Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное исследование эффективности комплексирования сейсморазведки на отраженных SH-волнах и георадарного профилирования при картировании кровли карбонатных пород на территории крупных городов

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Анур Абделькадер, Москва

ЦЦ ~ ^ ^ УЯ'^ - С?"

ч/ V / , и' \,/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК.550.834.5:550.837.75

АНУР АБДЕЛЬКАДЕР

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ НА ОТРАЖЕННЫХ БН-ВОЛНАХ И ГЕОРАДАРНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ ПРИ КАРТИРОВАНИИ КРОВЛИ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД НА ТЕРРИТОРИИ КРУПНЫХ ГОРОДОВ

Специальность 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, Профессор А. В. КАЛИНИН

МОСКВА, 1999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение..................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задачи........................8

1.1 Типичные сейсмогеологические условия задачи картирования кровли карбонатных пород..............................................................................9

1.2 Геоэлектрические условия.............................................................................11

1.2.1 Электрофизические свойства горных пород.......................................11

1.2.2 Георадиолокационные модели среды.....................................................25

1.3 Концепция комплексирования сейсморазведки и георадиолокационных исследований для картирования кровли карбонатных отложений..................................................................................26

1.3.1 Постановка задачи исследований............................................................27

1.3.2 Комплексирование методов сейсморазведки и георадиолокации при решении поставленной задачи............................................................28

1.4 Сейсмические методы исследований.............................................................30

1.4.1 Метод преломленных волн..........................................................................32

1.4.2 Метод отраженных волн...........................................................................34

1.4.3 Требования к аппаратуре при малоглубинных сейсмических исследованиях...................................................................................................38

1.5 Георадиолокационный метод исследований................................................42

1.5.1 Круг задач, решаемых с помощью георадара........................................43

1.5.2 Принципы и ограничения метода георадиолокационных исследований.....................................................................................................44

1.5.3 Распространение электромагнитных волн в реальных средах........46

1.5.4 Некоторые примеры применения георадарного метода...................49

1.5.5 Аппаратурно-технологическая база георадиолокационного метода..........................................................................................55

ГЛАВА 2. Сейсмические исследования на отраженных 8Н-волнах для картирования кровли карбонатов в условиях московского разреза...............................................67

2.1 Обоснование методики работ на БН-волнах...............................................67

2.2 Система наблюдений.........................................................................................69

2.3 Аппаратура для сейсмических исследований.............................................78

2.4 Обработка сейсмического материала...........................................................79

ГЛАВА 3, Георадиолокационные исследования. 84

3.1 Методика георадарных исследований...........................................................84

3.2 Аппаратура для георадиолокационных исследований.............................99

3.3 Обработка материалов георадарных исследований...............................101

3.4 Описание результатов георадиолокации...................................................103

3.5 Скоростной анализ георадиолокационных данных и привязка отражений по глубине.......................................................................................103

ГЛАВА 4. Комплексная интерпретация и построение карты

кровли известняков......................................................................ш

4.1 Методика проверки достоверности построений рельефа кровли карбонатов по данным сейсмических исследований............................106

4.2 Методика проверки достоверности построений рельефа кровли карбонатов по данным георадиолокационных исследований.............107

4.3 Сравнительный анализ поля отраженных упругих и электромагнитных волн, порождаемого кровлей карбонатов...........ill

4.4 Основные принципы совместной интерпретации сейсмических и георадарных данных.........................................................................................112

4.5 Краткий очерк геологического строения района исследований.......113

4.6 Корреляция сейсмических и георадарных результатов.......................119

4.7 Результаты: построение карты рельефа кровли карбонатов и привязка к скважинам..................................................................................127

Заключение...................................................................................................................ш

Литература.......................................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Основной целью инженерно-геологических исследований в городских агломерациях является комплексная оценка геологических факторов, оказывающих влияние на осуществление инженерных мероприятий, связанных с различными видами строительства, и разведкой, и т.д. При этом должны быть получены сведения о составе пород и условиях их залегания, гидрогеологических и геокриологических условиях, современных геологических процессах и физико-механических свойствах пород. Полнота указанных сведений, точность определения отдельных параметров, глубинность исследований и т.д. зависят от назначения и стадии инженерно-геологических работ, а также от геологических особенностей изучаемой территории.

В целом перед инженерно-геологических исследованиями ставятся многочисленные и весьма разнообразные задачи, которые можно объединить в три группы [Н. Н. Горяинов, и др.(1979). В. Н. Никитин, (1981). Ф. М. Ляховицкий, и др.( 1989) ]:

1. Задачи, связанные с изучением строения участка исследований, т.е. с выделением и прослеживанием границ - литологических, гидрогеологических, геокриологических тектонических и т.д.

