Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогнозирование верхней части геологического разреза методами высокоразрешающей многоволновой сейсморазведки

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

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование верхней части геологического разреза методами высокоразрешающей многоволновой сейсморазведки"

с с."-

^ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

СО

УДК.550.034 На правах рукописи

Дмитриев Александр Георгиевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА МЕТОДАМИ ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕЙ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Иркутск - 1995

Рьботл Ьииолнена »а кафедре геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Иркутского ордена Трудо-юги Красного Знамени Государственного Технического Университета.

Официальные оппоненты: с

- Доктор технических наук, профессор Л.Д.Гик

- Доктор геолого - минералогических

наук, профессор ' М.М.Мандельбаум

- Доктор геолого - минералогических

наук В.А.Потапов

Ведущая организация: Восточно Сибирский Трест инженерно- ' -строительных изысканий

Защита состоится июня 1995 г. в/^ часов.

на заседании Специалиеированного совета по защитам Д.063.71.02 при Иркутском ордена Трудового Красного Знамени Государственном Техническом Университете по адресу:

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ауд. Е-301.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИрПУ. Автореферат разослан' апреля 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного

Совета по защитам, кандидат геолого - /у*/у

минералогических наук, профессор А.А.Шиманский

ВВЕДЕНИЕ (общая характеристика работы) Потенциальные возможности геофизических методов на ''стременном этапе их технического развития, связанные с внедрением цифровой регистрации и автоматизированной обработки, обусловили формирование нового научного направления - прогнозирования гео/о-гического разреза (ИГР), заключающегося в создании комплекса методов и приемов извлечения из геофизической информации данных о вещественном составе, физическом состоянии и детальном строении среды. В последнее время в рамках ИГР все большее значение приобретают комплексные геофизические исследования, нацеленные на изучение верхней части геологического разреза (ВЧР). При этом в зависимости от решаемых задач ВЧР представляет собой либо непос редственный объект исследований, либо является помехой, существенно искажающей регистрируемые поля.

Актуальность. Интерес к изучению ВЧР, роль этих исследований постоянно возрастают в связи с практическими потребностями освоения новых территорий, промышленного и гражданского строительства, сельскохозяйственной деятельности, а также решения проблем техногенного воздействия на геологическую среду. Исследования С.А.Богословского, В.И.Бондарева. Г.С.Вахромеева, Н.Н.Го-ряйнова, В.И.Джурика, Ю.Л.Зыкова, Ф.М.Ляховицкого, В.Н.Никитина, А.А.Огильви, А.И.Савича, В.К.Хмелевского и др. обеспечили н\ основе системного подхода к объектам исследования и комплексного применения методов различной физической и технологической природы разработку общих методологических принципов применения целевых геофизических комплексов, нацеленных на решение широкого спектра прикладных задач изучения ВЧР, в основе которых лежат методы электроразведки и сейсморазведки, обеспечивающие дистанционное зондирование среды без нарушения ее целостности.

Данная работа посвящена повышению точности, информативности и достоверности комплекса сейсмоакустичееких методов, потенциальные возможности которых, особенно при изучении ВЧР, реализованы далеко не в полной мере. Анализ накопленных эмпирических данных в совокупности с теоретико-экспериментальными представлениями позволяет расчитывать, что эффективность и уровень понимания имманентно присущих методам сЛсмоакустики явлении и закономернее можно поднять на качественно новый уровень. Актуальность Т"мы

диссертации определяется необходимостью разработки цельной непротиворечивой доктрины, увавиващей разномасштабные сейсмоакусти-ческие измерения в единую иерархически ранжированную последовательность, обеспечивающую решение проблем прогнозирования ВЧР пр1ые«ительно к специфическим условиям Сибири.

Цель работы - расширение областей применения и повышение геолого-экономической э^фектианооти методов высокоразрешающей многоволновой сейсморазведки при прогнозирований верхней части геологического разреза дляо решения инленерно-гидрогеологических, экологических, структурно-картировочник и поисково - разведочных задач в осложненных условиях. Целевое назначение предусматривает решение следующих задач:

- адаптация методологии физико-геологического моделирования для решения вадач прогнозирования диалогического состава, условий валегания и физико-механических свойств пород ВЧР в осложненных условиях;

- выявление, на основе разномасштабных параметрических сейсмоакустических измерений на образцах, в горных выработках и скважинах, теоретико-экспериментальных взаимосвязей, обеспечивающих определение в естественном залегании физико - механических свойств, пород и прогноз их•деструктивных изменений под воздействием динамических факторов;

- формирование на основе логико-математического, физического и натурного моделирования основных требований к аппаратур-но-ыетодическому комплексу малоглубинной рысокоразрешавдей многоволновой сейсморазведки;

- оценка ограничений и влияния на частотный состав регистрируемых колебаний поверхностных условий, теоретическое обоснование, разработка и реализация способов управления формой л спектром зондирующих импульсов;

- разработка методики комплексной регистрации и обработки налогдубшшых отраженных и преломленных волн на основа ыно! обратных "сейсмических систем наблюдений;

- апробация, определение областей применения и оценка эффективности разработанных методик при решении различных I (.-алого -геофизических задач.-

Научная иолизва выполненных автором исследований определяется следующим:

< г

- разработана итеративная последовательность физико-геологического моделирования ВЧР, включающая ряд этапов и стадий, обеспечивавшая на конечном этапе технологического цикла формирование обобщенной полиморфной ФГМ, отражающей основные особенности геологического строения территории и населенной Количественными характеристиками, оНредёляющими физико-механические свойства 'í)a-род И состояние раерева;

- сформированы унифицированные ФГМ ВЧР, отражающие характер и вакономерностй «вменения сейсмоакустических свойств различных структурно-вещественных комплексов под воздействием динамических факторов И явЛяювдхся исходной информацией для формирования апри® срныХ ФГМ Конкретных объектов исследований; которые обеспечивают корректное моделиров'анйё всех этапов {эеалиэации сейсмоакустических Наблюдений;

- выявлены, прй одновременном изучении в процессе единого технологического цйклз компрессйометриЧеских испытаний сейсмоакустических и фйзико-мехаммеских характеристик дисперсных пород, количественные многофакторные структурно-вещественные взаимосвязи отражающие, их сослав* состояние и строение, а также позволяющие прогнозировать характер их деструктивных Изменений Под воздействием динамических факторов',

- оценены влияние и ограничения на частотный состав регистрируемых колебаний поверхностней условий, проведено сравнение различных способов управления формой й спектром зондирующих импульсов, сформуЛИройанЫ критерии сЦенкй разрешающей способности сейсморазведки в зависимости ot физическйх свойств пород деятельного слоя, а также способа установки на грунт источников или сейсмоприемников;

- изучено, на основе волно-частотных представлений, влияние на разрешающую способность совокупности таких факторов как, геометрические размерь! и сейсмоаКустические свойства ивучаемых объектов, форма и спектр зондирующих Импульсов^ параметры систем наблюдений И методики обработки информации. На ocHofee этого сформулированы основные принципы высокоразрешающей малоглубинной сейсморазведки, обеспечивагацие пб^учение временных разревов по данным многократных сейсмических систем наблюдений, нацеленных на регистрацию отраженных И преломленных волн от неглубоко залегаю-чшх границ раздела;

- определены, средствами натурного, физического и математического моделирования, возможности традиционных и оригинальных цоднфикащ» сейсморазведки при изучении верхней части разреза. Ревультагы аробации и внедрения разработанных автором методик обобщены в, виде апостериорных сейомогеологических моделей ВЧР различных районов Сибири и Якутии.

Практическая значимость исследований ваключаетсл в создании элективного порохового источника возбуждения упругих колебаний, моделирующей установки с цифровой регистрацией ультразвуковых колебаний, измерительного комплекса для изучения физико-механических я сейсмоакустических свойства проб рыхлых грунтов в процессе их компрессиометрнческого сжатия, в разработке методики регистрации отраженных и преломленных волн от неглубоко залегающих границ раздела, а так&е пакета программ решения прямой и обратной ьадачи микросейсмокаротака с учетом Еоаникновения прямых, проходящих преломленных и головных волн. Указанные разработки позволили:

- существенно расширить интервал глубин, в пределах которого воеможио экспрессное получение информации о сейсмоакустических свойствах среды:

- определить круг задач, решаемых как традиционными, так и новыми модификациями сейсморазведки;

- обеспечить корректную увязку разномасштабных петрофизи-ческих измерений при выявлении взаимосвязей мезду физико-механическими и сейсмоакустическими характеристиками пород с учетом условий их валегания;

- оценить погрешности определения пластовых скоростей при приведении непродольных годографов ИСК по модели однородной среды, величина которых для рекомендуемого методическими указаниями выноса пункта возбуждения в зависимости от скоростного закона достигает 30-50 Х\

- в сложных -условиях Восточной Сибири и Якутии получить принципиально новые данные о строении, петрофиьических и экологических параметрах ВЧР различных геологических объектов и происходящих в них специфических процессах;

- повысить производительность труда и снизить отрицательное воздействие на окружающую среду. *

Реализация результатов работы. Методика малоглубинных ОГТ--ОГЛ, пороховой источник возбуждения упругих колебаний, пакет

программ обработки МСК, ультразвуковая моделирующая установка, измерительно-вычислительный комплекс для изучения физико-механически х и сейсмоакустических свойств дисперсных пород в процессе их компресслометрического сяятит внедрены в производственные подразделения ВостСибТИСИЗя, ГГП "Иркугскгеология", ВосОибНШТиМСа, СибВШШЗНЕГГОПРСШ и используются этим« организациям« при изучении ВЧР в различных районах Сибири, Якутии и Дальнего Востока. Основные результаты выполненных исследовании включены в лекции по спчциатьннм курсам: "Сейсморазведка", "Обработка сейсмической информации на Я?М", "рудная сейсморазведка" и курсу "Геофизические методы изучения мерзлых толе.", читаемых автором студентам геофизической и инженепко-геологическои специальностей на кафедре геофизических методов разведки ИрГТУ.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались: на научно-технчч°г;к"Г1 конференции "Сейсмическая разведка-новый перс-пектизный метод инженерно-строительных изысканий." (Свердловск, !979); на третьей региональной конференции "Основные направления совершенствования комплексных геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке " (Иркутск, 1983); на четырех (VI! -X) нзуч-но-технических семинарах-севешаниях "Геофизические методы в гид- . рогеологии и инженерной геологии." (Вильнюс, 1983; Ереван, 1985; Донецк, 1987; Москва, 1939); на Всесоюзном совещании "Многоволновая сейсморазведка" (Новосибирск, 1985); на территориальной научно-технической конференции "Применение геофизических методпв при поисках И разведке россыпных месторождений, нерудного сирья и подземных вод." (Свердловск, 1987); на территориальной научно-технической конференции "Геофизические исследования скважин при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых." (Свердлове, 1988); на Всесоюзной конференции, совмещенной с XIII научной сессией Дальневосточной секции МСССС "Сейсмология и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке." (Владивосток, 1989), на Г<1-.^союзной конференции "Техногенные Факторы и проблемы прогноза о*й.'.'мического эффекта." (Ташкент, 1990); на Всесоюзной копфооен ции "ггедого-геофизические исследования при решешш экологических заплч." (Звенигород, 19911; па Вгасогшчм научно-1ех1шч»а^м се-миноре "Использование геофизических методов для резина и

чески/., инхенерно - геологических и гидрогеологических задач." (Ташкенту НЯП; на международной конференции по экологии Сибири

"СибЭКО-03." (Иркутск, 1093); на межреспубликанском научном семинаре "Сейсмический риск и сейсмическое микрорацсдаироваиие." (Иркутск, 1994); а также на ежегодных научно-техккческих Конференциях Иркутского государственного технического университета.

Публикации. Цо теме диссертации опубликован^ 32 статьи и монография.

объеы и структура работы. Диссертация содержит 246 страниц текста, 71 рисунок, 8 таблиц и состоит из введения, пяти глав и заключения. Список испольвованцой отечественной и зарубежной литературы включает '¿ZЬ наименований.

1. ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА

Верхняя часть разрева (Г.С;Вахромеев), являясь буферной аа-ной контакта геосфер, одновременно выступает в роли индикатора глубинных процессов и в качестве объективного подателя степени техногенного воздействия на окружающую среду. Она служит ареной экстремального проявления процессов обмена, рассеяния й перераспределения, как вещества так и энергии. ВЧР представляет собой нестационарную систему открытого типа отличающуюся от других°эше-лойов земной коры структурой, составом, фазовыми состояниями и петрофизическими особенностями. Применительно к сейсмическим исследованиям под ВЧР Традиционно понимают часть литосферы мощностью ог единиц до первых сотен метров, которая Характеризуется значительной изменчивостью упругих параметров, минимальными значениями скоростей и аномальными поглощающими свойствами. ,

Выполненный в первом разделе аналитический обзор истории развития и возможностей малогдубинных сейсмических исследований свидетельствует об их высокой эффективности при решении структурно- картировочных, поисково-разведочных, инженерно-гидрогеологических и экологических задач, особенно в случае увеличения скорости с глубиной. Рациональное компдексировааие всех видов сейс-моакустических исследований, нацеленных на.одновременное изучение волн различной частоты'природы и поляризации позволяет в короткие сроки и с минимальными затратами изучать положение границ и физические свойства пород, определяющие поля упругих колебаний. Во-первых, это скорости распространения продольных - Ур, попереч-

ных Уз и релеевских Уд волн; их коэффициенты затухания - ар, «э, «хр; а также производные величины - отношение скоростей коэффициентов затухания ар/аз и т.п. Кроме того широко используют расчетные характеристики, вытекающие из уравнений теории упругости: модуль Юнга - Ею, коэффициент Пуассона - ц, модуль сдвига й и др. Совместный анализ всех характеристик обеспечивает если не однозначный прогноз, то в любом случае существенное сужение рауок его неоднозначности (А.Г.Апербух).

В настоящее время используют главным образом наземные сейсмические наблюдения, и в меньшей степени - различные виды сейсмо-акустическия измерений во внутренних точках среды и на образцах. Лабораторные измерения осуществляют на образцах и пробах грунте^ с ненарушенной структурой в ультразвуковом диапазоне. При этом величины измеренных -скоростей могут существенно отличаться от значений определяемых в естественном залегании. Наблюдения во внутренних точках среды обеспечивают надежные данные о скоростях распространения упругих колебаний в среде, поэтому они используются для распознавания природы волн, литолого-стратнграфической привязки данных наземных наблюдений, определения и коррекции значений средних скоростей до изучаемых горизонтов. Наземные сейсмические наблюдения, в свою очередь, имеют очевидные преимущества методического и технико-экономического характера. В своих традиционных модификациях сейсморазведка испольеует либо докритические otpaжeния (МОИ), либо закритические головные волны (КМПВ). При этом, в случае реализации одного из методов, волны другой природы с помощью технических, методических и интерпретационных приемов практически исключаются из рассмотрения. В то же время каждый из методов характеризуется своими особенностями, воеМожностями и ограничениями.

В связи с этим, вполне объяснимой становится тенденция повышения информативности сейсморазведки, особенно при изучении верхней части разреза (ВЧР), на основе универсальных систем наблюдений, нацеленных не одновременную регистрацию отраженных и преломлю иных волн, идея о целесообразности комплексирования которых был , высказана Г.А.Гамбурцевым. Тем не менее, несмотря на очевидную (/ зультативиость такого подхода до5сих пор потенциальные возможности сейсмоакустических методов, 'особенно нацеленных на прогнозирование ВЧР реализованы далеко не в полной мере. Отчасти это

объясняется дефицитом специализированной аппаратуры. Однако нельзя не принимать во внимание более глубокую причину, заключающуюся в том, что прогнозирование ВЧР все еще не вышло иь стадии эмпиризма и не подкреплено цельной, не противоречивой доктриной, увязывающей разномасштабные измерения в единую иерархически ранжированную последовательность. В Сибири это усугубляется чрезвычайно специфическими особенностями региона. Частая смена СВК, значительные контрасты мерзлотных условий, изменчивость минерализации подземных вод, наличие экранов обусловленных мерзлотой, неотектоническая активность территорий, интенсивное антропогенное воздействие и др. факторы привели к формированию многослойных разрезов для которых характерны отсутствие "традиционных границ", латеральная изменчивость и инверсия скоростных свойств с глубиной.

Повышение эффективности ' сейсмоакустических исследований возможно за счет привлечения системного подхоцз. Применительно к ИГР идея такого подхода заключается в рассмотрении, путем анализа многофакторных взаимосвязей, свойств сложных обьектов, состоящих из "вложенных" простых элементов, с последующим сведением их в единый полиморфный интегрированный образ - обобщенную модель, отражающую литологический состав, условия залегания и процессы формирования пород, оценку их физико-механических и водно-физических • свойств, а также прогноз их деструктивных изменений под -воздействием динамических факторов. В качестве инструмента такого подхода целесообразно использование аппарата тео.рии физико-геологического моделирования, в основе которого лежит итерационная последовательность формирования моделей, аппроксимирующих с определенной степенью приближения основные черты геологического строения объ-, екта исследований, существенные с точки зрения поставленных задач и применимости геофизических методов.

. Во втором разделе, исходя из общих методологических принципов разведочной (Г.С.Вахромеев) и инженерной (А.А.Огильви) геофизики, разработана последовательность формирования ФГМ для целей прогнозирования верхней части геологического разреза. Формирование ФГМ осуществляется итеративно, методом последовательных приближений на основе теории подобия и моделирования.

На первом этапе формирования ФГМ, исходя из требуемой точности, разрешающей способности и поставленных задач, определяют качественные (атрибутивные по Л.Б.Розовскому) критерии геологи-

ческого подобия, которые описывают геологические процессы, характеризуют тип, генезис, состояние, физсвойства и литологию пород, структурно-тектонические, мерзлотные и гидрогеологические особенности территории. Второй этап предусматривает типизацию разрезов, выбор моделируемых признаков, создание характерного для каждого класса обобв(енного геометрического образа, оценку их наиболее вероятных характеристик, наделение частных моделей обобщенными Физическими свойствами, полученными на основе теоретических рас е-тов или статистической обработки результатов предшествующих работ и формирование априорных ФГМ. При создании априорных ФГМ учитывают сведения о рельефе, поверхностных условиях, промышленных и других помехах. Частные ФГМ служат исходной информацией для третьего заключительного этапа первой итерации: логико-математического моделирования. Решение прямых и обратных задач от априорных моделей, физическое моделирование на корректных, рассчитанных на основе теории подобия физических моделях, позволяет оценить возможности различных модификаций сейсмоакустики при рпгении частных геологических задач, сформулировать основные требования к методике полевыч работ, апробировать и адаптировать различные способы обработки и интерпретации дашшх, проводить разработку, отладку и освоение новых алгоритмов и программ. Логико-математическое моделирование позволяет обосновать комплекс методов и основные элементы методики полевых исследований с последуют,рй его апробацией на этапе натурного моделирования.

Натурное моделирование осуществляют на участках о нзвест-»' геологическим строением, путем изучения разрезов на трех вваимн> умванннх иерархических уровнях, выделение которых определяет«-л степенью дифференциации изучения физических сройств и размерами геологических объектов. При этом на всех уровнях обязательно соб-лушение условия эквивалентности масштабов измерений. 1<.?рвый уро-г'ч'ь - петроФч^ический, подразумевает лабораторное изучение дифференциальных кяаимосвязей между физическими свойствами, фиги-ко- механическими параметрами, составом, геокриологическими и цитологическими характеристиками пород. Д»п решения палач этого уровня необходим от^ор и петрофизические и8^-?рения на пробах с ненарушенной стр; ктурой, либо на искусственных пр -.[.ах-моделях, комплекса физических свой'-т: скоростей продольных и поперечных волн, поглощешы, плотности, влажности и т.п. При этом изучение

свойств должно осуществляться в динамике в процессе сжатия проб ь зависимости от эволюции криогенного состояния. Последующие лито-лого-петрографический и физико-химический анализы проб обеспечивают парную информацию для поиска причинно-следственных взаимосвязей и формирования многофакторных теоретико-экспериментальных зависимостей (критериев подобия), интегрированная совокупность которых определяет петрофизическую модель (П4М). Сформированную в процессе лабораторных анализов 1Ш распространяют на второй иерархический уровень (вещественно-структурный), аадачей которого является проверка и коррекция на основе параметрических наблюдений дифференциальных взаимосвязей применительно к конкретным интегральным физико-геологическим условиям. Параметрические наблюдения осуществляют в естественном залегании. Это микросейсмокаро-таж и акустические измерения в шурфах по Р и Б волнам, изучение ядерно-геофизическими методами плотности и влажности, данные о температуре и т.п. При этом необходим подбор такой технологии бурения скважин либо проходки горных выработок, которая обеспечивает их подготовку, оборудование и содержание с учетом требований геофизического и геологического опробования. Третий уровень-структурный, завершает этап натурных исследований. Он предусматрввает проведение опытно-методических работ с целью выбора-методики и отработки техники дистанционного изучения скоростных и геометрических характеристик разреза. При этом точность и разрешающая способность поверхностных наблюдений должны обеспечивать, на основе установленных ранее дифференциально-интегральных веаимосвя-зей, прогноз состава, состояния и свойств пород ВЧР без нарушения их целостности. Количество и места заложения опорных профилей определяют, исходя из вадач исследований, на основе геолого-структурного и ландшафтно-геоморфологического анализа территории. Профили совмещают с точками параметрических наблюдений и задают в крест максимальной изменчивости пород. В ходе опытно-методических работ выбирают источник и оптимальные условия воабувдения упругих колебаний, способы установки сейсмоприемников, отрабатывают и корректируют методику и технику наблюдений.

На пятом этапе по результатам натурного моделирования составляют интерпретационную схему, выбирают оптимальный гра& обработки материалов на ЭВМ, выделяют маркирующие горизонты, определяют поправочные коэффициенты необходимые при обработке, уточняют

изменчивость физических свойств отдельных СВК, производят формирование диагностических признаков и их "обучение" для комплексной • интерпретации материалов с помощью программ распознавания образов, корреляционно-регрессионного и факторного анализа. Это обеспечивает сопоставление результатов исследований на участках с известным геологическим строением и интерпретируемыми данными, помогает определять контуры распространения отдельных литолого-ге-нетических разностей, характеризующихся определенной совокупностью физических параметров." На основе сопоставления петрофизи-ческих наблюдений и данных детального опробования составляют множественные корреляционные зависимости мевду литологическими, ин-» денерно-гидрогеологическими и геофизическими параметрами, а затем формируют количественные критерии подобия прогнозирования ВЧР.

В ходе третьей итерации уточненным комплексом по оптимальной методике проводят площадные сейсморазведочные наблюдения, осуществляют районирование территории по типам ФГМ, картируют маркирующие горизонты, в случае необходимости ведут детализациоцг нне наблюдения. На заключительном этапе формирования ФГМ, используя интерпретационную схему, составленную в ходе второй итерацги, проводят комплексную обработку и интерпретацию всех материалов. С учетом инженерно-гидрогеологических данных составляют схемы и карты, отражающие глубину залегания коренных пород, мощность зоны дезинтеграции, положение УГВ, распространение мерзлоты и отдельных литолого-генетических комплексов, а также характер изменения физических свойств в плане и разрезе. Все это позволяет на основе количественных критериев подобия сформировать единую апостериорную полиморфную ФГМ, отражающую основные структурно-тектонические особенности, физико-механические, водно-Физические, геокриологические свойства и литологию, пород, которые являются исходными данными для геоэкологической экспе[зтизы территории, обоснования методики поисковых работ или технического проекта строительства.

