоносовские чтения» 8-27 апреля 2003 г,

на международной конференции «V геофизические чтения им В В Федынского» 27 февраля - 01 марта 2003 г,

на международной геофизической конференции «Москва 2003» 1-4 сентября 2003 г,

на международной конференции EAGE в Париже 7-10 июня 2004 г., на XXIII международной молодежной научно-технической «Гидроэнергетика в XXI веке» 6 - 10 сентября 2004 г.

конференции

Объем и структура работы -

Диссертационная работа общим объемом 127 страниц состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 41 рисунок, 3 таблицы и библиографию из 94 наименований

Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю доктору геол-минерал. наук В Б. Пийп, научному консультанту канд. геол-минерал. наук. Е А. Ефимовой и директору ЦСГНЭО доктору физ.-мат. наук академику РАЕН Савичу А И. за внимание, поддержку и помощь в работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены основные научные результаты, отмечена практическая значимость работы.

Глава 1. Методы и проблемы в интерпретации данных инженерной сейсморазведки

В первой главе обсуждаются область применения и задачи инженерной сейсморазведки, специфика сейсмических исследований верхней части разреза и как следствие особенности использования сейсмоакустических методов в инженерной геологии Далее анализируются методы интерпретации данных в инженерной сейсморазведке и способы построения сейсмических разрезов по данным преломленных волн с помощью ЭВМ. В заключении доказывается актуальность перехода к автоматизированной обработке и интерпретации данных инженерной сейсморазведки на основе двухмерно-неоднородной модели среды

В первом параграфе выделены следующие главные области применения инженерной геофизики: 1) пространственная схематизация массивов по совокупности геофизических параметров, 2) изучение физических и физико-механических свойств и состояния горных пород в их естественном залегании, 3) контроль за динамикой природных и техногенных деформационных процессов. Основные ее задачи: изучение литологических, тектонических, гидрогеологических границ; изучение пористости и трещиноватости, водно-физических и

криогенных свойств горных пород, изучение упругих, деформационных, прочностных свойств и напряженного состояния горных пород, изучение неоднородности и анизотропии горных пород и др

Во втором параграфе приведены особенности использования сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии, которые базируются на 1) неоднородности горных пород в отношении сейсмических свойств, что обусловливает возможность регистрации различных типов волн, связанных с границами данных неоднородностей, это позволяет использовать сейсмоакустические методы для выделения границ изучаемого участка (массива), 2) наличии связей между сейсмическими характеристиками горных пород и их составом, состоянием и физико-механическими свойствами, что позволяет использовать сейсмоакустические методы для оценки состава, состояния и свойств горных пород, 3) особенности наблюдаемого волнового поля зависят от характера и стадии развития современных геологических, инженерно-геологических и геокриологических процессов, это позволяет использовать сейсмоакустические методы для изучения этих процессов Для определения положения границ стремятся использовать наземные сейсмические измерения Особенно широко они применяются для изучения горизонтальных (слабонаклонных) границ, большинство из которых в верхней части разреза являются преломляющими В этом случае наблюдения ведут с помощью МПВ по методике продольного профилирования

Третий параграф повествует о способах решения обратных кинематических задач сейсморазведки В инженерной сейсморазведке наиболее актуальна задача интерпретации данных сейсмического профилирования в условиях сложного скоростного строения среды, характеризующейся значительной пространственной неоднородностью своих упругих свойств Несмотря на сложности подобных задач, в последние годы разработаны методы их решения с применением ЭВМ Известные алгоритмы способов построения преломляющих сейсмических границ с помощью ЭВМ по характеру математического решения задачи могут быть подразделены на три основные группы В основу алгоритмов первой группы положены аналитические способы решения задачи построения преломляющих границ К этой группе относятся алгоритмы, реализующие на ЭВМ известные способы построения границ способ Ьэ, способ сопряженных точек, способ временных задержек (Л В Гарднер) и др Ко второй группе относятся алгоритмы, основанные на решении обратных задач численным путем Среди алгоритмов этой группы в первую очередь следует выделить лучевой способ и численный способ полей времен К третьей группе относятся алгоритмы оптимизации, в

которых решение задачи построения границ и определения скоростей достигается с помощью итерационного математического моделирования Таким образом, алгоритмы второй и третьей групп базируются на использовании специфических возможностей ЭВМ, и из-за своей трудоемкости, как правило, не могут быть реализованы при ручной интерпретации. Общей особенностью указанных алгоритмов является использование в них в качестве составного элемента решения прямой кинематической задачи Алгоритмы второй и третьей групп характеризуются известной сложностью и оперируют моделями, более близкими к реальным средам, что способствует повышению точности сейсмических построений К настоящему времени разработаны и применяются для интерпретации данных глубинных исследований такие методы как метод томографии и метод машинного подбора модели среды.

Однако эти методы являются чрезвычайно трудоемкими и времяемкими и в инженерной сейсморазведке не используются В настоящее время ведется адаптация указанных методов для интерпретации Данных инженерной геофизики, основанных на двумерно-неоднородной модели среды (Tamas Ormos, 2002 и др )

В четвертом параграфе сделано заключение об актуальности следующих задач в инженерной сейсморазведке

1. полная автоматизация процесса обработки и интерпретации данных инженерного сейсмопрофилирования, включая отождествление волн на годографах из разных источников.

2. учет и определение как вертикальной, так и горизонтальной изменчивости скорости в среде при одновременном построении сейсмических границ раздела слоев и тектонических нарушений

Глава 2. Метод однородных функций при решении обратной кинематической задачи сейсморазведки и программа «Годограф»

Во второй главе дано краткое изложение теоретических положений метода однородных функций, который лежит в основе пакета программ «Годограф», предназначенного для обработки и интерпретации данных преломленных волн и построения скоростного сейсмического разреза. Также описан опыт применения метода однородных функций (ОФ) для интерпретации сейсмических данных, и показано, что основной областью применения метода ОФ до настоящего времени являлись глубинные и региональные исследования

В первом параграфе изложен метод ОФ и его главные положения В полярных координатах однородные функции описываются произведением двух одномерных функций: степенной функция радиальной координаты и произвольной функции полярного угла'

v = rmiff(9>) (1)

Здесь т - степень однородной функции, действительное число Так как (1) -произвольная функция, то сейсмическая модель, описанная однородной функцией, может включать прямолинейные сейсмические границы (линии разрыва функции) и волноводы (слои, где скоростные значения уменьшаются с глубиной) Для сред со скоростью (1) прямой годограф может быть непрерывно отображен в обратный и наоборот Двухмерная обратная задача для среды со скоростью (1) может быть преобразована в одномерную обратную задачу, когда скорость зависит только от полярного угла

Интерпретация методом ОФ - автоматическая процедура Никакая начальная модель не требуется Идентификация волн, связанных с различными границами, на годографах из разных источников выполняется также автоматически Метод ОФ лежит в основе пакета программ «Годограф» предназначенного для обработки и интерпретации данных преломленных волн и построения скоростного сейсмического разреза

Во втором параграфе описывается комплекс программ «GODOGRAF», который состоит из восьми подпрограмм GOD0,GOD1 GOD2, CLEAN, MAPS, PHYS, CORR, STATIC

Подпрограмма GODO служит для формирования входного файла GOD И DAT для программы GODI Подпрограмма GOD1 предназначена для ввода и построения графика системы годографов, выбора из нее пары встречных годографов и определения для этой пары параметров однородной аппроксимирующей функции, автоматически формирует входные файлы для следующей подпрограммы GOD2 Подпрограмма GOD2 предназначена для вычисления значения поля скорости в узлах прямоугольной сетки на разрезе для профиля Подпрограмма CLEAN служит для исключения или ограничения по величине максимальной скорости локальных скоростных полей из общего скоростного поля Программа MAPS используется для построения горизонтальных глубинных карт-срезов скоростей, если предварительно построены скоростные разрезы вдоль нескольких сейсмических профилей, имеющихся на исследуемой площади Подпрограмма PHYS служит для построения разрезов физических параметров, (коэффициента Пуассона, модуля Юнга, модуля деформации и модуля сдвига М, и т д) если предварительно построены

скоростные разрезы продольных и поперечных волн вдоль одного или нескольких сейсмических профилей, имеющихся на исследуемой площади Подпрограмма CORR предназначена для пересчета файлов с использованием корреляционной кривой, могут быть вычислены плотностные разрезы с использованием заданной зависимости или скоростные разрезы поперечных волн, если имеется кривая для отношения скоростей или зависимости

скорость-плотность Подпрограмма STATIC используется для вычисления статической поправки (поправки за ЗМС)

В третьем параграфе обобщается опыт применения метода ОФ для интерпретации сейсмических данных. Этот метод применялся для интерпретации реальных данных и для обращения годографов, рассчитанных для модельных разрезов. Для значительного количества разрезов, вычисленных методом однородных функций, осуществлена проверка разрезов решением прямой кинематической задачи сейсмики, которая всегда уверенно подтверждает полученные разрезы.