2. Задачи, связанные с оценкой состава, состояния и физико-механических свойств пород, слагающих разрез на участке исследования;

3. Задачи, связанные с изучением характера изменения инженерно-геологических условий, т.е. с изучением процессов - современных геологических и инженерно-геологических.

В эти группы входят также задачи, возникающие при некоторых других видах работ, нередко проводящихся в рамках инженерно-геологических исследований - поисках и разведке месторождений строительных материалов,

контроле эффективности искусственного закрепления грунтов, оценке разрабатываемости горных пород и т.д.

Одной из широко распространенных задач является изучение кровли карбонатных отложений под рыхлыми осадками при проектировании разнообразных строительных работ и других инженерных мероприятий.

Актуальность темы. Проблемы и задачи изучения верхней части разреза, когда карбонатные породы, осложненные карстовыми явлениями и тектоническими нарушениями, залегают на глубине 15 - 30 м от поверхности (подходят близко к поверхности), остро стоят для многих регионов. В широко распространенном случае, когда эта ситуация существует в пределах крупных городов и промышленных агломераций, задача изучения кровли карбонатов приобретает особо важное значение не только с инженерной, но и с экономической и экологической точек зрения. До недавнего времени основным геофизическим инструментом для решения этих проблем являлся сейсмический метод первых вступлений с использованием головных или рефрагированных волн. Однако в условиях городских агломераций использование этого метода в большинстве случаев ограничено ситуациями, когда мощность покрывающих карбонаты отложений не превышает 5-8 метров. При больших глубинах залегания кровли карбонатов для проведения работ МПВ требуются профили, длина которых должна превышать глубину залегания минимум в 3-4 раза, что далеко не всегда возможно в городских условиях.

Совершенствование аппаратурно-методической базы сейсмических методов и развитие приемов обработки данных позволяют сейчас решать эти проблемы с помощью отраженных сдвиговых волн.

С другой стороны, в последние 5-7 лет бурно развивается георадарный метод исследования приповерхностной части разреза. Этот метод отличается высокой производительностью наблюдений в режиме пешеходной съемки,

высокой разрешающей способностью. При этом результаты георадиолокации по структуре волнового поля весьма сходны с результатами сейсморазведки на постоянных базах. Однако глубинность георадиолокационного метода в сильной степени зависит от электрофизических свойств пород и не превышает 30 метров.

Таким образом, в указанном диапазоне глубин возникают предпосылки для комплексного использования сейсморазведки и георадиолокации с целью достижения высокой производительности и необходимой надежности интерпретации полученных результатов по каждому из методов.

Целью работы является экспериментальное изучение эффективности комплексирования сейсморазведки на отраженных БН-волнах и георадарного профилирования для решения поставленной задачи, а также разработка методов комплексной интерпретации результатов. В случае положительного результата возможно обеспечить экономию средств на проведение работ путем сокращения объемов бурения и сейсморазведки как наиболее трудоемкого из рассматриваемых методов за счет использования георадиолокации, обеспечить повышение информативности исследований и достоверность конечного результата за счет комплексирования независимых геофизических методов.

В рамках этого подхода сейсмические наблюдения на отраженных сдвиговых волнах могут использоваться в относительно малых объемах для получения опорной сети профилей. Георадиолокационные исследования могут быть проведены по густой сети профилей, обеспечивающей построение карты поверхности карбонатов.

Ряд примеров, иллюстрирующих различные положения диссертационной работы, взят из материалов комплексных геофизических исследований кровли карбонатов на одной из строительных площадок г. Москвы.

Научная новизна работы. Впервые экспериментально показана эффективность комплексирования сейсморазведки на отраженных SH-волнах и георадарного профилирования при решении инженерно-геологических задач в условиях, когда над толщей карбонатных пород залегают песчано-глинистые отложения.

Экспериментально проверены необходимые и достаточные условия для успешного комплексирования сейсморазведки на SH-волнах и георадиолокации. Достоверность сделанных построений кровли карбонатов заверена бурением.

Практическая значимость работы. Предложен и разработан инструмент, который позволяет резко сократить финансовые и временные затраты при решении инженерно-геологических задач в условиях города, и построить карту рельефа кровли карбонатов с такой детальностью и точностью, которой нельзя достигнуть даже при большом объеме бурения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на конференции "Ломоносовские чтения - 99" геологического факультета МГУ, на заседании кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ.

Публикации. Основные научные положения диссертации, результаты исследований освещены в 2 печатных работах.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения; содержит 139 страниц машинописного текста, в том числе 43 рисунка, 11 таблиц и список литературы из 67 наименований.

Работа выполнена автором на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору A.B. Калинину за постоянную помощь, поддержку, участие и полезные советы.