Вероятно процесс реальных исследований' достаточно сложно уложить и столь строгую и всеобъемлющую последовательность. Сте-с пень изученности территории, формулировка задач исследования, экономические и технические условия«производства работ, естест-сонно, приводят к перераспределению акцентов- и отклонению от предлагаемой схемы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ■ РАЗРЕЗА НА ДИНАМИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН

Анализ понятий определяющих ВЧР, позволяет выделить генерализованные признаки, качественное описание которых на основе констатации фактов и абстрагированных обобщений обеспечивает формирование атрибутивных критериев подобия, обеспечивающих первичный, грубый выбор и описанйе моделей, подобны^ в определяющих чертах существующим в натуре геологическим ситуациям и отображающих все многообразие геологических разрезов. В качестве таковых могут выступать унифицированные ФГМ.

Под унифицированной ФГМ понимается безразмерная по мощности одномерная модель, показывающая характер изменения сейсмоакусти-ческих свойств в вависимости от признаков описательного характера, выступающих в качестве носителей интегрального подобия моделируемой, системы, которые подразделяются на статические - не изменяющиеся, и на динамические - подверженные вариациям в зависимости от климатических, антропогенных и других факторов изменяющихся во времени. • К статическим относятся структурные и литоло-го-фациальные критерии, которые упрощая реальную геологическую ситуацию, при сохранении ее принципиальных особенностей, поеволя-ют аппроксимировать модель ВЧР в виде сочетания СВК. Согласно классификации грунтов, принятой в инженерно-строительных изысканиях, в ВЧР можно выделить следующие структурно-вещественные комплексы: СВК с жесткими связями (неизмененные коренные породы); СВК с жесткими связями пониженной прочности (скальные дезинтегрированные породы, коры выветривания и т.п.); СВК без жестких связей (рыхлые отложения различного генезиса); СВК особого состояния, состава и свойств (деятельный сдой, искусственные грунты и т.п.). Данная литолого-фациальная модель, описывающая формализованные взаимоотношения коренных пород и перекрывающих их рыхлых отложений, выступает в качестве носительницы интегрального подобия моделируемой системы, находящейся в неводонасыщенном состоянии при положительных температурах. Понятно, что литолого-фаци-алъное подобие не может описать все многообразие геологических ситуаций, поскольку не рассматривает влияние динамических, а именно гидрогеокриологических факторов. В связи с этим кроме не-

водонасыщенного можно выделить как крайние следующие состояния разреза: неводонасыщенчое при отрицательных температурах, полное водонасыщение при отсутствии мерзлоты и полное водонаснщение при отрицательных температурах.

Квазиоднородность. многофазность и дискретность выделенных СВК позволяет отнести их к гетерогенным насыщенным пористым средам, для которых наряду с традиционно используемыми статистическими оценками, возможно применение теоретических взаимосвязей (инвариантные критерии подобия) между параметрами компонент и интегральными характеристиками среды (модель Вуда, усреднение продольных упругоетей, уравнения среднего времени и т.п.). Выбор модели определяется характером пористости и типом скелета каждого СВК. Так на сейсмоакустические свойства коренных пород основное влияние оказывают связанные с процессами водно - солевого обмена экзогенные изменения, что позволяет определять их интегральные характеристики по уравнениям среднего времени и плотности (0.К.Воронков). При описании свойств рыхлых отложений возможно использование теоретических решений, полученных для зернистых моделей представленных в виде упаковок шаров, где порозое пространство занято в различных соотношениях газами и флюидом (Ф.М.Ля-ховицкий). Для коренных пород и дисперсных грунтов, исходя из параметров фаз. в зависимости от пористости, состояния и характера заполнителя определены диапазоны возможных изменений■ сейсмоакус■ тических свойств,

В реальных условиях возникает необходимость формирования априорных ФГМ, которые с более высокой степенью приближения отражают геологическую ситуацию. Эти модели получают путем комбинирования отдельных элементов унифицированных ФГМ с последующим уточнением атрибутивных критериев подобия и наделением их сташстич^ски обоснованными, характерными для данного объекта параметрами. Априорные ФГМ используют для изучения общих закономерностей изменения сейсмоакустических свойств, Формирования интерпретационной схемы прогнозирования, а также построения, с -учетом структурных факторов и реальной изменчивости геологического строения, априорных модельных разрезов, которые используют для оценки эффективности и ра=р°!ча1пщей способности различных модификаций сейсморазведки, выоора и обоснования методики и техники работ.

Во втором разделе рассмотрены априорные ФГМ некоторых реп'о-

нов Сибири. Tai: анализ задач, решаемых при гидромелиоративных съемках, позволил выделить комплекс признаков, отражающих принципиальные особенности строения ВЧР Южного Приангарья. К ним относятся: лигологический состав, строение, водопроницаемость и условия залегания рыхлых неоген-четвертичных отложений; глубина залегания, рельеф и состояние терригенно-карбонатных коренных пород кембрийского и юрского возраста; положение уровня грунтовых вод и наличие артезианских бассейнов краевого типа; распространение, глубина залегания, мощность и строение мерзлоты. Все это обуславливает специфичность инженерно-гидрогеологических-условий Южного Приангарьн и определяет правомерность выделения двух гидромелиоративных зон. Склоны гор и водоразделы относятся к зоне отсутствия мерзлоты, недостаточного увлажнения и глубокого залегания УГВ; долины рек но которым развита многолетняя мерзлота , наоборот, переувлажнены и заболочены. Б соответствии с выделенными признаками подобия на основе элементов унифицированной ФГМ синтезированы обобщенные геометрические образы, аппроксимирующие наиболее типичные геологические ситуации.. Статистическая обработка значений геометрических размеров и физических свойств выделенных признаков позволила наделить синтезированные геометрически^объекты наиболее вероятными цифровыми параметрами и сформировать пять частных априорных ФГМ.

Первый тип ФГМ-трехслойная среда, характерен для водоразделов и склонов южной экспозиции. Он соответствует элювиальным отложениям небольшой мощности, залегающим на дезинтегрированных породах юры и кембрия. Разрез характеризуется отсутствием мерзлоты и развитием трещинно-карстовых вод, глубина залегания которых колеблется от 40 м до 100 м и в основном определяется дренирующим влиянием р. Ангары и Лены, а также интенсивностью пополнения ресурсов за счет снегового питания. Закон изменения скоростей определяется литологическим составом и состоянием пород. Рыхлые отложения и дезинтегрированные коренные породы характеризуются увеличением скорости поперечных "и продольных волн'до.глубины залегания неизмененных терригенно-карбонатных пород, поверхность которых аппроксимируется границей раздела первого либо второго рода.

Второй тип ФГМ - трехслойная среда, аппроксимирует разрезы, развитые в нижних частях склонов. 'ИМ характеризуется положительным геотермическим полем. Уровень грунтовых вод залегает на глу-

бине от 3 м до 20 м в рыхлых отложениях. Региональным водоупором служит поверхность заглинизированннх коренных пород. Скорость продольных волн скачкообразно увеличивается с глубиной. Скорость поперечных волн в водонасыщенных грунтах изменяется незначительно, а на поверхности коренных пород увеличивается в 1,5-2 раза. Для обоих моделей характерно увеличение плотности с глубиной. Причем в интервале деятельного слоя на плотность больше сказывается естественное уплотнение грунтов с глубиной, а не литологи-ческий состав.

Третий тип ФГМ-четырехслойная среда, распространен в центральных частях долин, на пойменных террасах и склонах северной экспозиции. Она характеризуется наличием мерзлоты, локализованной в толще рыхлых отложений.- Для моделей такого типа характерны инверсия физических свойств в нижнем талом слое, экранирующее влияние мерзлоты и значительная глубина залегания коренных пород. Во-донасьпценными являются подмерзлотные рыхлые отложения, воды в которых зачастую напорные.

Четвертый тип ФГМ-шестисЛойная среда, типичен для участков, где в деятельном слое наблюдаются песчаные и супесчаные грунты с повышенными фильтрационными свойствами, а глубже - глинистые отложения. В этом случае верхняя поверхность многолетней мерзлоты залегает на глубине 3-6 м и не сливается с сезонной, что обуславливает двойную инверсию скоростных свойств по вертикали.

Пятый тип ФГМ-чегырехслойная среда, характерен для пойменных террас верховий рек и склонов северной экспозиции, где мощность рцхлых отложений и выветрелых коренных пород не превышает Ю-15м. Мерзлыми породами являются как рыхлые отложения, так и верхняя зона терригенных кембрийских пород. На участках, где рыхлые отложения 8алегдют на алевролитах и аргиллитах, наблюдаются более суровые мерзлотные условия и мощность мерзлоты достигает 35-40 м:

Наиболее характерными для Южного Приангарья являются первые четыре типа ФГМ, для которых с учетом гипсометрических уровней и рельефа долин составлен априорный модельный раэрез, характеризующий объект геофизических исследований с различных сторон и отражающий диалектическую связь и различия всех возмущающих объектов И признаков . .

В последнее гоем.ч определенные перспективы расширения мине-РА1ЬНС1-СЫРЬ@В0Й базы золотодобывающей промышленности Ленского ра-

- 1а -

аона и Южной Якутии связывают с вовлечением в промышленную разра-ютку глубокозалегающих погребенных россыпей. Сейсмические методы могут использоваться на всех этапах и стадиях освоения месторождений такого типа, начиная с общих поисков и завершая инженерно-геологическим обоснованием нетрадиционных технологий их разработки. Геолого-геофизические характеристики пород погребенных россыпей можно аппроксимировать физико-геологическими моделями, сформированными для Южного Приангарья. Однако более суровые мерзлотные условия, интенсивное антропогенное воздействие на среду, связанное с дражной отработкой, привели к формированию в центральных частях долин разрезов специфичных только для данного типа месторождений. В связи с этим на основе унифицированных моделей в зависимости от антропогенных изменений и характера мерзлоты для центральных частей долин, характеризующихся наличием погребенных россыпей, сформированы три физию-геологические модели.

Первый тип И'М-шестислойная среда, характеризуется наличием техногенных отложений, отсутствием мерзлоты и двухярусным строением погребенного аллювия. Глубина залегания грунтовых вод не превышает 5-7 м и определяется гипсометрическим уровнем дражных отложений по отношению к урезу реки. Переработка современного аллювия привела к деградации мерзлоты и обусловила появление в верхней части разреза экрана в виде дражных отложений мощностью до 10-15м. Они отличаются аномально низкими значениями сейсмических свойств. Двухярусное строение погребенных осадков при градиентном увеличении глинистости фиксируется по скачку скоростей и различию законов их изменения с глубиной в обоих горизонтах.

Второй тип ФГМ - шестислойная среда, распространен на участках, не подвергавшихся промпереработке. Нижняя граница высокотемпературной мерзлоты фиксируется в современных аллювиальных отложениях. Это обусловлено оттеплением пород.погребенной россыпи за счет фильтрационных процессов и конвекционного обмена с нижележащими коренными породами. Для данной ФГМ характерны инверсия физических свойств с глубиной, экранирующее влияние мерзлоты и наличие скоростной границы в толще погребенного аллювия.

Третий тип ФГМ - пятислойная среда, харакгерен для пойменных террас и склонов северной экспозиции, где наблюдаются более суровые мерзлотные условия. Мерзлота залегает как в породах современного аллювия, так и в погребенных отложениях. При этом дифферен-

циация по Физическим свойствам практически отсутствует, а значения скоростей распространения упругих колебаний определяются в основном температурой и льдкстостью, а не диалогическим составом пород. Коренные породы во всех типах ФГМ, как прачило, находятся в толом состоянии и характеризуются высокими зиаче-'идми плотности и скоростей распространения упругих колебаний.