Метод однородных функций к настоящему времени использован для интерпретации данных глубинных сейсмических исследований во многих регионах страны, на Камчатке и Сахалине, на акватории Баренцева и Черного морей, на Русской платформе, на территории Балтийского щита, в Западной Сибири

Вместе с тем, в области инженерной сейсмики использование метода однородных функций было исследовано мало и спорадически.

В четвертом параграфе изложены неизученные проблемы в области применения метода однородных функций для интерпретации данных инженерной сейсморазведки.

1. Удовлетворяют ли автоматически построенные методом однородных функций разрезы задачам и целям современной инженерной сейсморазведки?

2. Достаточны ли системы наблюдений, обычно используемые в инженерной сейсморазведке, для построения качественных разрезов методом однородных функций?

3. Каковы при этом погрешности определения скоростей?

4 Как построенные разрезы соотносятся с разрезами по данным скважин''

5. Какие новые возможности дает метод однородных функций в сравнении - с традиционными методами интерпретации для выявления на разрезах погребенных оползней, внутреннего строения оползней, для оценки строения скальных массивов7

6. Каковы преимущества метода при исследовании геологических разрезов, как выявляются тектонические нарушения границы раздела слоев на автоматически построенных разрезах?

Глава 3. Исследование возможностей и погрешности метода ОФ на материалах полученных при изысканиях под строительство бассейна суточного регулирования Зарамагской ГЭС

В третьей главе изложено применение метода ОФ для обработки и интерпретации данных) инженерной сейсмики в районе строительства бассейна суточного регулирования

(БСР) для гидроэлектростанции в Северной Осетии. Интерпретация показала существование большого погребенного оползня на площади исследования и позволила проследить структуру оползня на разрезах, на горизонтальных скоростных картах-срезах и решить поставленные инженерные задачи:

1. определить мощности рыхлых отложений,

2. оценить мощности зоны поверхностного выветривания, техногенной разгрузки и разуплотнения,

3. выявить участки повышенной трещиноватости и тектонических зон;

4. оценить упругие характеристики рыхлых и скальных пород.

В этой главе произведен сравнительный анализ результатов интерпретации методом ОФ по девяти профилям с разрезами, полученными традиционными методами, с литологическими колонками скважин, по вертикальным скоростным кривым в точках пересечения профилей Определена погрешность определения скоростей и границ раздела, сделаны выводы об устойчивом определении величин не только скоростей, но и градиентов скорости. Показано также, что при интерпретации годографов волн методом однородных функций определяются границы раздела слоев различного рода - 1-ГО, 2-ГО рода и инверсионные границы раздела. Для выделения границ использованы современные грид-технологии - метод представления разрезов как скоростных полей с оттененным рельефом.

В первом параграфе дана краткая инженерно-геологическая характеристика района (БСР) В структурном плане участок БСР находится в зоне южного крыла Нузальской антиклинали, разбитого рядом тектонических разломов на блоки Наиболее крупным разрывным нарушением на рассматриваемом участке является так называемый Южный разлом Верхняя часть разреза - отложения верхней части тоарского яруса нижней юры представленные алевролитами и аргиллитами с подчиненными прослоями песчаников, рассланцованными, плитчатыми, участками тонкоплитчатыми, трещиноватыми, кое-где перекрытые техногенными грунтами и делювиально-пролювиальными отложениями В целом породы нижней юры характеризуются моноклинальным залеганием,

осложненным мелкими складками, с падением на юг, юго-запад (170 - 210°) под углами от 25 до 75°.

Во втором параграфе изложена методика проведения полевых работ и результаты, полученные в «ЦСГНЭО». В процессе этих работ были исследованы разрезы вдоль 9-ти профилей, пресекающих площадку исследований в различных направлениях. Электроразведка проводилась методами ВЭЗ и электропрофилирования Сейсморазведка

проводилась корреляционным методом преломленных волн (КМПВ) с использованием 24-канальной сейсмической станции СП-002 (разработка ЦСГНЭО) Возбуждение колебаний осуществлялись ударами кувалды по металлической подставке и взрывами Регистрация колебаний производилась в режиме накопления сигнала. Прием колебаний осуществлялся вертикальными сейсмоприемниками СВ-20 Шаг между сейсмоприемниками -2 м, система наблюдений семиточечная, длина годографа - 92, 138 м

В результате построены комплексные геолого-геофизических разрезы по девяти профилям Было определено, что верхняя часть разрезов представлена техногенными грунтами со скоростью продольных волн 0,4 - 0,5 км/с и удельными электрическими сопротивлениями 200 - 300 Ом м Ниже по разрезу выделяется слой мощностью 4-7 м, характеризующийся скоростями 0,8 - 1,2 км/с в южной части и 0,8 - 0,9 км/с в северной части Удельные электрические сопротивления этого слоя 200 - 300 Ом м Далее прослеживается слой мощностью от 5 -10 до 25 - 30 метров Скорость продольных волн 1,1 - 2,2 км/с Удельные электрические сопротивления здесь 300-500 Ом м, в верхней части слоя на отдельных интервалах разрезов значения сопротивлений увеличиваются до 600 -1000 Ом м На глубинах 15 - 35 м от земной поверхности получены скорости 2,0 - 3,2 км/с и удельные сопротивления 800 - 1000 Ом м На всех разрезах прослежены 3-4 субгоризонтальных слоя, разделенных на блоки 2-3 субвертикальными зонами нарушений

В третьем параграфе излагаются результаты расчета разрезов методом однородных функций С помощью пакета программ «Годограф» были рассчитаны поля изолиний скорости и построены сейсмические разрезы с учетом рельефа Проведены геологическая интерпретация и сопоставление с комплексными геолого-геофизическими разрезами, полученными в ЦСГНЭО

В целом на разрезах, построенных методом ОФ, выделены следующие слои Верхний слой рыхлых отложений имеет максимальную мощность - 12 метров на профиле VIII, скорость продольных волн в этом слое 400 - 600 м/с Слой разрушенных пород мощностью 10-20 метров имеет скорость Vp = 800 - 1600 м/с Следующий слой относительно сохранных пород со скоростью и мощностью около 20-ти метров,

который осложнен высокоскоростными блоками - погребенным оползнем (профили VII, X, XI, XIV-XVI), скорость продольных волн в котором достигает 4000 м/с Тело оползня характеризуется пологими разломами - надвигами Скорость продольных волн в сохранных коренных породах составляет 2600 - 4000 км/с Глубина кровли коренных пород (профили VII-XI, XV) составляет 35-40 метров

К)

Внутреннее строение слоев разрезов охарактеризовано полем изолиний - скорости, рисунок которых совпадает с тонкой слоистостью слоев и не противоречит геологическому описанию отложений. Глубины границ раздела, полученные на автоматически построенных методом ОФ разрезах с границами раздела совпали с колонками 18-ти скважин расположенными вблизи исследованных профилей.

Для профиля X рассчитаны разрезы пяти физических параметров - отношения скоростей продольных и поперечных волн, коэффициента Пуассона, модуля Юнга, Модуля сдвига и модуля всестороннего сжатия. Основой для расчетов послужил разрез скоростей продольных волн, вычисленный методом однородных функций Непрерывные скоростной поперечных волн и плотностной разрезы вычислены с использованием кривых корреляции, для построения которых использованы соотношения значений скоростей и плотностей, известные по данным исследования образцов пород для слоев разреза.

Непрерывные разрезы физических параметров, содержащие значения параметров практически в каждой точке среды, полнее характеризуют физико-механические свойства среды и позволяют более обоснованно решать инженерные задачи исследований

В четвертом параграфе рассматриваются результаты сравнения разрезов по профилям, полученных разными способами. Выводы сделаны на основе сравнения разрезов, полученных по программе «Годограф» и традиционными методами. Были рассмотрены два совмещенных сейсмогеологических разреза, рассчитанных разными способами для профиля VII. Разрезы в отношении осредненных параметров совпадают, однако по информативности - количеству вычисленных параметров они различаются очень существенно. Разрез, построенный методом to и пластовых скоростей, имеет схематичный вид. Детальная информация, содержащаяся на разрезе, построенном методом ОФ, позволила выделить структуру погребенного оползня, включая серию наклонных надвигов, пересекающих тело оползня.