Автор выражает также свою искреннюю благодарность кандидату геол.-мин. наук, доценту М. Л. Владову , кандидату геол.-мин. наук с.н.с. А. В. Старовойтову, кандидату геол-мин. наук, доценту Л. М. Кульницкому , ст. преподавателю М. Ю. Токареву за плодотворное сотрудничество и полезные советы, здоровую критику и оказанную ценную помощь при выполнении работы, а также, всем, без исключения, сотрудникам кафедры сейсмометрии и геоакустики.

ГЛАВА I.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Цель настоящей главы состоит в том, чтобы дать общие представления о роли, возможностях и состоянии сейсмических и георадарных методов при решении задач инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии.

В большинстве случаев объекты исследований при решении таких задач приурочены к интервалу глубин от нуля до первых десятков метров. Этот интервал глубин или область вблизи поверхности земли весьма условно называют верхней частью разреза (ВЧР).

Одним из важнейших условий успешного решения задач исследования верхней части разреза является выбор оптимального метода или комплекса методов исследований с учетом потенциальных возможностей каждого метода, в том числе и с точки зрения их информативности и совместимости разнородных данных.

Необходимо очертить круг моделей среды, для которых предлагаемый комплекс наиболее эффективен. Существуют две характерные ситуации:

- под толщей песков, супесей и суглинков, как правило, ледникового происхождения поверхность карбонатных пород перекрыта мощной (до 10 и более метров) толщей глин (для Москвы это плотные юрские глины);

- толща песков, супесей и суглинков залегает либо непосредственно на кровле карбонатных пород , либо между ними имеется маломощный (до 2-3 метров) слой глин.

Предлагаемые комплексные геофизические исследования нацелены на решение задач картирования кровли карбонатов именно в второй ситуации, поскольку, во-первых, именно в этой ситуации наиболее остро стоят вопросы активного карстово-суффозионного разрушения карбонатов, в том числе, за

счет техногенных воздействий, а во-вторых, мощные толщи глин создают экран для электромагнитных волн метрового диапазона, используемого в современной георадиолокации.

По мере развития этих методов исследования ВЧР повышается эффективность и информативность, детальность и разрешающая способность, развивается аппаратурно-техническое обеспечение и теоретическая база.

1.1. ТИПИЧНЫЕ СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАДАЧИ КАРТИРОВАНИЯ КРОВЛИ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД.

Физической основой использования сейсмических методов для изучения структурных особенностей разреза является то, что сейсмические границы чаще всего достаточно хорошо отображают особенности строения изучаемого массива. Сейсмическая граница, сейсмические неоднородности и любые другие объекты в разрезе, отображаемые в поле сейсмических волн связаны с контрастом акустической жесткости в разрезе. Акустической жесткостью называется произведение значения скорости распространения упругих волн на плотность среды.

Ниже приводятся типичные сейсмогеологические условия на примере

одного из участков г. Москвы.

По данным предварительного бурения в непосредственной близости от исследуемого участка разрез состоит из песчано-глинистых ледниковых отложений, перекрывающих кровлю карбонатных пород, мощностью 20 -30 м. По данным многих авторов [Ф. М. Ляховицкий, и др. (1989). А. А. Огильви (1990)] скорость распространения упругих волн в этих отложениях сильно меняется в зависимости от литологии и водонасыщения (см. таб.9). Контраст акустических свойств и отражательная способность поверхности карбонатов в большой степени зависят от конкретного строения

покрывающей толщи, степени разрушенности кровли карбонатов процессами выветривания и будут различными для продольных и поперечных (сдвиговых) волн.

На основании данных предварительного бурения, справочных данных и анализа типичных ситуаций было построено 4 сейсмогеологических модели среды для кровли карбонатов, перекрытой песчано-глинистой ледниковой толщей. Принципиальными отличиями моделей друг от друга являются влагонасыщение и степень нарушенности кровли карбонатов.

.Цитологические и сейсмические характеристики моделей приведены на рисунке (1) и в таблицах (1-6). Каждая таблица представляет собой набор упругих параметров для пород, типичных для указанных сейсмогеологических условий: скоростей распространения продольных (Ур) и поперечных (Уб) волн, коэффициентов отражения этих волн для нормального падения и коэффициентов затухания. Разрез состоит из серии песчано-глинистых отложений, залегающих над карбонатными породами, располагающимися на глубинах 25-30 м.

модель №:1 (таблица 1). В этой модели все рассматриваемые породы являются сухими и карбонатные породы находятся в хорошем состоянии.

модель №2, (таблица: 2) отличается от модели № 1 только тем, что карбонатные породы разрушены.

модель №3. (таблица: 3) в данном случае модель является аналогом модели № 1, разница заключается в том, что породы, покрывающие кровлю прочных карбонатов, и сами карбонаты являются водонасыщенными.

модель № 4, (таблица: 4) аналогична модели №2 ( карбонаты разрушены), но при этом все породы являются водонасыщенными.

1.2 . ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Здесь рассматрива