Проблема освоения зоны трассы БАМ наряду с традиционными для Сибири неблагоприятными инженерно-геологическими факторами осложняется высокой сейсмичностью территории. Месторождение хризотил -асбеста "Молодежное" расположено на склочь Южно-Муйского хребта, что при резкой расчлененности рельефа и возможных сотрясениях силой более 9 баллов, обусловило необходимость выноса премплощздки ГОКа от карьерного участка в Муйскуга впадину. Промплощадка сложена песк;1ми. залегающими покровом мощностью свыше 300 м на грани-тоидах нижнепротерозойсксго возраста. Отличительной особенностью района является лчухярусное строение мерзлоты. На глубине 60-120м залегает погребенная криолитозона Байкальского типа, а в пределах поймы р. Мудирикан на глубине 2-8 м им°ет место высокотемпературная (-0,4 -0,б"с) мерзлота долинного типа мощностью до 60 м. Подземные безнапорные воды, образующие грунтовые потоки со свободной поверхностью, вскрыты в юго-восточной части участка на глубине 6-20 м. Значительная мощность рыхлых отложений и большая глубина залегания УГВ обусловили градиентное увеличение скоростей сейсмических волн с глубиной и аномальное уменьшение интенсивности проявления землетрясений в пpeдeлav Мупской впадины на 1-3 балла. В то же время, за счет техногенного воздействия в процессе строительства или эксплуатации сооружений ГОКа возможна деградация погребенной мерзлоты, изменение УГВ, развитие явлений подтопления, просадок грунта, формирования коммулятивннх депрессий и т.п. В связи с этим чрезвычайно актуальной становится задача прогноза изменений физико-механических'свойств песков под действием статических (сооружения) и динамических (землетрясения, вибрация) Нагрузок в изменяющихся мерэлотно-гилрогеологических условиях.

Одним из путей повышения точности инхеиерно-сейсмитрского нрогнояа является типизация инженерно ■ геологических условий в районе будущего строительства и сравнение их с поморью аччарата теории подобия с: явлениями, происходящими в наиболее о'йсиоактртчых районах, где можно в короткие ср^ки зкси"1>им««таяьно изучить по-

ведение аналогичных грунтов в естественном залегании при интенсивных землетрясениях. Кроме того, корректно сформированная физико-геологическая модель обеспечивает возможность теоретических расчетов интенсивности проявления землетрясений в зависимости от конструкции, способа возведения сооружения и изменения грунтовых, условий. Результаты инженерно-геологических исследований, выполненных ВостСибТИСИЗ позволили на основе литолого-фациальной унифицированной ФГМ сформировать три сейсмогеологические модели песков Муйской впадины отличающиеся воздействием динамических факторов - положением в разрезе УГВ и высокотемпературной мерзлоты.

Интерес к изучению кайнозойских отложений Байкальской рифто-вой зоны вполне объясним. Именно в этот отрезок геологической истории, пройдя через ряд эволюционных этапов, сформированы современный облик и строение оз. Байкал. Особый интерес представляют неоген-четвертичные отложения юго-восточного побережья озера, залегающие в виде полосы шириной до б - 8 км на корах выветривания метаморфических пород протерозойского возраста и разделяющиеся на три структурно-вещественных комплекса-(В.Д.Мац). В основании неоген-четвертичной толщи моноклинально, с углами падения около 30-35° в сторону озера, залегают отложения условно объединенные в ооиновско-танхойский комплекс, суммарная мощность которых достигает Л ООО- 1200 м. Выше по разрезу, с угловым несогласием залегают отложения шанхаихинской свиты. В связи со слабой .обнаженностью ■отделений этого комплекса его мощность точно не определена. Перекрывают осиновско-танхойский и шанхаихинский комплексы плейстоцен- голоценовые отложения мощностью до 25-30 м. Анализ истории развития и геологической обстановки в районе, а также результаты петрофивических исследований, позволяют наделить выделенные СВК обобщенными параметрами и сформировать априорные модели ра?резов. В зависимости от принимаемой концепции .игтории развития, таких моделей, существенно влияющих на методику геофизических исследований, может быть.как минимум дье.

Первая модель - тектоногенная, предполагает последовательное накопление субгоризонтальной толщи осиновско - танхойского СВК. Последующее поднятие горной части Байкальской котловины обусловили наклонное валегание осадков, денудацию ооиноьско-танхойских отложений и перекрытие их порода)« шанхаихинской свиты, что привело к формированию депрессии и образованию мощной, достигающей

1000-1200 м, толщи кайнозойских отложений.

Вторая модель - аккумулятивная, предполагает последовав чь-ное формирование в процессе склонового площадного смыва и абразивной деятельности вод аккумулятивных подводных террас по типу перстативного аллювия равнинных рек, находящихся в стадии динамического равновесия. При изменении в верхнем плиоцене базиса эрозии и характера сноса породы осиновско - танхойского комплекса были перекрыты отложениями шанхаихинской свиты. В этом случае глубина зачегания фундамента в основном определяется условиями осадконакопленкя и вряд ли будет превышать первые сотни метров.

Сформированные физика-геологические модели, различные формьь представления которых приведены Еыше, используют на заключительном этапе первой итерации - этапе моделирования. Моделирование применяют практически на всех этапах и стадиях реализации сейсми ческих исследований, начиная с разработки теоретических основ метода, обоснования методики и техники работ и кончая процессом интерпретации. В зависимости от решаемых задач, оснащенности исполнителей, требуемой экспрессности и точности используют математическое, физическое или натурное моделирование. Каждый из этих способов характеризуется своими достоинствами и недостатками, что не исключает их совместного применения.

Математическое моделирование заключается в расчете сейсмических волновых полей или ад элементов, соответствующих определенной 1>ГМ. При математическом моделировании используется множество алгоритмов, начиная с простейших расчетов теоретических Лдографсв различных типов волн, до всеобъемлющих, основанных на решении волновых уравнений, построений лучевых траекторий в трехмерных горизонтально неоднородных средах. В качестве примера в работе приведен синтетический временной разрез полученный с помощью программы MODIN из сейсмического пакета фирмы С66 от модельного разреза гидромелиоративного массива. Подобные теоретические временные разрезы позволяют оценить возможности картирования различных геологических образований, определить влияние вариаций геологических и. сейсмоакустических характеристик на сейсмические сигналы, изучить значимость изменений формы зондирующих импульсов в волновом поле, имеющих место на полевых запи-зях.

Математическое и натурное моделирование несмотря на -von v-дущую роль, характеризуются рядом ограничений и недостатк- с. г

- гг -

первом случае модель экспериментального материала значительно упрощается, поскольку в настоящее время методы расчета волновых полей для сложных моделей разработаны в недостаточной степени. Во втором - отсутствуют точные представления о геологическом объекте и как следствие, о структуре волнового поля. Получение же достоверного и представительного полевого материала, отражающего все особенности геологического строения, связано со значительными затратами.

■ Более объективные и с меньшими материальными издержками дан-

с

ные для оценки эффективности сейсморазведки и Выявления различных причинно-следственных связей в системе "геологический разрез -волновое поле" могут быть получены путем физического моделирования. В .этом случае при соблюдении критериев подобия (В.Н.Ивакин) в процессе обработки данных моделирования на ЭВМ можно получить волновые поля, отражающие специфику материалов практически для ллйых задач интерпретации. Кроме того, физическое моделирование является связующим звеном в методическом цикле создания новых сейсмических технологий: теоретическое обоснование - моделирование - реализация полевой системы.

В основе современных цифровых моделирующих установок (Л.Д. Гик, Е.М.Аверко, Л.А.Максимов), лежит принцип частотной трансформации исследуемых высокочастотных сигналов стробоскопическим методом. В то же время современная радиоэлементная база позволяет осуществлять прямое кодирование и непосредственную регистрацию в цифровом кеде сигналов частотой свыше 20 мГц. Именно этот принцип был заложен в основу компьютезированного комплекса моделирования сейсмических полей в состав которого входит управляющая' микро-ЭВМ "Электроника", стандартные контрольно-измерительные приборы, сейсмостанция ИСН-01/24 и собственно моделирующая установка, включающая следующие блоки: быстродействующий аналого-цифровой преобразователь на ВИС 1107ПВ2, обеспечивающий преобразование аналоговой информации в восьмиразрядный цифровой код; сверхопера-■тивное запоминающее устройство на микросхемах КР541РУ1 объемом 4 К - восьмиразрядных слов; опорный программируемый генератор, с основной тактовой частотой 8 мГц, синхронизирующий работу всего комплекса и управляемый микро-ЭБМ; канал ввода/вывода, обеспечивающий передачу информации от ССЗУ к внешним устройствам, а также управляющих команд от микро-ЭВМ к узлам и блокам установки. Коми-

леке обеспечивает запись информации в память сейсмостанцпи HCH-01/S4, Формирование двадцягичетырех каначьной сейсмограммы, оценку ее качества на экране дисплея, визуализацию с помощью т^р моперописца и запись па касс-тпый магнитофон. Возможности моделирующей установки иллюстрированы результатами эксперимента, с двухслойной моделью, тестовыми оценками системы обработки данных метода преломлении:; волн ГЮБАОИНЖСЕЙС, а также обоснованием по-ли-импульсного способа возбуждения упругих колебаний.

Возможность обнаружения и изучения элементов геологически]о разреза определяется их рармерами в сравнении с длиной волны. В общем случае длина волны увеличивается с глубиной, что обусловлено возрастанием скорости и уменьшением частоты. Ограничения частотного диапазона связаны с характеристиками источника, процессами распространения волн в разрезе (АЧХ среды), условиями установки сейсмоприемников (контакт почва-сейсмограф, параметры группирования), а также искажениями ч регистрирующей аппаратуре (И.С.Берзон). Передаточная характеристика разреза, зависикая от изменения сейсмоакустчческих характеристик пород, величины частотного затуханич и поглощения, наличия тонкой слоистости и анизотропии разреза ставит принципиальный предел разрешающей способности, которая мол-т быть достигнута. Этот предел определяется эмпирической формулой Л.Р. Дэнэма, связывающей максимально достижимую частоту fm и двойное время пробега t0. Однако в известных пределах преобладающие частоты волн м< '<шо иг менять путем полбора соответствующих условий возбуждения и регистрации упругих колебаний, выбора оптимааьных систем наблюдений, обработки и интерпретации. В четвертом разделе проводится анализ Формы зондирующих импульсов и их влияние на разрешающую способность сейсморазведки. Разрешающая способность - величина относящаяся к разряду субъективных (Р.Шерифф), зависит от уровня помех, квалификации интерпретатора, качества исходного материала, стратегии обработки и определяется как минимальное расстояние между двумя объектами, на котором они еще различимы как два разных, не сливающихся я один, объекты.

Анализ критериев разрешающей способности но вертикаяи, выведенных различными исследователями (Rayleigt, N.Rielar, R.K'tllweit, L.Wood, M.Wide?s). а таге«» результаты математического модеюил-ьг-нии полногых пакетов позволили сформулировать головные Tpt'Oowm.w

к форме и параметрам зондирующих импульсов. Для уменьшения ревер-берационных явлений частотный диапазон регистрируемых колебаний должен превышать две октавы. При этом в случае прямоугольного спектра зондирующих импульсов верхняя частота Гв, а при других огибающих- преобладающая частота Го, лимитируют разрешающую способность. В сложных сейсмагеологических условиях, когда невозможна регистрация истиной формы зондирующих импульсов•этот предел определяется: ч

1 1

-по времени: ДГ > - = - ;

Ав V А0 V -по глубине: Д!?ь > - = 0,33 - = — = 0,85 - .

3 Гв 4 Го

В случае изучения сейсмических отражений в условиях, когда возможно восстановление формы импульса, предел разрешающей способности может быть понижен:

1

-по времени: ДЬи >---;

44 в

Ао V -по глубине: Д!^ >--= 0,125 — ;

е

Лучевые представления при изучении ВЧР за счет предельных углов падения, а также соизмеримости размеров изучаемых неоднородностей и длин волн не всегда корректны. Более соответствуют истине волно - частотные представления о распространении энергетического возмущения от источника в виде сферического волнового фронт, формирующего так называемую "первую зону Френеля", размеры которой определяют пространственную разрешающую способность методов сейсморазведки. Радиус зоны Френеля Рф связан с глубиной до исследуемого горизонта И, длиной волны А, частотой зондирующего импульса Го, эхо-глубиной 1;о и скоростью в покрывающей среде V следующими соотношениями (Р.Шерифф, Л.Гелдарт):

V 2 г / ' Го

Моделирование процессов отражения от тонкого пласта ограниченной протяженности (Н.Нейдель, Э.Поджиаглиолми; Х.Гертнер, Г.