В точках пересечения профилей были построены графики

зависимости скорости от глубины полученные методом ОФ, и сюда же нанесены данные об изменении скорости с глубиной, полученные методом to и пластовых скоростей. Графики v(z), построенные в точке пересечения профилей, фактически совпадают - в пределах 50 м/с, что говорит о высокой точности и устойчивости вычисления разрезов т.к. данные по разным профилям обрабатывались независимо друг от друга. При этом совпадают не только значения скоростей, но и значения градиентов скорости и положение границ раздела. Глубинно-скоростные характеристики, полученные методом пластовых скоростей, является

очень грубым приближением скоростной характеристики - это ступенчатые кусочно-постоянные функции Они плохо совпадают в точках пересечения профилей На основании этих данных при традиционной интерпретации материалов был сделан вывод о сильной анизотропии пород исследуемого района При интерпретации этих же данных методом однородных функций предположения об анизотропии пород не подтвердились

В пятом параграфе рассмотрены вопросы определения погрешности координат и скоростей для разрезов вычисленных методом однородных функций Эти параметры определяются величиной отклонения значений скорости, вычисленных по различным парам годографов в одних и тех же или близких точках разрезов Размер ячейки поля скорости составил в среднем 1 м х 0 4 м и погрешность скорости 25-50 м/с

Проверка вычисленных полей скорости решением прямой кинематической задачи сейсмики по профилю VII дала хорошие результаты Среднеквадратическое отклонение рассчитанных годографов от наблюденных по профилю VII составило 0,002 с

В шестом параграфе изложены выводы 1 на разрезах, рассчитанных методом ОФ, выделяются границы различного рода 1-го, 2-го и инверсионные границы раздела, а также тектонические нарушения различного наклона В то время как по данным интерпретации традиционными методами вычисляются только субгоризонтальные границы раздела 1-го рода и субвертикальные тектонические нарушения, а скорости в слоях не изменяются по вертикали

Погрешность определения границ раздела на разрезах, вычисленных методом ОФ, составляет 1-2 м при глубине 20 м, что подтверждается данными 18 скважин Представление разрезов в виде поля скорости с освещенным рельефом позволяет автоматически выделять границы раздела и тектонические нарушения на скоростных разрезах Применение метода ОФ позволило установить существование погребенного оползня на исследуемой площади, определить его положение в пространстве, детальное строение, для чего были построены горизонтальные скоростные карты-срезы для различных гипсометрических уровней Этот оползень не был обнаружен при использовании традиционных методов интерпретации

Глава 4. Интерпретация сейсмических данных, полученных при режимных исследованиях Даллагкаусского оползня (РСО-Алания)

В четвертой главе изложены результаты применения метода ОФ для обработки и интерпретации данных инженерной сейсморазведки по исследованию Даллагкаусского оползня в Северной Осетии, и показано, как решены поставленные задачи оценка инженерно-геологических условий и современного состояния оползневого тела, уточнение

границ и литологического состава отложений оползневого тела Произведено сравнение с результатами, полученными в «ЦСГНЭО» при интерпретации данных традиционными методами

В первом параграфе приводится краткая геологическая характеристика региона Среди четвертичных отложений рассматриваемой территории разделяются следующие типы: ледниковый, флювиогляциальный, аллювиально-пролювиальный, озерный, обвално-осыпной, осыпной и оползневой Оползневые отложения - крупные блоковые оползни современного и позднеплейстоценового возраста представлены сильно дроблеными блоками и пачками нижнеюрских глинистых сланцев, а также глыбами известняка, вовлеченными в свое время в оползневой процесс

Второй параграф дает представление о Большом Даллагкаусском оползне Оползень достаточно хорошо изучен - кроме оползневой съемки и геофизических исследований на нем выполнены буровые работы (Армгидропроект, 1974 г) Длина оползня колеблется от 40 до 80 м Общий объем оползневых масс достигает 28 млн м3 Более ранними исследованиями разрез оползня был определен как двухслойный Верхний горизонт, мощность которого около 25-ти метров, сложен нижнеюрскими преимущественно крупнообломочными отложениями глинистых сланцев с песчано-глинистым заполнителем, имеющих высокое электрическое сопротивление (до 2000 Омм) и низкую скорость продольных волн (500 -1000 м/с) Нижний горизонт, мощностью до 40-ка метров, представлен суглинистыми грунтами с незначительным содержанием щебенки глинистых сланцев Ур= 2000-2500 м/с)

В третьем параграфе изложена методика проведения полевых работ и результаты, полученные в ЦСГНЭО Сейсморазведка выполнялась по четырем субпараллельным профилям, пресекающим оползень в поперечном направлении Методика исследований описана во втором параграфе третьей главы Выполнена электроразведка методом ВЭЗ В результате обработки и интерпретации данных традиционными методами (метод машинные методы интерпретации ВЭЗ) были построены комплексные геолого-геофизические разрезы по четырем профилям Сделаны выводы о том, что по всем профилям в теле оползня прослеживается вертикальная зональность. Сверху вниз выделены 5 слоев Слой I характеризуется значениями скоростей продольных волн Ур = 0,25 - 0,8 км/с и удельными электрическими сопротивлениями 200 - 800 Омм Мощность слоя изменяется от 5 до 15 метров

Слой 2 характеризуется значениями Vp = 1,0 - 1,4 км/с, р = 200 500 Омм и имеет мощность от 5 до 20 метров По величинам скоростей и удельных электрических сопротивлений и по сопоставлению с бурением отложения двух верхних слоев отождествляются с обломками и щебнем коренных пород в супесчано-суглинистом заполнителе. В слое 3 скорость упругих волн в от 1,9-2,1 км/с до 2,6 - 2,7 км/с. По данным бурения этот слой соответствует обломкам коренных пород с супесчано-суглинистым заполнителем Слой 4 прослеживается по данным сейсморазведки - по профилю 1 и в конце профиля 2. Он характеризуется значениями р ОТ 70 — 130 Омм и скоростью продольных волн 2,7 км/с. Мощность слоя - 10-20 метров Согласно данным бурения на профилях 1 и 2 слой 4 представлен аллювиальными отложениями Коренные породы (слой 5) по данным сейсморазведки изучены лишь по профилю 1 и характеризуются скоростью Vp = 3,6 — 4.2 км/с, и удельными сопротивлениями 250 - 350 Омм. На остальных профилях кровля коренных пород прослежена только по данным электроразведки В коренных породах выделены участки пониженных значений скоростей и удельных электрических сопротивлений, соответствующие зонам тектонической трещиноватости и тектонических нарушений На всех профилях выделенные слои характеризуются практически постоянными скоростями и субгоризонтальными границами раздела. От слоя к слою скорость увеличивается скачком

В четвертом параграфе приведены результаты интерпретации сейсмических разрезов, рассчитанных методом ОФ по четырем исследованным профилям, и дан сравнительный анализ результатов интерпретации.

Все автоматически построенные по профилям разрезы характеризуются похоим строением. Выделены сверху вниз слои 1, И, 111, IV. Изолинии скорости внутри слоев субгоризонтальны, а разделяющие их границы раздела криволинейны. Границы раздела внутри оползня являются инверсионными границами, то есть такими, где скорость уменьшается при пересечении границы сверху вниз, что говорит о том, что эти границы образованы надвигами, возникающими в теле оползня при его движении Подошва оползня выделена на 3-х профилях также как резкая инверсионная граница Мощности выделенных слоев переменны. Хотя прослеженные границы раздела являются инверсионными, внутри слоев скорость увеличивается с глубиной, так же как и в целом по разрезу. Установлено, что второй и третий слои содержат глыбы коренных пород и основание оползня (третий слой) выполнено преимущественно глыбами сохранных пород. В поперечном сечении оползень

имеет трапециевидную форму Вблизи бортов оползня прослежены многочисленные разломы, имеющие падение по направлению к осевой части оползня

Сопоставляя полученные разрезы с разрезами, построенными методом пластовых скоростей необходимо отметить, следующее Получена качественно новая информация о строении оползня, которая численно конкретизирует структурные черты строения оползня, соответствующие геологическим представлениям о строении оползней скольжения Выделенные границы раздела представляют собой надвиги - тектонические нарушения, которые отсутствуют на разрезе, построенном методом пластовых скоростей Указанные инверсионные границы по глубине всюду совпали с данными 5-ти скважин, которые имеются на исследованных профилях Глубина подошвы оползня, автоматически вычисленная методом ОФ, также везде совпала с результатами бурения

В пятом параграфе изложена геологическая интерпретация В теле оползня четко выделяются три слоя пород с различными значениями скоростей, разделенные инверсионными границами Интервалы скоростей, характеризующие выделенные слои, сохраняются для всех профилей В слое 1 скорость по латерали меняется слабо и соответствует рыхлым отложениям Слой II представляет собой слой нарушенных пород, содержащий блоки, скорость в которых выше скорости вмещающих пород Участки сохранных пород хорошо выделяются на разрезе в западной и восточной частях профиля, вблизи подошвы слоя III Они выделяются как локальные области повышенных скоростей (до 4000 м/с) Слой Ша представляет собой глыбы коренных пород Слой IV слагают коренные породы Значения глубин слоев и отметки подошвы оползня (кровли коренных отложений) на разрезах по методу ОФ всюду совпадают с таковыми по данным скважин, имеющихся на всех профилях Граница между слоями П1 и IV может быть интерпретирована как подошва Даллагкаусского оползня Построены трехмерное изображение рельефа подошвы оползня и карта поверхности скольжения оползня При своем движении тело оползня образовало два углубления - первое расположено на севере, второе - на западе

В шестом параграфе приведены выводы 1 Автоматически вычислены разрезы по четырем профилям, пересекающим тело Даллагкаусского оползня Разрезы сопоставлены с данными 5-ти скважин 2 Погрешность определения глубины границ раздела оценена при сопоставлении с данными бурения по скважинам - как 1-2 метра на глубине 40 - 80 метров

3 Полученные разрезы по 4-м профилям показали, что в теле оползня преобладают криволинейные инверсионные границы раздела, по-видимому, образованные надвигами

4 Слои включают высокоскоростные аномалии - глыбы коренных пород 5 Подошва оползня (кровля коренных отложений) - инверсионная граница четко выделяется на разрезах

по трем профилям, (кроме четвертого, где глубина исследования оказалась недостаточной) и всюду совпала с данными скважин. Мощность оползня составляет 40 - 80 метров. 6. Получена качественно новая и вместе с тем количественно точная информация о внутреннем строении Даллагкаусского оползня, имеющая реальный геологический характер

Глава 5. Комплекс сейсмических методов при исследовании скального основания Курской АЭС

Цель данной главы - сравнение результатов, полученных разными методами обработки годографов поперечных волн КМПВ: (способом ^ и методом ОФ) и глубинного разреза ОГТ поперечным волнам по одному и тому же профилю Задачами изысканий в комплексе КМПВ и ОГТ были расчленение пород по вертикали, определение глубины залегания и характера кровли скальных пород - выделения малоамплитудных нарушений в слое писчего мела. Установлено, что разрез, полученный методом ОФ, весьма хорошо, вплоть до деталей, сопоставляется с разрезом ОГТ, что позволяет практически однозначно выявить малоамплитудные разрывы. Данная задача не была решена при сопоставлении результатов обработки материалов поперечных волн КМПВ методом пластовых скоростей с глубинным разрезом ОГТ.

В первой параграфе приводится краткое описание геологического строения района работ. Район Курской АЭС-2 располагается в пределах Восточно-Европейской платформы в присводовой части Воронежской антиклизы на погребенном выступе архей-протерозойских пород, представленных гранито-гнейсами, гнейсами, различными кристаллическими сланцами, кварцитами На кристаллическом фундаменте залегают породы платформенного чехла Участок опытно-методических сейсморазведочных работ размещается в пределах первой и второй надпойменных террас поймы, средняя мощность которых 15-20 метров. Здесь под аллювиальными отложениями залегают мергели сантонского яруса писчий мел турон-коньякского ярусов пески альб-сеномана

Ниже залегают глины юрского возраста мощностью более 60 метров.

Во втором параграфе изложена методика выполнения работ и обработки материалов в «ЦСГНЭО».

Профилирование МОП". Прием упругих колебаний осуществлялся на горизонтальные сейсмоприемники СГ-20. Шаг между СП и ПУ -2 м, длина расстановки - 46 м Система наблюдения: выносы от первого СП на удалении далее

- пункты удара у каждого СП (от СП I до СП 24) и выносы от двадцать четвертого СП на удалении +2 м, +4 м, +6 м, +8 м, +10 м и +12м

Процедура обработки включает

1 демультиплексацию исходных данных,

2 деконволюцию, полосовую частотную фильтрацию в диапазоне 20 - 80 Гц,

3 нормализацию трасс,

4 коррекцию кинематических поправок перебором по постоянным скоростям,

5 коррекцию статических поправок,

6 коррекцию остаточных фазовых сдвигов в окне 70 - 400 мс с максимальным сдвигом 14 мс,

7 получение временного разреза и вывод на печать

Построение глубинного разреза включало а) выделение на сейсмограммах экстремумов, их корреляцию и редактирование, б) введение дифференцированной поправки за первое вступление, в) пересчет временного разреза в глубинный в соответствии с результатами операции подбора скоростного закона и данными о скоростном строении района работ по результатам сейсмического каротажа скважин и данных КМПВ

Сейсмическое профилирование КМПВ проводилось на тех же расстановках, что и МОГТ Регистрация упругих колебаний производилась горизонтальными сейсмоприемниками СГ-20 Шаг между СП -2 м, система наблюдения 7-точечная, длина наблюденного годографа - 138 м При профилировании КМПВ получены материалы отличного и хорошего качества Обработка материалов осуществлялась способом ^ и разностного годографа Положение опорной сейсмической границы, соответствующей кровле меловых отложений, а также скорости поперечных волн были определены методами сопряженных точек, разностного годографа и пластовых скоростей

Итретьем параграфе даны результаты, полученные в «ЦСГНЭО»

По годографам КМПВ вручную были прослежены волны группы со скоростью 100 - 270 м/с, отвечающие четвертичным песчано-гравийно-галечным отложениям с прослоями суглинка, затем волны со скоростью после них бьли

выделены волны группы Ь со скоростью 770 - 900 м/с По сопоставлению с геологическими данными и каротажем скв №23у волна была отождествлена с волной от кровли мергелистых глин а волна - с волной от кровли мелов

Первая протяженная отражающая граница прослежена на временах 60 - 70 мс Сопоставляя с результатами СК и КМПВ, эта граница идентифицирована с отражениями от

кровли песков в аллювиальных отложениях По сопоставлению с результатами КМПВ отражения от кровли глинисто-мергелистых отложений выделены на временах 160 - 190 мс, а кровля мелов прослежена на временах 250 - 280 мс. Отражения от кровли мелов прослеживаются неуверенно, на отдельных участках профиля отмечено «выклинивание» границы, часто меняется динамика отражений. Ярких, устойчивых отражений, которые однозначно можно связать с подошвой мелов на временном разрезе, не получено.

Четвертый параграф содержит информацию о результатах обработки и интерпретации годографов преломленных волн с использованием программы «Годограф», в основу которой положен метод ОФ. Чтобы выделить границы раздела тонких слоев по значениям поля скорости, была вычислена вертикальная производная поля скорости. Теневой разрез построен по первой вертикальной производной вычисленного скоростного поля в узлах прямоугольной сетки и показан вместе с изолиниями скорости, проведенными через 25 м/с На этом разрезе отображены тонкие слои, которые выделяются в изучаемом разрезе: Макрослои также прослеживаются, они отличаются преобладающей мощностью тонких прослоев Сопоставление вычисленного скоростного разреза с литологией пород по скважинным данным (скв. №23у) позволило произвести геологическую интерпретацию разреза и проследить на разрезе три крупных слоя слой четвертичных отложений, слой мергелистых глин и слой писчего мела

В пятом параграфе дается сопоставление результатов, полученных разными методами Выводы, сделанные в ЦСГНЭО были следующими, во-первых, комплекс КМПВ и О1Т позволяет в целом расчленить разрез в заданном интервале глубин (до 40-50 м), включая кровлю меловых отложений и определить значения скорости поперечных волн для основных литологических разностей пород; во-вторых, возможности ОГТ не позволяют однозначно выделить отражения от подошвы меловых отложений с целью выявления малоамплитудных тектонических нарушений и, в-третьих, было сделано предположение, что задача выделения малоамплитудных тектонических нарушений в меловых отложениях может быть решена с помощью КМПВ путем площадного картирования и выделения зон с аномально низкими скоростями поперечных волн.