- ?в -

Кл'иммер) показывает, что в случае размеров отражающей площадки меньше диаметра зоны Френеля, волновая картина будет аналогична картине, наблюдаемой от дифрагирующей точки. С другой стороны, если две дифрагирующие точки удалены друг от друга, при соответствующем уровне помех, на расстояние превышающее размеры зоны Френеля, эти точки будут регистрироваться как два разных объекта. Парамеры зоны Френеля определяют не только минимальные размеры выявляемых неоднородностей, но и лимитируют плотность наблюдений. Следует отметить, что в настоящее время у исследователей нет единого мнения в этом вопросе. Одни (R.Knapp, D.Steeples) считают, что зона Френеля доена перекрываться двумя или более каналами в расстановке ОПВ, другие (Х.Гертнер, Г.Климмер) определяют этот минимальный предел в 12 суммотрасс ОГТ.

3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ НА ОБРАЗЦАХ, ПРОБАХ ГРУНТА И ВО ВНУТРЕННИХ ТОЧКАХ СРЕДЫ

Четвертый этап формирования ФГМ предусматривает проведение параметрических наблюдений, нацеленных на выявление и изучение взаимосвязей между сейсмоакустическими характеристиками и физико-механическими свойствами пород на петрофизическом уровне. Измерения, осуществляют на пробах грунтов с ненарушенной структурой, либо на искусственных моделях в ультразвуковом диапазоне частот. При этом практически все исследователи (А.И.Савич, Н.Н.Горяйнов, Ю.Д.Зыков и др.) отмечают расхождения в значениях скоростей, определяемых на пробах и в естественном залегании, объяснял это масштабным фактором и неидеальной упругостью пород. Однако по мнению автора проблема увязки разномасштабных измерений, особенно для дисперсных грунтов, свяьана с достоверностью опробования, которая во многом может быть решена путем одновременного изучение .сейсмоакустических и физико-механических свойств в процессе сжатия. Необходимость такого совмещения обусловлена не только изменением свойств пробы в процессе ее отбора и снятием напряжений, но и возможностью формирования при небольшом объеме материала представленного банка парных и множественных определений.

Для изучения изменений под нагрузкой характеристик дисперсных пород на основе рекомендаций Гидропроекта была разработана компьютезированная установка, позволяющая лроизводить измерения

скоростей, удельного электрического сопротивления, поляризуемости, плотности и пористости проб. Основным элементом установки является комплексная измерительпая ячейка - модернизированный одометр компрессиометра, в поддон и штамп которого вмонтированы пъезоэлементы. Замена стального рабочего кольца и силовой прокладки на пластиковые обеспечивает использование оставшихся по-верхнбстей поддона и штампа в качестве источников, а напыленные электроды пъезоэлементов в качестве измерителей электрических параметров. На установке были исследованы различные пробы песков и золы при нагрузках до 0.6 мПа, что соответствует горному давлению, развиваемому дисперсными породами на глубине до 50 м.

На первом этапе измерения проводились на сухих пробах - мо-чофракциях песка различного граисостава. В процессе измерений между гоэффициентом пористости е, плотностью б (г/см3), скоростью Ур(м/с) и давлением Р (мПа) установлены устойчивые корреляционные зависимости следующею вида:

б = к-^Г; е - (о,389-к-} . - 1 ,

где к - коэффициент, определяемый площадью контактирующих поверхностей и для всех типов песков изменяющийся в диапазоне реализованных нагрузок по закону:

к - О.£92 - 0.150-Р + 0.200-Р2.

Кроме того было отмечено, что для песков одного типа характер изменения е в основном определяется грансоставом и слабо зависит от начальной плотности проб. Это позволило нормировать кривые при давлении Р=0, относительно начальной плотности б0, скорости У0 и пористости е0. Все нормированные кривые подчиняются степенному закону, при этом имеет место дифференциация, по плотности, скорости и пористости в зависимости от грансостава, которая воврастают с увеличением Р. Это явление не учитывается современными теориями, хотя хорошо согласуется с представлениями Г.И.Покровского (1937), которым были получены выражения, описывающие распространение упругих колебаний в зернистых средах радиусом 1?. Корреляционно-регрессионный анализ всей совокупности,данных позволил составить ковариантнне критерии-подобия, отражающие взаимосвязь основных характеристик носков и их изменение от дав-

ления Р и грансостава песков Ф:

е/е0= (1-(0,26-0,04Ф)Р ■» (0,37-0,04Б)Р2) ;

(1+(3,03-0,09Ф)Р + (3,33-0,05Ф)Р2).

Аналогичные измерения были проведены на природной пробе песка средней крупности различной плотности и влажности. Результаты свидетельствуют о том, что абсолютные значения скоростей определяются начальной плотностью пробы, т.е. качеством трамбовки и влажностью, а их нормированные значения практически эквивалентны соответствующим закономерностям, полученным на монофракции сухих песков. При этом начальная ветвь кривой пробы природного состава совпадает с графиком, полученным для монофракции песка средней крупности, а на заключительных ступенях нагрузки - крупных песков. Это позволяет сделать вывод об увеличении роли крупных частиц, создающих при давлениях свыше 0.25 мПа своеобразный каркас, заполнителем которого является вода и более мелкие фракции песка.

Полученные в процессе компрессиометрических испытаний значения коэффициента пористости пересчитывались в модуль деформации Ед для пяти ступеней изменения давлений ДР. Между модулем деформации и скоростью продольных волн установлена тесная связь, которая в общем виде описывается линейной функцией. При этом градиент Ед увеличивается с увеличением интервала нагрузок АР. Ото позволяет, задавшись предполагаемым диапазоном нагрузок, обусловленных проектируемым сооружением, в зависимости от грансостава и глубины изучаемого интервала разреза, оценить по.сейсмическим -данным значения Ед в естественном залегании. В целом скорости распространения упругих колебаний являются весьма чувствительным параметром, реагирующим на минимальные изменения состояния проб, что позволяет сделать вывод о потенциальных возможностях описанного подхода.

Выявленные в процессе петрофизических измерений дифференциальные взаимосвязи требуют проверки, уточнения и адаптации применительно к конкретным условиям, ати процедуры осуществляют путем параметрических измерений в скважинах, нацеленных на оценку интегральных упругих характеристик, выявление и литолого-стратигра-фичеокую привязку акустически контрастных горизонтов. Учитывая неустойчивость скважин, а также необходимость ссадиных наблюдений, МСК целесообразно проводить в обсаженных скв^.инах при г/5 я-

зательном использовании трехкомпонентных прижимных зондов, обеспечивающих регистрацию продольных и поперечных волн. Основные трудности в этом случае связаны с необходимостью борьбы с трубными и кабельными волнами, что достигается выносом пункта возбуждения от устья скважины. Это в свою очередь требует разработки специальной методики интерпретации непродольных вертикальных годографов, так как существующие приемы обработки, заключающиеся в приведении их к продольным по модели однородной (А.И.Богданов) или градиентной (В.И.Бондарев) среды в случае скачкообразного изменения скоростей не всегда корректны. Так теоретические расчеты показали, что в случае выноса пункта возбуждения от устья скважины на расстояние, рекомендуемое методическими руководствами, величина относительной погрешности определения пластовых скоростей достигает 30-50%, что значительно снижает достоверность сейсмических построений и точность оценки физико-механических свойств пород ВЧР.

Для повышения точности определения пластовых скоростей автором, совместно с С.П.Никифоровым и А.В.Миромановым разработан алгоритм и пакет программ автоматизированной интерпретации данных МСК, включающий три этапа. На первом этапе - этапе формальной интерпретации, осуществляют приведение наблюденного непродольного годографа к продольному по модели однородной среды, определение по прямолинейным участкам мощности слоев и их скоростей; формиро-■вание с учетом априорной геологической информации и результатов приведения годографов сейсмо-геологической модели. Второй этап включает решение прямой задачи МСК с учетом - возникновения прямых, головных и проходящих преломленных волн. Третий этап обеспечивает, путем сравнения теоретического непродольного вертикального годографа с наблюденным, решение обратной кинематической задачи. Апостериорная модель формируется посредством целенаправленных переборов в допускаемых с$йсмогеологической моделью пределах значений параметров разреза. В итоге формируется Функция отклика, определяющая меру сходства наблюденного и модельного волнового полей. Наличие 2-3 пунктов возбуждения, вынесенных на различные расстоянии, обеспечивает более корректное Формирование модели и как следствие - поРншение точности определений скоростных и геометрических параметров разрыла.

В третьем разделе расемлфикетоя ядерно-геофизическое coil-

- го -

равождение параметрических наблюдений. Влажность и плотность пород непосредственно входят в теоретические и корреляционные уравнения расчета физико-мехаиически^ свойств пород. Несмотря на то. что существуют эмпирические способы косвенных определений б и и через сейсмические свойства, требование повышения точности прогноза обусловливает необходимость их непосредственных измерений. Для определения плотности и влажности в естественном залегании широко используют радиоизотопные влагомеры и плотномеры Важнейшими факторами, определяющими качество и достоверность получаемой информации являются конструкция скважин и способ градуировки.'При изучении влияния конструкции скважины на результаты радиоизотопных измерений выявлено, что технические характеристики приборов ВПГР/ГШГР-1 не позволяют проводить количественные определения плотности и влажности в скважинах диаметром свыше 76 мм, а в обсаженных скважинах - даже в случае применения коллимационных у ;т-ройств. Анализ ограничений и различных способов градуировки позволил обосновать методику полевых наблюдений погрешность и-'.орой не превышала 3-5%.

4. ОБЪЕМНОЕ КАРТИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЙГМОАКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД В ЕСТЕСТВЕННОМ ЗАЛЕГАНИИ

В первом разделе расгмотрено техническое обеспечение генерирования и регистрации высокочастотных колебаний. Специфика малог-лубицных исследований предъявляет многочисленные и зачастую противоречивые требовании к сейсморегистрируклцей аппаратуре. В работе ' приведена сравнительная характеристика специализированных сейсмостанций, ана/ша которой позволяет сделать вывод о целесообразности использования высокочастотной аппаратуры типа "Тал-гар-6", "ИСН-01/24", а в случае ич отсутствия - модернизированных сейсмостанций "Прогресс".

Одним из сильно изменяющихся и практически не поддающихся контролю в нолевнх условиях факторов является АЧХ системы "почва-сейсмограф", резонансные характеристики го'ппок по дннниы И. П.Пасечника, Л.Д.Гика, О.Е.СгоПп и др. опрелеллмто. Ььзическими свойствами грунтов, массой и геометриче жими (•ааш.-рми сейсмопри-емник )ь. Лабораторные измерения, выполненные- с П' ^'чыо ьиороплат • формы ВЭДС-ША СЕИДеТеЛ1:ГТВУЬ:Т О ТОМ, ЧТО Н4Ц ЙДУ О

ленными факторами существенное влияние на АЧХ оказывают условия установки, а именно эффективность сцепления контактной поверхности СП с Грунтом. Этот вывод, хотя несколько и противоречит теоретическим представлениям, хорошо согласуется с результатами исследований D.Hewitt. Измерения в полевых условиях на различных грунтах дополненные данными П.И.Пасечника, позволили выявить зависимость между резонансными частотами контакта "почва-сейсмограф" Гр(Гц) И акустической жесткостью (б¥) при простом эадавливании сейсмоприемника в грунт:

• ... . fp = i.75'10"4-6-Vp + 25 (Гц)

Данное уравнение лимитирует исходя из поверхностных условий максимальное разрешение методов сейсморазведки. Однако анализ АЧХ, полученных при различном способе установки, свидетельствует о том, что некоторое смещение резонанса в область более высоких частот возможно путем заглублейия сейсмоприемника на глубину с оптимальной акустической жесткостью, с последующим замачиванием и трамбовкой мест их установки. Наиболее кардинальным способом улучшения контакта "почва-сейсмограф" является использование легких удлиненных штырей-концентраторов шнекового типа.