Однако же, интерпретация методом однородных функций данных МПВ показала, что разрезы по данным преломленных волн и глубинный разрез ОГТ весьма хорошо сопоставляются вплоть до множества мелких нарушений и блоков пород, выделяемых на глубинном разрезе ОГТ. И это несмотря на то, что для их построения использованы разные типы волн (отраженные и преломленные), для которых лучи распространяются в разрезе по

существенно разным направлениям и системы наблюдений существенно различаются по своей детальности Разрезы хорошо сопоставляются по следующим параметрам

• Интервал между изолиниями скорости с сечением 40 м/с совпадает в среднем с одним периодом отражений

• Наклон изолиний скорости преимущественно совпадает с наклоном фаз отражений Многие изолинии скорости близко совпадают с некоторой одной фазой, например изолинии 300, 500, 600 м/с

• По двум совмещенным разрезам (глубинному разрезу ОГТ и двухмерно-скоростному разрезу) уверенно прослеживаются одни и те же слои Рельеф границ раздела слоев также весьма близко совпадает

• Многочисленные высокоамплитудные блоки, выделяемые на разрезе ОГТ, практически везде ограничены мелкими разломами, полученными на скоростном разрезе МОФ, иными словами, на обоих разрезах хорошо коррелируются блоки слоев и разграничивающие их нарушения

На этом основании можно считать, что оба разреза отображают реальную картину строения исследуемого разреза Непрерывные линии равных скоростей на разрезе, полученном методом ОФ, позволяют объединить прерывистые отражения на разрезе ОГТ и отнести их к тому или иному тонкому прослою разреза

Все это позволяет уверенно утверждать, что использованный в ЦСГНЭО комплекс КМПВ и ОГТ на поперечных волнах при интерпретации данных КМПВ методом однородных функций уверенно решает задачу выделения малоамплитудных разрывов в скальном основании Курской АЭС

Заключение

Исследована эффективность интерпретации данных инженерной сейсморазведки МПВ методом однородных функций Для этого произведена интерпретация данных методом однородных функций и выполнен сравнительный анализ результатов интерпретации на трех крупных объектах инженерных исследований на площадке под строительство бассейна суточного регулирования Зарамагской ГЭС в Северной Осетии, режимных наблюдениях на Даллагкаусском оползне (Северная Осетия) и при исследовании скального основания предполагаемой Курской АЭС - 2

Разрезы, вычисленные по 14-ти профилям общей длиной 2392 метра, сравнены

1 с разрезами 24 скважин

2. с разрезами, полученными по тем же профилям традиционными методами интерпретации

3 с глубинным разрезом ОГТ (Курская АЭС - 2)

4 между собой в точках пересечения профилей

На основании проведенного сравнительного анализа доказано, что метод однородных функций решает задачу полной автоматизации процесса обработки и интерпретации данных инженерной сейсмики, включая отождествление волн на годографах из разных источников на основе двухмерно-неоднородной модели среды

Исследованы погрешности определения скоростей и границ раздела слоев на разрезах, полученных методом однородных функций

Высокая геологическая информативность метода подтверждена выявлением погребенного оползня при исследовании площадки под строительство БСР в Северной Осетии

Показано, что методом однородных функций при интерпретации данных инженерной сейсморазведки в сложных геологических условиях и условиях горного рельефа устойчиво и практически однозначно определяются не только скорости и границы раздела слоев, но и градиенты скоростей - дополнительный параметр, характеризующий сейсмические разрезы, определяемый при использовании данного метода Показано также, что при интерпретации годографов волн методом однородных функций определяются границы раздела слоев различного рода - 1-го, 2-го рода и инверсионные границы раздела

На примере исследований скального основания в пределах вариантного пункта расположения Курской АЭС-2 можно утверждать, что использование метода однородных функций для построения сейсмических разрезов обеспечивает геологическую информативность и детальность разрезов, сопоставимую с аналогичными характеристиками разрезов, полученных по методике ОГТ При этом достаточно систем наблюдений, обычно применяемых в инженерной сейсмике

Для автоматизации выделения границ раздела и тектонических нарушений при геологической интерпретации разрезов, полученных методом однородных функций, и их визуализации были использованы современные методы грид-технологий Представление скоростного поля в виде поверхности с освещенным рельефом позволяет автоматически выделять на разрезах по методу ОФ границы раздела и разломы

Исследования эффективности и точности интерпретации методом ОФ на значительном объеме полевых материалах инженерной сейсморазведки выполнены впервые Они объективно подтверждают также высокую точность и геологическую информативность на

новом качественном уровне разрезов, построенных методом однородных функций не только для инженерных исследований, но косвенно и для региональных данных и по материалам глубинных сейсмических зондирований.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Наумов А Н, Пийп В Б Возможности обработки и интерпретация данных инженерной сейсмики методом однородных функций на примере исследований в Северной Осетии Пятые геофизические чтения имени В В Федынского 27 февраля- 01-марта 2003 г, ГЕОН, Москва Тезисы доклада

2 Наумов А II Эффективность интерпретации данных инженерной сейсморазведки методом однородных функций//Вестн МГУ Сер Геология - 2004-№1. - С. 83-92

3 Наумов А Н Эффективность применения метода однородных функций для обработки и интерпретации данных инженерной сейсморазведки на примере исследований участка под строительство БСР Зарамагской ГЭС XXIII Международная молодежная научно-техническая конференция «Гидроэнергетика в XXI веке» 6-10 сентября 2004 г Тезисы доклада

4 Пийп В.Б Наумов АН Автоматическая обработка и интерпретация данных инженерной сейсморазведки Между народная геофизическая конференция и Выставка "Москва-2003". 1-4 сентября 2003г. Тезисы доклада.

5 Пийп В Б. Наумов А Н Картирование оползней по данным инженерной сейсморазведки методом однородных функций Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 8-27 апреля 2003 г. Москва, тезисы доклада Изд. Моек Ун-та 2003

6 V В Piip. A N Naumov Refraction and CDP reflection shallow seismics lor detection oflou amplitude faults EAGE 66th Conference & Exhibition — Paris, France, 7-10 June 2004

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж 100 экз. Заказ № б-5

»16509

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Наумов, Алексей Николаевич

Введение.

Глава 1. Проблемы интерпретации данных инженерной сейсморазведки.

1.1. Задачи инженерной геофизики.

1.2. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии.

1.3. Методы интерпретации.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Эффективность применения метода однородных функций для решения задач инженерной сейсморазведки"

Автоматизация процесса обработки и интерпретации годографов преломленных волн вместе с переходом к двухмерно-неоднородным моделям сред является важной проблемой инженерной сейсморазведки. Одним из методов, решающих эти задачи, является метод однородных функций. Исследованию возможностей, эффективности и точности этого метода интерпретации при решении основных задач инженерной сейсморазведки - изучения разрезов при изысканиях под строительство, выявления погребенных оползней, изучения внутренней структуры известных оползней при режимных наблюдениях, изучения трещиноватости скальных массивов — посвящена данная диссертация. Одновременно задачей данной работы является исследование точности и геологической информативности метода однородных функций в целом, так как объектом изучения для инженерной сейсморазведки, является верхняя часть разреза, для которой самым подробным образом известна геология, обычно имеются данные значительного количества скважин, и применяется разнообразный комплекс геофизических исследований.

Основные задачи исследования.

1. Исследовать возможность метода однородных функций осуществить полную автоматизацию интерпретационного процесса, включая отождествление волн на годографах из разных источников, в условиях сложно построенных сред с горным рельефом, характерных для верхней части разрезов.

2. Изучить сравнительную эффективность, геологическую информативность и точность (путем сопоставления с данными скважин) разрезов, вычисляемых методом однородных функций и в сравнении с разрезами, полученными традиционными методами интерпретации, основанными на теории головных волн.

3. На полевых материалах показать новые возможности,: которые дает применение метода, при решении традиционных для инженерной сейсморазведки задач: выявлении погребенных оползней, исследовании строения известных оползней при режимных наблюдениях, исследовании состояния скальных массивов.

4. Исследовать, достаточны ли системы наблюдений, применяемые в инженерной сейсморазведке, для использования метода однородных функций.

5. Изучить эффективность применения современных средств визуализации разрезов и карт для выделения границ раздела, нарушений и надвигов на разрезах, полученных методом однородных функций.

Научная новизна.

Впервые на значительном объеме полевых сейсмических исследований произведен сравнительный анализ и изучены новые возможности метода однородных функций для решения разнообразных задач инженерной сейсморазведки в сравнении с традиционными методами интерпретации данных и данными скважин.

Для этого впервые:

1. На значительном объеме данных инженерной сейсморазведки исследованы сравнительная информативность и даны оценки точности вычисляемых автоматически разрезов, и проведено сопоставление разрезов с данными скважин.

2. Доказано на примере исследований в Северной Осетии, что методом однородных функций автоматически, однозначно и устойчиво, с высокой точностью определяются не только скорости, но и градиенты скоростей и положение границ раздела, что подтверждено данными большого количества скважин и сопоставлением разрезов в точках пересечения профилей.

3. Показано и подтверждено данными скважин, что в рамках этого метода по данным инженерного сейсмопрофилирования успешно определяются инверсионные границы раздела слоев (подошвы оползней, надвиги), слои с пониженной скоростью -волноводы, что невозможно при использовании методов, основанных на теории головных волн.

4. Доказана на примере исследований в Северной Осетии возможность выявления и картирования трехмерной структуры погребенного оползня-обвала при использовании метода однородных функций для интерпретации данных.

5. Установлено весьма хорошее соответствие в отношении информативности, детальности, определения границ раздела и малоамплитудных нарушений, между разрезами, полученными по методике ОГТ и разрезами, вычисленными по годографам преломленных волн методом однородных функций при обычно применяемой в инженерной сейсмике системе наблюдений на поперечных волнах.

6. Показаны целесообразность и эффективность использования современных грид-технологий для автоматического выделения границ раздела и нарушений на скоростных разрезах, построенных методом однородных функций.

Практическая ценность и личный вклад автора.

Исследования (обработка, интерпретация, сравнительный анализ, сбор материалов и доказательств) выполнены автором лично на базе современных полевых материалов, полученных в ЦСГНЭО (Центр Службы Геодинамических Наблюдений в Электроэнергетической Отрасли) при личном участии автора в полевых работах. Доказательства исключительной эффективности метода однородных функций, полученные автором исследования, показанные автором примеры и приемы практической реализации метода, помогут широкому использованию метода однородных функций в практике инженерной сейсморазведки.

Защищаемые положения

1. Метод однородных функций решает задачу полной автоматизации процесса обработки и интерпретации данных инженерной сейсмики, включая отождествление волн на годографах из разных источников на основе двухмерно-неоднородной модели среды.

2. Разрезы, получаемые методом однородных функций по данным инженерной сейсморазведки, обладают высокой точностью в определении скоростей и границ раздела слоев и высокой геологической информативностью при выявлении структур (оползней, крутых и пологих разломов, надвигов и малоамплитудных нарушений, зон трещиноватости)

3. Методом однородных функций при интерпретации данных инженерной сейсморазведки в сложных геологических условиях и условиях горного рельефа устойчиво и практически однозначно определяются не только скорости и границы раздела слоев, но и градиенты скоростей - дополнительный параметр, характеризующий сейсмические разрезы, определяемый при использовании метода.

4. Использование метода однородных функций для построения сейсмических разрезов обеспечивает геологическую информативность и детальность разрезов, сопоставимую с аналогичными характеристиками разрезов, полученных по методике ОГТ. При этом достаточно систем наблюдений, обычно применяемых в инженерной сейсмике.

5. Для автоматизации выделения границ раздела и тектонических нарушений при геологической интерпретации разрезов, полученных методом однородных функций, и их визуализации могут быть использованы современные методы грид-технологий.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Наумов, Алексей Николаевич

5.6. Выводы.

1. Разрезы МОГТ и КМПВ при интерпретации данных КМПВ методом однородных функций хорошо коррелируются, несмотря на то, что для их построения использованы разные типы волн (отраженные и преломленные), для которых лучи распространяются в разрезе по существенно разным направлениям, а также использованы существенно разные системы наблюдений.

2. На основе сопоставления разреза ОГТ и разреза, полученного методом однородных функции, выделены совпадающие на обоих разрезах слои и система малоамплитудных нарушений, которая разбивает выделенные слои на множество блоков.

3. Комплекс КМПВ и ОГТ на поперечных волнах при интерпретации данных КМПВ методом однородных функций уверенно решает задачу выделения малоамплитудных разрывов в скальном основании предполагаемой Курской АЭС - 2.

4. На разрезе по данным КМПВ, полученном методом однородных функций, удалось проследить тонкую слоистость разреза благодаря дифференцированию поля скорости и изображению разреза вертикального градиента скорости в виде поля значений градиента с оттененным рельефом.

Заключение.

Исследована эффективность интерпретации данных инженерной сейсморазведки МПВ методом однородных функций. Для этого произведена интерпретация данных методом ОФ и выполнен сравнительный анализ результатов интерпретации на трех крупных объектах инженерных исследований: на площадке под строительство бассейна суточного регулирования Зарамагской ГЭС в Северной Осетии, режимных наблюдений на Даллагкаусском оползне (Северная Осетия) и при исследовании скального основания предполагаемой Курской АЭС - 2. Разрезы, вычисленные по 14 профилям общей длиной 2392 метра, сравнены:

1. с разрезами 24 скважин;

2. с разрезами, полученными по тем же профилям традиционными методами интерпретации;

3. с разрезом ОГТ (Курская АЭС - 2);

4. между собой в точках пересечения профилей.

На основании проведенного сравнительного анализа доказано, что метод однородных функций решает задачу полной автоматизации процесса обработки и интерпретации данных инженерной сейсмики, включая отождествление волн на годографах из разных источников на основе двухмерно-неоднородной модели среды. Исследованы погрешности в определении скоростей и границ раздела слоев на разрезах, полученных методом однородных функций, которые подтвердили высокую точность построенных разрезов. Высокая геологическая информативность метода позволила выявить погребенный оползень при исследовании площадки под строительство БСР в Северной Осетии. Показано, что методом однородных функций при интерпретации данных инженерной сейсморазведки в сложных геологических условиях и условиях горного рельефа устойчиво и практически однозначно определяются не только скорости и границы раздела слоев, но и градиенты скоростей - дополнительный параметр, характеризующий сейсмические разрезы, определяемый при использовании данного метода. Показано также, что при интерпретации годографов волн методом однородных функций определяются границы раздела слоев различного рода - 1-го, 2-го рода и инверсионные границы раздела. На примере исследований скального основания в пределах вариантного пункта расположения Курской АЭС-2 можно утверждать, что использование метода однородных функций для построения сейсмических разрезов обеспечивает геологическую информативность и детальность разрезов, сопоставимую с аналогичными характеристиками разрезов, полученных по методике ОГТ. При этом достаточно систем наблюдений, обычно применяемых в инженерной сейсмике. Для автоматизации выделения границ раздела и тектонических нарушений при геологической интерпретации разрезов, полученных методом однородных функций, и их визуализации были использованы современные методы грид-технологий. Такие технологии на полевых материалах инженерной сейсморазведки использованы впервые. Полученные данные объективно подтверждают также высокую точность и геологическую информативность на новом качественном уровне разрезов, построенных методом однородных функций в целях инженерных исследований.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Наумов, Алексей Николаевич, Москва

1. Алексеев А.С., Лаврентьев М.М., Мухометов Р.Г. и др. Численный метод определения скоростей сейсмических волн в верхней мантии Земли. Математические проблемы геофизики. Новосибирск 1971г., вып.2.

2. Васина Е.В., Пийл В.Б., Мелихов В.Р. Строение фундамента Московской синеклизы по данным современной сейсмической интерпретации. ГАНГ, XIV Губкинские чтения, Тезисы докладов. 15-17 октября, Москва 1996.

3. Волох А.Л., Пийп В.Б. Переинтерпретация сейсмических данных в районе Курило-Камчатского желоба. Сборник тезисов. Международная геофизическая конференция и выставка Москва'97, 16-18 сентября 1997г.

4. Геофизические исследования скальных оснований гидротехнических сооружений. Под ред. А.И. Савича. М., 1983. - С. 167 (труды «Гидропроекта»; Вып. 89).