В настоящее время при изучении ВЧР используют различные способы возбуждения упругих колебаний, отличающиеся видом энергии, характером возбужденных колебаний и силой воздействия. Патент-no- информационный поиск и анализ уравнений газовой динамики доказали эффективность пороховых источников, использующих энергию отдачи, в которых корпус играет роль инертной массы. Автором разработана конструкция источника с двойным клиновидным фланцевым затвором и электромагнитным ударником. Предлагаемая конструкция обеспечивает дистанционное управление и регистрацию упругих колебаний в режиме накопления. Незначительные перемещения источника и возможность дистанционного извлечения "отказон" обеспечивают безопасность работ и значительный ресурс времени pa:.;v'i,i. Энергетические анализы показлли, что пороховой источник высокочастотный спектр возбуждаемых колебаний, повышенное в 1,5-й рлза по сравнению с эквивалентным по массе источником "падающий груз" от-ндоние сигнал/помеха; характеризуется отсутствием реверберацион-ш?, яглсний и возможностью генерации волн различной поляризации. Испытания источника позволили ьмбрать в зависимости от грунтовых

условий оптимальные способы установки источника а массу порохового заряда. Так на плотных грунтах при заряде 8-10 г целесообразна непосредственная установка источника на поверхность земли. В случае рыхлых грунтов необходимо заглубление источника с установкой его под глушитель на подставку соответствующих размеров, что обеспечивает подавление звуковых и генерацию высокочастотных сейсмических воин. Существенное влияние на спектр сейсмических волн грунтовых условий, обусловливает обязательное включение в технологический процесс обоснования методики малоглубинных исследований определенного объема опытно-методических работ, нацеленных на выбор оптимальных условий возбуждения и регистрации.

Данные приемы управления спектром возбуждаемых колебаний являются статическими. Более широкими возможностями обладают динамические методы, основанные на управлении закона изменения давления на грунт. Одним из таких, наряду с Вибросейс и Mirü-Sosie, является метод реализованный Ф.Эвисоном, который с помощью электромагнитного преобразователя генерировал единичные цуги синусоидальных колебаний длительностью 20 мс и частотой от 300 до 1000 Гц. Прием цугов колебаний, соответствующих отраженным И преломленным волнам осуществлялся на расстояниях до 135 м. При этом попытка регулировки и изменения формы синусоидальных посылок оказались безуспешными. Управление формой генерируемых колебаний, подбор в зависимости от грунтовых условий их параметров возможен на основе поли-импульсного способа возбуждения.

В предлагаемом методе период следования зондирующих импульсов, аппроксимируемых дельта-функцией 5(t) в кратное число раз, 'меньше интервала дискретизации регистрируемых колебаний Т. Если цуг колебаний act), регистрируемый сейсмоприемкиком от единичного воздействия, определятся сверткой дельта-функции с передаточной функцией разреза h(t), то задавшись требуемой разрешающей способностью и оптимальной формой регистрируемых колебаний на основе винеровской фильтрацией или других способов разложения временных последовательностей (3.Р.Канасевич) возможен расчет коэффициентов К ix , определяющих соотношение амплитуд последовательности волновых пакетов a(t) в суммарном сигнале требуемой формы ATPft):

п-1

Afp it) = К0 ait) -г К; ai t+c) + Hi -.<Кт?т) + ... = £ г' lta(r.t;t),

1-0

где п - количество единичных воздействий, а К^-их огибающая. Для реализации такой системы необходим Излучатель, датчик регистрации волновых пакетов, анализатор спектра и программируемый генератор электрических импульсов. В качестве излучателей целесообразно использование пьезоэлектрических или магнито-стрикционных излучателей. Зарегистрированный детектором единичный волновой пакет подается в анализатор спектра, где исходя из требуемых параметров АтрШ сигнала осуществляется расчет и задание программы работы излучателя в виде последовательности коэффициентов «1 , определяющих вклад каждого единичного воздействия в суммарный волновой пакет. Подача последовательности электрических импульсов переменной амплитуды Кц 5(1+11) на излучатель обеспечит возбуждение реального суммарного волнового пакета Ар(1) с определенной степенью точности эквивалентного Атв(1). Степень эквивалентности определяется корректностью аппроксимации огибающей амплитуд последовательностью коэффициентов К1 и возможностью генерации воздействий различного знака. Поскольку продольные волны не обладают свойством инверсии, на этапе выбора функции К ¡г необходимо ориентироваться только на ее положительные значеййй, лйбб ([¡егКстрйройать волновую картину от каждого единичного ££ВДёЙ£??йй» е Нбс'ЛёДуКШМ суммированием элементарных сейсмотрасс с учетом ЁрёМёйй КВДб^о воздействия и знака при коэффициенте К гг.

Во втором разделе рассмотрены особенности применения МНвРШ-ратных систем наблюдений, нацеленных на регистрацию малоглубИйНУЛ отраженных и преломленных волн. Выбор и обоснование методики'ёЫ-сокораэрешашей многоволновой сейсморазведки предложено осуществи ять исходя из апиорных сейсмо-геологических моделей на основе волно"частотных представлений При таком подходе определяющее значение имеет,.не избирательная способность интерференционной системы, а требуемая разрешающая способностья. Формально процесс синтеза можно разделить наэтри этапа. На первом этапе, исходя йз требуемой разрешающей способности, с учетом правила двух октав й теоремы Котельникова, определяют частотный диапазон регистрируемых колебаний и интервал дискретизации. Задавшись частотным диапазоном и формой регистрируемых колебаний, на основе априорных ЗГМ. определяют пространственно-временные координаты всех целевых воли и когерентных- шумов. Подученное поле годографов используют

- аз -

на" втором этапе, синтеза для определения оптимальных интервалов прослеживания волн, длины записи, выбора системы наблюдений нацеленных на выделение отраженных (ОРТ) или преломленных (ОГП) волн, а также расчета их геометрических характеристик.

Моделирование процессов отражения от пласта ограниченной протяженности показывает, что зона Френеля должна .-перекрываться четырьмя-шестью трассами в расстановке ОПВ. Величина базы приема Хт лимитируется горизонтальной разрешающей способностью, явлением трансформации глубинной точки в площадку, деформацией формы волновых пакетов при вводе кинематических поправок и в общем случае не должна превышать величину двойного сейсмического сноса. Условие разрешения реализовано в виде номограммы, отражающей зависимость Л1?х от Ь0 для различных Х:п при фиксированной длине волны А=10 м. Номограмма с учетом реального частотного диапазона позволяет исходя из требуемой глубинности оценить максимачьно возыож ноо удаление источник-приемник и выбрать бяо/ суммирования. Выбор кратности N. а через это и шага ПВ осуществляют на основа экспертных оценок эффективности селекции различных е<чщ по характеристикам направленности (В.И.Мешбей). Имея данные о канальноотг. станции, величине базы и кратности суммирования с учетом оптимальных интервалов прослеживания волн можно выбрать систему наб людений. Наиболее целесообразны фланговые системы, обеспечивающие путем наращивания базы в область закритических отражений реализовать регистрацию по методике многократных перекрытий преломленных волн - методу оошей глубинной площадке ОГП (Д.Рокуэл, А.Е.СтароОи-нец, В.К.Монастырский).

Расчеты теоретических годографов и моделирование на оБМ волновых полей позвонили сделать вывод, что при достижении соответствующего отношения сигнал/помеха и правильно подобранной форме зондирующих импульсов метод ОГП позволяет формировать качествен ные временные разрезы, отражавшие особенности геологического строения ВЧР в случае инверсии скоростей и выпадения слоев. Д<н выбора параметров систем наблюдений ОГП составлены номограмма он ределения выноса пункта возбуждения от крайнего канала и альбом обобщенных характеристик направленности, позволяющий обосновать оптимальную кратность. Результаты синтеза свидетельствуют, что при изучении ВЧР эффективна 12-кратная фланговая система с расстоянием между каналами 3 м и нескольким»-'ПВ н-ч одней базе приема,

вынесенными от 36 до 69 м, при длине зондировочных профилей 174м.

В случае необходимости реализации комбинированного методг ОГТ-ОГП за счет двух-трех кратных воздействий и конвейерного способа раскладки кос возможно получение фланговых систем с удлиненными базами. Последующая выборка на этапе сортировки соответствующих каналов обеспечивает формирование нескольких независимых массивов сейсмограмм ОГТ и ОГП, .по которым осуществляют выделение определенных типов волн в зонах их оптимального прослеживания. Сейсмические методы, реализующие идеи многократных перекрытий, подразумевают широкое привлечение к процессу обработки ЭВМ. На основе многофункционального аппарата обработки данных MOB, применительно к использовавшимся при проведении исследований сейсмос-танциям, была разработана и апробирована на различных ЭВМ (САЙ-БЕР, ПС2000, ЕС-1066 и др.) технологическая схема обработки материалов ОГТ-ОГП, обеспечивающая построение временных разрезов, оценку эффективных и граничных скоростей выделенных СВК по отраженным и преломленным волнам.

б. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОГ-Н03ИР0ВАНИИ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА

Заключительная глава иллюстрирует возможности разработанных автором подходов при решении практических задач. В первом разделе дана характеристика апостериорных ФГМ Муринского гидромелиоративного массива. Показано, что методы сейсморазведки целесообразно использовать в качестве детализационных, нацеленных на дополнительное изучение опорных разрезов и ключевых участков. Наблюдения осуществляют на отдельных зондировочных профилях КМПВ, а в случае наличия мерзлоты-методом ОГП, число и места заложения которых намечают по результатам районирования территории. В часности опытно-методические работы на участке переуглубления коренных пород г, пойме- р.Китой подтвердили правильность выбранной на этапе математического моделирования методики и доказали высокую информативность МОГИ при изучении ВЧР. На временном разрезе выделяется 3 границы. Первая преломляющая граница, залегающая на глубине 19-20 м (Lo*40 мс), соответствует кровле глин неоген-четвертичного возраста. Вторая граница на глубине 52-58 м (to~106 мс) отождествляется с юрскими конгломерат-ами, третий горизонт (1о*140мс), обус-

ловлен доломитами вскрытыми на глубине около 100 м. Дальнейшие геофизические исследования в пределах детального Наумовского участка подтвердили возможности сейсмических методов при изучении разрезов различных типов. Состав комплекса исследований и применявшиеся ' методы опробования определили методику параметрических наблюдений, наделенную на выявление взаимосвязей между такими геофизическими параметрами как скорость продольных (Ур) и поперечных волн, удельное электрическое сопротивление (р) с одной стороны и содержанием глинистых (Г) и песчаных (П) фракций, влажностью (М), плотностью (б), а также фильтрационными свойствами (Кф) пород зоны аэрации - с другой. Парные параметрические наблюдения по шурфам и скважинам позволили выявить устойчивые взаимосвязи, статистическая обработка и сглаживание которых методом наименьших квадратов приводят к следующим инвариантным критериям подобия :

Яг =6/0.2?-¿ИГр; Яг=Кф /(0.72-?.7'10"4-Ур);

ЯЗ=П/33 • Ю-4 • V"1'42; Я4=Г/8410 • р~1 •23,

которые обеспечивают прогноз литодогического состава и определение важнейших физико-механических свойств пород по геофизическим данным. Подобный прогноз возможен с помощью предложенного автором модифицированного треугольника Ферре, в " основе которого лежит трансформация процентных координат треугольника классификации состава песчано-глинистых пород в координаты геофизических величин. Масштаб координат определяется исходя из критериев подобия ' Пз ■ и П4 отражающих зависимость электрических й упругих характеристик грунтов от содержания песчаных и глинистых фракций. Обработка данных ВЭЗ, КМПВ и ОГП позволила выполнить районирование территории по типам <ФГМ, определить геометрические и физические характеристики выделенных моделей, а на заключительном этапе интерпретации с помощью количественных критериев подобия определить важнейшие инженерно-геологические показатели и сформировать апостериорную ФГМ Наумовского участка, которую объективно отражают карты мощности зоны аэрации, деятельного слоя и развития многолетней мерзлоты, литодогического состава и фильтрационных свойств пород ВЧР.