5. Гонтовая Л.И., Ефимова Е.А., Костюкевич С.А., Пийп В.Б. Сейсмический разрез вулкана Авачинский по данным МПВ-ГСЗ. Известия Академии наук. Серия Физики Земли Геологическая. 1990, № 3, с 73-82.

6. Горяинов Н.Н., Ляховицкий Ф.М. Сейсмические методы в инженерной геологии. -М.: Недра, 1974.

7. Дитмар П. Г., Рослов Ю. В., Чернышев М.Ю. "Пакет программ для интерпретации времен пробега сейсмических волн методом сейсмотографии.", Изд-во ЛГУ, 1993 г. 120с.

8. Елкин В.П. "Уточнение инженерно-геологических условий на участках бассейна суточного регулирования (БСР), здания ГЭС-1 и напорных трубопроводов Зарамагской ГЭС". Предварительный отчет. М., 2002. Фонды ЦСГНЭО.

9. Епинатьева A.M. Физические основы сейсмических методов разведки. М.: Изд. МГУ, 1970. - 106 с.

10. Епинатьева A.M., Литвин АЛ., Цванкин И.Д. Новые возможности обработки данных КМПВ на ЭВМ. Прикладная геофизика, вып. 103. 1982, с. 61-69.

11. Ермаков А.П., Пийп В.Б трехмерная сейсмогеологическая модель зоны сочленения Черноморской впадины и юга Крымского п-ова. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 8-27 апреля 2002 г., Москва, тезисы доклада. Изд. Моск. Ун-та.2002.

12. Ефимова Е.А., В.Б. Пийп. Томографическое уточнение двухмерно-неоднородных разрезов на криволинейных лучах. Тезисы докладов. Международная геофизическая конференция и выставка Санкт-Петербург'95, 10-13 июля 1995.

13. Зарамагская ГЭС Ардонского каскада. Технический проект. Том III. Природные условия. Книга 3. Инженерно-геологические условия. Ереван, 1977. Фонды «Гидропроекта».

14. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений/ А.И. Савич, Б.Д. Куюнджич, В.И. Коптев и др. -М.: Недра, 1990.-462 с.

15. Мелихов В.Р., Пийп В.Б. Сейсмо-грави-магнитные модели фундамента центральной части Московской синеклизы. Третьи Геофизические чтения имени В.В. Федынского 22-24 февраля 2001 г, ГЕОН, Москва тезисы доклада.

16. Мелихов В.Р., Пийп В.Б. Сейсмо-грави-магнитные модели фундамента центральной части Московской синеклизы. Геофизика XXI столетия 2001 год. Сборник трудов третьих геофизических чтений имени В.В.Федынского. Москва, Научный мир, 2001 с 38-42.

17. Мелихов В.Р., Пийп В.Б., Гилод Д А., Булычев А.А. Изменчивость структуры Средне-Русского рифта вдоль простирания. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 8-27 апреля 2002 г., Москва, тезисы доклада. Изд. Моск. Ун-та.2002.

18. Мелихов В.Р., Пийп В.Б., Гилод ДА., Булычев А.А. Неоднородности внутренней структуры Среднерусского рифта Московской синеклизы. Четвертые геофизические чтения имени В.В. Федынского 28 февраля 02 марта 2002 г, ГЕОН, Москва. Тезисы доклада.

19. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии/ B.C. Матвеев, В.Н.

20. Чубаров, Г.Я. Черняк и др. М.: Недра, 1985. - 184 с.

21. Наумов А.Н. Эффективность интерпретации данных инженерной сейсморазведки методом однородных функций// Вестн. МГУ. Сер. Геология. 2004. - №1. -С.83-92.

22. Неоднородность кристаллического фундамента по сейсмическим данным/ Под ред. А.М. Епинатьевой, А.В. Николаева. М.: Наука, 1977. - 122 с.

23. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. М: Изд. МГУ, 1981. 176 с.

24. Отчет об опытно методических сейсморазведочных работах в Курской области в 2001г. ЦСГНЭО. 2001г.

25. Отчет о проведении геофизических работ на оползнях в Республике Северная Осетия Алания в 2002г. ЦСГНЭО. 2002г.

26. Отчет о проведении геофизических работ на участке БСР в Республике Северная Осетия Алания в 2002г. ЦСГНЭО. 2002г.

27. Панченко И.П. Современные опасные геологические процессы в горной части Республики Северная Осетия Алания. Дис. канд. г.-м. наук. Северо-Осетинского Государственного Университета им. К.Л. Хетагурова. Москва. МГУ, 1999.

28. Пийп В.Б. Новые методы интерпретации сейсмических временных полей в средах с переменными скоростями// Вестн. МГУ. Сер. Геология. 1984. - №3. - С. 83-92.

29. Пийп В.Б. Кинематика сейсмических волн в средах с однородной функцией скорости. Учебное пособие. 1999.

30. Пийп В.Б. Локальная реконструкция сейсмического разреза по данным преломленных волн на основе однородных функций. Известия АН СССР, Физика Земли, №10, 1991.

31. Пийп В.Б. Структура коры и верхней мантии Охотского моря по сейсмическим данным. Сб. трудов Четвертых геофизических чтений им. В.В. Федынского.

32. Геофизика XXI столетия. 28 февраля 02 марта 2002 г. Москва. Научный мир, 2002, с 137-142.

33. Пийп В.Б. Способ определения разреза в изолиниях скорости по годографам рефрагированных волн. Изв.АН СССР. Физика земли, № 8, 1978.

34. Пийп В.Б. Использование однородных функций для аппроксимации сейсмического скоростного разреза Физика Земли №. 7, 1981, с83-91.

35. Пийп В.Б. Упрощенный способ построения разреза в изолиниях скорости погодографам первых волн// Прикладная геофизика. 1982. Вып. 105. С 82-88.

36. Пийп В.Б., Ефимова Е.А. Определение скоростных разрезов по материалам инженерной сейсморазведки. Вестник Моск. Ун-та. Сер. 4, Геология, 1985, № 3.

37. Пийп В.Б., Ефимова Е.А. Восстановление поля скорости по данным инженерной сейсморазведки/Известия ВУЗ-ов Геология и разведка, 1983, № 9,с 51-56.

38. Пийп В.Б., Першуткина А.М., Мамулов. Автоматизированное построение разрезов в сложных неоднородных средах. Сборник научных трудов Гидропроекта. 1986, вып. 114, с 46-50.

39. Пийп В.Б., Кузуб О.В., Алексинская Е.В., Крылов Д.С. Детальные двухмерно-неоднородные разрезы по преломленным волнам на территории Москвы. Вестник Моск. Ун-та. Сер. 4, Геология, 1988, № 4, с 66-71.

40. Пийп В.Б., Ефимова Е.А. Сейсмические разрезы земной коры под вулканами Камчатки. Известия Академии наук. Серия геологическая. 1992, №11, с 140-147.

41. Пийп В.Б., Васина Е.В., Мелихов В.Р. Трехмерная структура кристаллического фундамента Московской синеклизы по сейсмическим данным. Тезисы докладов, Ломоносовские чтения, Москва, МГУ, Апрель 1997.

42. Пийп В.Б. Глубинное строение Сахалина по данным двухмерной сейсмической интерпретации. Тезисы докладов. Ломоносовские чтения, Москва, МГУ, 23-29 апреля, Москва, 1996, с. 150-151.

43. Пийп В.Б. Исследование на моделях устойчивости и однозначности решений обратной кинематической задачи методом однородных функций. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения" 23-28 апреля 1999 г., Москва, тезисы доклада.

44. Пийп В.Б., Ефимова Е.А., Гонтовая Л.И. Интерпретация сейсмических годографов по профилю в районе Ключевской группы вулканов. Вулканология и сейсмология, 1991 г. №6, с 63-70.

45. Пийп В.Б. Наумов А.Н. Автоматическая обработка и интерпретация данных инженерной сейсморазведки. Международная геофизическая конференция и Выставка «Москва-2003». 1-4 сентября 2003г: Тезисы доклада.

46. Пийп В.Б., Наумов А.Н. Картирование оползней по данным инженерной сейсморазведки методом однородных функций. Ежегодная научная конференция «Ломоносовские чтения», 8-27 апреля 2003 г., Москва, тезисы доклада. Изд. Моск. Ун-та. 2003.