Во втором разделе показано, что высокоразрешаюии'? сейсмично-

кие исследования ОГТ-ОГП являются действенным инструментом изучения глубоко залегающих погребенных россыпей. Наиболее богаты« россыпи Ленского района локализуются в пределах крупных неотектонических структур и в часности на бортах Жуинской депрессии. Пс данным А.А.Сапрыкина и др. наибольшая мощность рыхлых отложени? наблюдается на левобережье р.Жуй в районе прииска Светлый. Хорс-езя сохранность и высокая продуктивность с одной стороны, значительные глубины и сложные гидрогеологические условия с другой объясняют неослабеваемнй интерес к подобным россыпям и обуславли; вают необходимость строгого планирования технологии их разведки и добычи. Полное отсутствие данных о скоростях и большой диапазон предполагаемых глубин обусловили проведение на первом этапе наблюдений на удлиненных параметрических профилях-зондах, Не смотря на сложные поверхностные условия, за счет специальных приемов установки сейсмоприемников на сейсмограммах ОПВ в явном виде прослеживаются две отраженные волны. Наличие встречных годографов позволило оценить скоростное строение разреза и в качестве оптимальной выбрать 12-кратную систему с выносом ПВ на 80 м, базой приема - 115 м и шагом СП - 5 м. На временном разрезе в интервале времен to«180-190 мс уверенно прослеживается двухфазная отраженная волна с нарушением корреляции в центральной части профиля, которое свидетельствует о наличии сброса в'коренных породах вале-, гающих на глубине 150-160 м. Кроме того, на глубине 88-100 м ■ (to-'120-135 м) выявлен второй горизонт не проявлявшийся на сейсмограммах ОШ. Первая отражающая граница фиксируется только на начальных пикетах и соответствует по данным КМПВ уровню грунтовых вод, залегающему на глубине 1Ь-30 м. Полученные данные о реальной глубине запегания плотика и характере изменения скоростей позволяют развернуть сейсморазведочные работы и проектирование бурения нацеленных Ra изучение этого перспективного района.

Принципиально новы^_ подход к обоснованию технологии отработки погребенных россыпей иллюстрируется результатами работ на Ку-ранахском рудном поле. Наличие дражных отложений,островная мерзт лота, повсеместная обводненность вмещающих пород и значительные . глубшш практически исключили применение традиционных способов непосредственного определения физико-механических свойств. В этих условиях решающее значение приобретают сейсмические исследования обеспечивающие определение инженерно-геологических характеристик

в естественном залегании. Исходя иа параметров ФГМ примени* ■■■лн:": к Куранахской россыпи был обоснован комплекс методов вклк. 1ающий 12-кратное ОГЛ, КМПВ и микросейсмокаротаж скважин на продольных и поперечных волнах. Изучение объемного строения центральной части месторождения, путем прослеживания опорных преломляющих горизонтов о последующей их литолого-стратиграфической привязкой, позволило составить итоговые петрофизические разрезы, представленные преимущественно пятислойной моделью, отражающие изменение скоростных л геометрических характеристик выделенных СВК. На заключительном этапе интерпретации на основе линейной теории упругости и наиболее представительных корреляционных зависимостей, установленных для аналогичных шмплексов пород СВ.И.Бондарев, В.Н.Никитин) и проверенных посредством небольшого объема параметрических наблюдений, петрофизические разрезы трансформировались в разрезы физико-механических сьойств. Все образования, исходя иь полученных значений модуля Юнга, коэффициента Пуассона, модуля сдвига, угла внутреннего трения, удельного сцепления и модуля деформации, по консистенции могут быть отнесены к полутвердом или тугоплас-тичным глинистым породам; а по цеформаиионным характеристикам, которые закономерно увеличиваются с глубиной, к сжимаемым (современный аллювий) или малосжимаемым (приплогиковые суглинки).

В третьем разделе приведено обоснование методики из/чения кайнозойских отложений Юкнбго Байкала. Опытно-методические работы нацеленные на изучение волнового поля велись по системе встречных и нагоняющих годографов на удлиненных до 276 м базах.'Возбуждение упругих колебаний осуществлялось пороховым источником. Высокий уровень естественных и искусственных помех, а также интенсивное затухание не позволили осветить разрез на необходимую глубину. Наиболее полная информация была получена по самой верхней части разреза, где на глубине 5-15 м уверенно выделяются региональный УГВ, а на предгорных участках - поверхность коренных пород. Специальные работы на берегу Байкала позволили зарегистрировать отраженные волны от двух границ. Первая залегает на глубине около 30 м (1о=Ю0мс) и вероятно соответствует подошве четвертичных отложений. Вторая-фиксируемая на глубине около 80 м (ьо=200мс) может оыть увязана с кровлей осиновско-танхойского СБК. Отр&иеьил уверенно диагностируются по по двх-трех фаз им цугам, разделение которых ьо времени возможно только при включенном фильтре 84 и

установке сейсмоприемников в закопушки на удлиненные концентраторы. Полученные данные, хотя и не ответили на вопрос о глубине залегания коренных пород, позволили синтезировать систему наблюдений с изменяющейся в зависимости От базы приема глубинностью исследований, а также доказать наличие отражающих горизонтов в верхней части кайнозойских отложений Южного Байкала.

• Более позитивные результаты были получены в Приольхонье. Так по данным многоволнового КМПВ в раврезе долины р.Кучелги выделяются от 2 до 4 преломляющих горизонтов, соответствующих породам деятельного слоя, УГВ, поверхности островной мерзлоты и глинам неогенового возраста. Коренные породы, характеризующиеся скоростью продольных волн 3800-4Я00 м/с, достоверно прослежены только вблизи бортов долины, В центральной части наблюдается погружение преломляющих границ до глубин 40-50 м и срыв корреляции, что свидетельствует о наличии сброса. Несколько другой тип разреза наблюдается в пределах конуса выноса р.Сармы. В районе Сарминско-го ущелья по данным КМПВ на глубине 6-8 м уверенно фиксируется преломляющий горизонт с граничной скоростью 3900-4200 м/с. соответствующий коренным породам. По мере приближения к берегу залива Малое Море граничная скорость уменьшается до 1800-2100 м/с. Скачкообразное изменение скоростных характеристик вдоль по профилю, отсутствие других акустически контрастных горизонтов при общей глубинности исследований свыше 100 м, что обеспечивалось интерференционным суммированием по МОГП и использованием г, качестве источника газодинамического генератора сейсмических колебаний ГСК-6М, свидетельствуют о наличии здесь сброса амплитудой свыше 200 м и позволяют сделать вывод об однородности и очень коротком периоде формирования рыхлык отложений.

Экологическая обстановка вокруг действующих IX во многом определяется устойчивостью плотин золоотвалов, прорыв которых ведет к загрязнению и необратимым изменениям " прилегавших территорий. В четвертом разделе приведены результаты геофизических исследований при оие!п:е устойчивости и обосновании проекта реконструкции плотины на золоотвале Усольской ТЭС-11, . на которой уже имели место случаи прорыва и сброса шламовой пульпы в пойму р.Ангары. Тело плотины представляет собой насыпное сооружение из гра-впйно-галечных отложений с лессовидным суглинистым заполнителем, наращивание которой осуществлялось по мере заполнения чаши пуль-

пой. Геофизические исследования проведенные по периметру верхней бермы трехярусной дамбы и в пределах "пляжной зоны", включали в себя пенетрадионные зондирования ,. радиоизотопные измерения, многоволновые ммкросейсмокаротаж и КМПВ. Полученные по материалам сейсмических и ядерно-геофизических наблюдений скоростные и плот-ностные характеристики насыпных пород тела плотины по известным формулам (В.И.Бондарев, В.Е.Васильев), подбор которых осуществлялся по данным статических зондирований, пересчитывались в деформационные, что позволило оценить устойчивость основных элементов дамбы. Так локальное понижение УГВ в золо-шлаковых отложениях "пляжной зоны" л снижение физико-механических свойств, выявленные' между наблюдательными скважинами в северной части золоотвала, свидетельствует о повышенной фильтрации и разуплотнении тела плотины за счет выноса заполнителя в этом интервале профиля. По результатам компрессиометрлческих испытаний проб золы ненарушенной структуры была выявлена линейная зависимость между модулем деформации Ед и скоростью продольных волн Ур:

Ед = 0.022-Ур -2.6 (мПа).

При этом в интервале давлений 0,2 - 0,25 мПа наблюдается скачок скоростей с 430 до 610 м/с, что свидетельствует о наличии качественных изменений прочностных свойств золы в зависимости от давления. Это позволяет сделать вывод р возможности использования зо-ло-шяаковых образований в качестве основания очередной бермы наращивания при условии их предварительного уплотнения или введения связующих материалов.

В четвертом разделе показано, что'сейсмоакустические методы являются действенным инструментом инженерно-геологического обеспечения сейсмического микрорайонирования территорий и изысканий под объекты строительства. Так наиболее важлым итогом совместного анализа результатов ОГП, МСК, бурения и геологического опробования, кроме прогноза в естественном залегании фкзико-мехалнческих свойств рыхлых отложений, является установление наличия в разрезе основания проектируемой плотины хвостохранилшда на р.Догалдын слоя дезинтегрированных коренных пород, которые с некоторой долей условности можно определить как кору выветривания. Р:ин е кровлю этого слоя ошибочно отождествляли с поверхностью к. 1р.иных пород. Наличие предсказанного по данным сейсморазведки слоя дезинть-гри

рованных углистых сланцев мощностью 15-20 м, которые характеризуются пониженными значениями скоростей, подтверждено специально проведенными гидрогеологическими откачками и влечет за собой необходимость пересмотра имеющихся проектов. В связи с возможностью фильтрации экологически вредных веществ под основание плотины в качестве последнего следует использовать кровлю неизмененных коренных пород.

В заключении раздела приведены результаты работ на промпло-щадке Молодежного ГОКа, где с помощью лабораторных измерений на пробух в процессе их компрессиометрического сжатия были выявлены закономерности изменения сейсмоакустических свойств песков в зависимости от грансостава, пористости и давления. Измеренные в естественном залегании и лабораторных условиях скоростные характеристики, позволили дать внутренне согласованную интерпретацию материалов геофизических исследований (сейсморазведка КМПВ, радиоизотопные плотно-влагометрия, ВЭЗ) и инженерно-геологического опробования ; предложить физико геологическую модель, отражающую изменение свойств песков в зависимости от грансостава, глубины залегания и степени их дисперсности. В целом выявленные закономерности и взаимосвязи позволяют на основе теоретических и реально наблюдаемых особенностей изменения сейсмоакустических характеристик и физико-механических свойств песков, на основе вариантного моделирования формировать динамические ФГМ, отражающие возможные деструктивные изменения в ВЧР, рассчитать степень сейсмической опасности и сформулировать основные требования к проектируеШм сооружениям в зависимости от предполагаемых изменений мерзлот-но-гидрогеологических условий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет обобщение теоретических и экспериментальных исследований по развитию комплекса сейсмоакустических методов для целей прогнозирования верхней части геологического разреза. Совокупность полученных автором результатов обеспечивает рег-пше крупной' научно - технической проблемы расши рения области применения и повышения эффективности сейсмоакустических исследований' для оперативного изучения лигологического состава, условий залегания и физико - мех-мических свойств пород

ЧР при решении инженерно - гидрогеологических, экологических, труктурно-картировочных и поисково-разведочных задач в осложнен-ых условиях. Важнейшие научные и практические результаты выпол-енных диссертантом исследований могут быть сформулированы в виде ледующих защищаемых положений:

1. Прогнозирование верхней части геологического разреза це-;есаобразно осуществлять на основе итеративной методики физико -еологического моделирования, позволяющей сформировать обобщенную шиморфную ФГМ, отражающую строение, условия залегании, литоло-ический состав и физико - механические свойства структурно - Бедственных комплексов ВЧР с учетом воздействия динамических фак-■оров.

2. Сформированные унифицированные ФГМ обеспечивают создание »рректных априорных моделей ВЧР, отражающих основные особенности ■еолого-геофизического строения территории и используемых для >боснования методики и техники работ, отработки алгоритмов ин-•ерпретации и оценки эффективности различных модификаций сейсмоа-;у стических исследовании.

3. Надежное выявление дифференциальных взаимосвязей, оправляющих критерии подобия отдельных литолого - генетических комп-[ексов рыхлых отложений с одной стороны, и их водно-физических и жзико-механических свойств с другой, возможно путем комплексных )авномасштабных оцновременыых петрофизических измерений на пробах i процессе их компрессионного сжатия с последующей проверкой пу-■ем парных измерений в естественном залегании.

4. Активное' воздействие на амплитудно - частотный состав )егистрируемых сейсмических колебаний возможно путем выбора опти-(альных условий установки источников и приемников, а также на ос-юве поли-импульсного способа возбуждения, реализующего програм-(ируемую модификацию закона изменения давления на поверхность юсредством последовательности коротких импульсных воздействий [временной амплитуды и полярности.

5. Потенциальные возможности малоглубинных сейсмических ^следований особенно в условиях разрезов с инверсией скорости с 'лубиной, в полной мере могут быть реализованы лишь при переходе ¡а совместную регистрацию отраженных и преломленных волн по мето-щке многократных перекрытий, основанной на накоплении. цел^ьи/. эолн по принципу общей глубинной точки - плошдцки (ОГТ-ОГП).

6. Реализация принципов прогнозирования верхней части геологического разреза обеспечила формирование апостериорных физико - геологический моделей в различных регионах Сибири и Якутии, которые отражая основные особенности геологического строения изучаемых объектов, наделены количественными характеристиками необходимыми для обоснований технического проекта или выработки природоохранных мероприятий при решении инженерно-гидрогеологических, поисково - картировочных или экологических задач.

Основные положения диссертации изложены в следушотх печатных работах:

1. Дмитриев А.Г., Радченко K.M., Чагин М.М. Опыт применения количественных методой оценки эффективности и комплексной интерпретации результатов геофизических исследований. / В кн.: Геофизические методы поисков и разведки. Вып. 4. - Свердловск: из-во УПИ, 1978. С. 97-102.

2. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Кирзнер И.Б. К формировании ФГМ при микросейсморайонирсвании участков трассы БАМ. / В кн.: Методика и результаты геофизических исследований Восточной Сибири. - Иркутск: Вост.-Сиб. кн. из-во, 1979. С. 125-135.

3. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Давыденко А.Ю. Расчет параметров ФГМ на основе теории подобия. / В кн.: Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. - Свердловск: из-во СГИ, 1980. С. 3-9.

4. Гоманонко В.А., Дмитриев А.Г., Штефюк А.П. Геофизические исследования при мелиоративном строительстве гемёДь Южного Приан-гарья. / В кн.; X Конференций молодых научных сотрудников по reo- -логии и геофизике Восточной Сибири. (Тезисы докладов). - Иркутск: из-во ИЗК, 1982. С. 130-140.

5. Житов С.И., Дмитриев А.Г. Использование ФГМ при сейсмическом просвечивании грунтов. /В кн.: X конференция молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири. (Тезисы докладов). - Иркутск: из-во ИЗК, 1502. С. 144-145,6. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г. Физико - геологическое моделирование зоны аорации с целью совершенствования методики геофизических исследований. / В кн.: Основные направления совершенствования комплексных геофизических исследований при поисках мзе-торожд-ний полезных ископаемых г. Сибири и на Даинем Востоке.

(Теаисы докладов). - Иркутск: Вост.-СиЗ. кн. из-во, 1983. С.-18.

7. Дмитриев А.Г., Вахромеев Г.С., Смирнов A.B. Применение метода общей глубинной площадки при решении инженерно-геологических задач. / В кн.: Геофизические методы в гидрогеологии и инженерной геологии. (Тезисы докладов 7 научно-производственного семинара). - Вильнюс: из-во ВГУ, 1983. С. 160-152.

8. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Житов С.И. Пути оптимизации комплексных геофизических исследований при решении задач мелиоративного строительства в Приангарье. / В кн.: Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. -Свердловск: изд-во СГИ, 1983. С. 22-29.

9. Дмитриев А.Г., Житов С.И., Кодданов А.Н. Взаимосвязь сейJMO-электрических и инженерно- геологических параметров грунтов зоны аэрации. /В кн.: XI конференция молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири. (Теэисы докладов). - Иркутск: из-во ИЗК, 1984. С. -141.

10. Дмитриев А.Г., Яитов С.И., Колданов А.Н., Сотсвьев В.К. К методике геофизичзских исследований при гидромелиоративных съемок в районах, характеризующихся наличием многолетней мерзлоты. / В кн.: Геофизические методы поисков И разведки рудных и нерудных месторождений. - Свердловск: изд-во СГИ, 1984. С. 96-101.

11. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г. Методология физико - геологического моделирования зоны аэрации в условиях островной многолетней мерзлоты. / В кн.: Геофизические методы в гидрогеологии, инженерной геологии и гидротехнике. Тезисы докл. VIII научно -технического семинара - совещания. - Ереван: изд-во ЕГУ, 1985. С. 34-37.

12. "Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Мироманов A.B., Никифоров С.П. Использование многократных сейсмических систем наблюдений и волн различной.поляризации при решении инженерно-геологических задач. / В кн.: Многоволновая сейсморазведка: Тезисы докладов Всесоюзного совещания. - Новосибирск:' изд-во ИГиГ СО АН СССР, 1985. С. 113-115. • ■

13. Дмитриев А.Г. Анализ источников возбуждения упругих колебаний при малоглубинной сейсморазведке. / В кн.: Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. -Свердловск: изд-во СГИ, 1985. С. 81-ó?.

- 14. Дмитриев АЛ'., Мироманов A.b., Никифоров С. 11. Опыт ис-

пользования сейсморазведки при изучении технсгенно-аллювиальных отложений в Южной Якутии. / В кн.: Геофизические методы Поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. - Свердловск: изд-во СГИ, 1985. С. 107-113.

15. Дмитриев А.Г., Дуглас C.B., Мусаретов P.A. Применение цифровой сейсмостанции "Прогресс-2" при изучении верхней части разреза. / В кн.: Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири. - Иркутск: 198?. С. 33-34.

16. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Мироманов A.B., Никифоров С.П. Совместная регистрация отраженных и преломленных волн при изучении верхней части разреза. / В кн.: Геофизические методы в гидрогеологии;- инженерной геологии и шахтной геологии. Тезисы докладов IX Всесоюзного научно-технического семинара-совещания. -Донецк: изд-во УФ ВНИМа, 1987. С. 18-19.

17. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Мироманов A.B., Никифоров С. П. Многократные сейсмические системы наблюдений при изучении речных долин в условиях многолетней мерзлоты. / В кн.: Применение геофизических методов при поисках и разведке россыпных месторождений, нерудного сырья и подземных вод. Тезисы докладов территориальной научно - технической конференций. - Свердловск: 1987. С. 21-23.

18. Дмитриев А.Г., Емельянов А.И., Никифоров С.П. Определение физико-механических свойств рыхлых грунтов геофизическими методами. /В кн.: Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых. (Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции). -Иркутск: из-во ИЛИ, 1988. С. 3è-39.

19. Дмитриев А.Г;, Кирзнер И.В., Мироманов A.B., Никифоров С. П. Решение прямой заДачи микросейсмокаротажа с учетом возникновения головных волн.' / В кн.: Геофизические исследования скважин при поисках и°рааведке месторождений полезных ископаемых. (Тезисы докладов территориальной,, научно-технической конференции). Свердловск: 1988,- С. 41-42.

20. Вахромеев Г.С., Павлов О.В., Джурик В.И., Дмитриев А.Г. Фиаико - геологическое моделирование верхней части разреэа в ус-лоииях многолетней мерзлоты. - Новосибирск: Наука, 1989. -119 с.

21. Дмитриев А.Г.. Плесовских В.Н. Цифровое ультразвуковое, физическое моделирование сейсмических полей. / В кн.: Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологичес-

:их и гидрогеологических вадач. (Тезисы докладов X Всесоюзного аучно - технического семинара) .- Москва: ВСЕГИНГЕО, 1839. С. 6-39.

22. Дмитриев А.Г. Принципы высокоразрешающей малоглубишюй ейсморазведки. / В кн.: Использование новых геофизических мето-ов для решения инженерно - геологических и гидрогеологических адач. (Тезисы докладов 10 Всесоюзного научно - технического се-инара). - М.: ВСЕГИНГЕО, 1989. С. 42-43.

23. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Кожевников Н.О., Мирома-ов A.B., Никифоров С.П. Геофизические исследования речных долин

районах неотектонической активизации. /В кн.: Использование овых геофизических методов для решения инженерно-геологических адач. Тезисы докладов X Всесоюзного научно-технического семина-а. - М. : ВСЕГИНГЕО, 1089. С. 80-81.

24. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Кирзнер И.В., Никифоров .П. Методика трехкомпонентного микросейсмокаротажа обсаженных гшажин. / В кн.: Сейсмология и сейсмостойкое строительство на альнем Востоке. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. С. 7-8.

25. Дмитриев А.Г.,' Никифоров С.П., Седова Г.Е. Прогнозная денка реакции грунтов на сейсмические воздействия. / В кн.: Тех-эгенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта. (Те-ясы докладов Всесоюзной научной конференции, посвященной 80-ле-,«о академика АН УзССР Г. А. Мавлянова). - Ташкент: изд-во ФАН зССР, 1990. С. 118-119.

26. Дмитриев А.Г., Кирзнер И.Б. , Мироманов A.B.., Никифоров .П. К методике интерпретации непродольних вертикальны'; годогра-зв / В кн.: Геология, поиски и разведка месторождений полезных жопаемых. (Тезисы докладов к научно-технической конференции). -жутск: 1990. С.-130.

27. Дмитриев а.г., Чусов в.в. Применение многоеолнсеой .•йсморазведки при оценке устойчивости дамб золоотвалсв. / В кн.: голого-геофизические исследовании при решении экологических за-14. (Всесоюзная конференция). Тес-нсы. - Москва, 1091. 0. 94 95.

28. Дмитриев А.Г., Кожевников И.О.. Мироманов л.Г;., Ни. лфо-ib С.П. Прогнозирование! верхней части .-•eonoi m<?„Ki.i , j -tapv-. л я денка его физико - механических свойств ь район« ч-олтел1-ntvi як.кого золоторудного комбината по геофиьнч^а¿»лним. t в 1.: Геофизически- ч.'сл^дсвшм в гидрогеологии, .иисиерной reo-

логии. Часть И. - Ташкент: Гидроингео, 1991. С. 35 - 39.

29. Кожевников И.О., Дмитриев А.Г. Применение нестационарных электромагнитных зондирований и многоволновой сейсморазведки в экологических исследованиях. /В кн.: Международная конференция по экологии Сибири. СибЭКО - 93. (Тезисы докладов). - Иркутск: ИЛИ, 1993. С. 88-89.

80. Дмитриев А.Г. Моделирование сейсмоакустических свойств дисперсных грунтов при компрессионных воздействиях. У В кн.: Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование. (Тезисы докладов Межреспубликанского научного семинара). - Иркутск, из-во ИЗК. 1994. С.-36.

31. Дмитриев А.Г. Методика высокоразрешающей малоглубинной многоволновой сейсморазведки, 1995. (В печати).

32. Дмитриев А.Г. Унифицированные физико-геологические модели верхней части разреза, 1995. (В печати).

33. Вахромеев Г.С., Дмитриев А.Г., Мироманов A.B. Физико-геологические модели верхней части геологического разреза Байкальской рифтовой зоны. 1995. (В печати).