47. Пийп В.Б., Мелихов В.Р. Глубинное строение земной коры по геотраверсу Черное море Азовское море. Ежегодная научная конференция «Ломоносовские чтения» 19-27 апреля 2001 г., Москва. Тезисы доклада. Изд. Моск. Ун-та. 2001.

48. Пийп В.Б., Родников А.Г. Структура коры и верхней мантии Охотского моря по сейсмическим данным. Четвертые геофизические чтения имени В.В. Федынского, 28 февраля 02 марта 2002 г, ГЕОН, Москва тезисы доклада.

49. Пилипенко В.Н. Обработка материалов КМПВ на ЭВМ.-В кн.: Обработка и интерпретация результатов геофизических исследований, Киев, Техника, 1976.

50. Применение геофизических методов для изучения скальных оснований/ Под ред. А.И. Савича. М., 1986. 167 с. (Труды «Гидропроекта»; Вып. 114).

51. Рекомендации по изучению напряженного состояния пород сейсмоакустическими методами/ Под ред. А.И. Савича, Б.Д. Куюнджича. Москва - Белград: Изд. «Гидропроекта», 1986. - 82 с.

52. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород/ А.И. Савич, В.И. Коптев, В.Н. Никитин, З.Г. Лщенко. М.: Недра, 1969. 239 с.

53. Соколов Б.А., Пийп В.Б., Ефимова Е.А. Строение фундамента центральной части Восточно-Европейской платформы по сейсмическим данным. Доклады Академии Наук, 1994, том 336, №1, с 93-98.

54. Соколов Б.А., Пийп В.Б., Ефимова Е.А. Строение земной коры Баренцева моря и севера Западной Сибири по сейсмическим данным. Доклады Академии Наук, 1995, №5,с 687-691.

55. Теплякова А.С., Агибалова В.В. Структурно тектонический фактор развития оползневых процессов в горной части Северной Осетии. Вестник Московского Университета. Сер. 4., Геология, № 3, 1984.

56. Финкилыптейн М.И., Кутепов В.А., Золотарев В.П Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. — М.: Недра, 1986.

57. Черняк Т.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. -М.: Недра, 1987.

58. Arandjelovich D. Geofizika u gradevinarstvu// Vesnik Zavoda za geoloska i geofizika intrazivanja. Kn. X/XI. S. C. Beograd: Primenjena geofizika 1969/1970.

59. Cerveny V., Molotkov I. and Psencik I. 1977. Ray Methods in Seismology, University of Karlova, Prague, Czechoslovakia.

60. Efimova E.A. and Piip V.B., 1992, Rift structure in Barents Sea from new interpretation of deep seismic sounding (DSS) data, 54th Mtg.: European Association of Exploration Geophysics, 650-651.

61. Gylyjov R.M. and Piip V.B. Automatic processing and interpretation of engineering seismic data in mountain Caucasus area. EAGE 64th Conference & Exhibition — Florence, Italy, 27 -30 May 2002.

62. Makris J., Nikolova S., Ilinski D. and Chonia T. 2D and 3D active tomography of Kos-Nisyros volcanic area (East Aegean sea) defining of high velocity intrusions. EAGE 65th Conference. Stavanger, Norway, 2-5 June 2003.

63. Ocola L.C. A nonlinear least squares method for seismic refraction mapping - Part I: Algorithm and Procedure. - «Geophysics», vol. 37. No 2, 1972, p 260-272.

64. Ocola L.C. A nonlinear least — squares method for seismic refraction mapping Part II: Model studies and performance of Reframap Method - «Geophysics», vol. 37. No 2, 1972, p 273-287.

65. Piip V.B. Seismic Refraction Investigation of Salair Multimetalic Deposit. Extended Abstracts of Papers. European Association of Exploration Geophysics.: 57th Meeting Glasgow, UK, May 1995 P077.

66. Piip V.B., Efimova E.A. Investigation of deep structure of the Eastern European Platform using seismic refraction data. From Wessely & Liebl, W. (eds), 1996, "Oil and Gas in

67. Alpidic Thrust belts and Basins of Central and Eastern Europe", EAGE Special publication No 5, pp283-288.

68. Piip V.B. Deep Seismic Refraction Cross Sections of Sakhalin and Near Areas on the Data of Reinterpretation Using 2-D Inversion Method. 30th International Geological Congress. Abstracts, vol 3, Beijing, China, 4-14 August 1996.

69. Piip V.B. Deep Seismic refraction Cross Section of Sakhalin (Russia) on the data of reinterpretation using 2-d inversion method. Proceeding 30th International Congress, vol 20,1997 pp 11-21.

70. Piip V.B. New Imaging Technique for Seismic Refraction Data and Deep Structure of Two Main Kamchatkan Volcanoes (Russia). Abstracts of Mathematical Geophysical Symposium, June 17-21, 1996, Santa Fe, New Mexico.

71. Piip V.B. and Lebedeva, E.M., 1998, Imaging of Rockslides by Means of Seismic Refraction Inversion Using Homogeneous Functions, 60th Mtg.: European Association of Geoscientists and Engineers, Session: PI22.

72. Piip V.B. Refraction travel-time inversion for 2D velocity structure using homogeneos functions. EAGE 62nd Conference and Technical Exhibition — Glasgow, Scotland, 29 May 2 June, 2000

73. Piip V.В., Melikhov V.R., Vassina E.V. and Efimova E.A. Structural evolution of the Mid-Russian aulacogen using origin method of seismic inversion. EAGE 62nd Conference and Technical Exhibition — Glasgow, Scotland, 29 May 2 June 2000.

74. Piip V.B. 2D inversion of refraction travel-time curves using homogeneous functions. Geophysical prospecting. 49, 2001, p 461-482.

75. Piip V.B. and Volokh A.L. Structure of crust of Kuril-Kamchatka region from 2-d interpretation of refraction data. EAGE 63rd Conference & Technical Exhibition — Amsterdam, The Netherlands, 11-15 June 2001.

76. Piip V.B. 2-D inversion of refraction travel-time curves using homogeneous functions. Extended Abstracts of Papers. 59th Conference of European Association of Geoscientists and Engineers.26-31 May 1997. Geneva.

77. Piip V.B. and Belousov A.B. 2D interpretation of shallow refraction seismic: structure of the 1912 ash flow, Alaska. EAGE 65th Conference & Exhibition — Stavanger, Norway, 2 5 June 2003.

78. Piip V.B. and Ermakov A.P. Seismic and geological mode of zone of joint of Black Sea Basin and Southern Crimea. EAGE 65th Conference & Exhibition — Stavanger, Norway, 2-5 June2003.

79. Piip V.B, Rodnikov. The Sea of Okhotsk crust from deep seismic sounding. Russian Journal of Earth Sciences. February 2004.

80. V.B. Piip, A.N. Naumov. Refraction and CDP reflection shallow seismics for detection of low amplitude faults. EAGE 66th Conference & Exhibition — Paris, France, 7-10 June 2004

81. R Sule, C. Hauck and M. Jaya. The utilization of seismic tomographic imaging in permafrost monitoring. EAGE 64th Conference. Florence, Italy, 27-30 May 2002.

82. Rudolf K. Fruhwirth. Joining of tomographing methods for resolving surface to tunnel data. EAGE 64th Conference. Florence, Italy, 27-30 may 2002.

83. Stapledon D.H., Rissler Р/ Site Exploration and Evaluation. General Report of Theme. A. Proceedings of the 5th Congress ISRM. Melbourne, 1983.

84. Telfold M.W., Geldart L.P., Sheriff R.E., Keys D.A. Applied geophysics. Cambridge: University Press, 1976.

85. Tamas Ormos. Inversion of refracted travel-times for near-surface inverstigation. EAGE 64th Conference. Florence, Italy, 27-30 May 2002.

86. Vassina E.V., Piip V.B., Melikhov V.R. Deep Structure of the Central Part of Russian Platform from Seismic Refraction Studies. Abstracts of Oral and Poster Presentations. Strasbourg-France, 23-27 March 1997.

87. Volokh A.L., Piip V.B., Neprochnov Yu.P. & Semenov G.A. The Structure of Komandorsky Basin of the base of Seismic Data. Abstracts of Oral and Poster Presentations. Strasbourg-France, 23-27 March 1997.

88. Zelt C. A. and Smith R. B. 1992. Seismic travel-time inversion for 2D crystal velocity structure. Geophysical Journal International 108, 16-34.