Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка методики выявления зон неотектонических нарушений по материалам малоглубинной высокоразрешающей сейсморазведки

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики выявления зон неотектонических нарушений по материалам малоглубинной высокоразрешающей сейсморазведки"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКДЕМИЯ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗОН НЕОТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ ПО МАТЕРИАЛАМ МАЛОГЛУБИННОЙ ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

ОД

МОХСИН НАВШАД АХМЕД

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московской Государственной Геологоразведочной

Академии (МГГА)

Научный руководитель — профессор Боганик Г.Н.

Официальные опоненты —Доктор физико-математических наук,

профессор Завалишин Б.Р.

— Кандидат технических наук, Гречишников Г.А.

Ведущая организация Геологический факультет МГУ

Защита состоится 12 марта 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.063.55.03 в Московской государственной геологоразведочной академии (МГГА) по адресу: 117 873 Москва, ул. Михлухо-Маклая, 23, (ауд. 6-38)

С диссертацией можно ознакомиться в бибиотеке МГГА Автореферат разослан 19 февраля 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук

проф.Блох Ю.И.

Актуальность: Понимание огромного влияниия неотектони ческих процессов на жизнь человека неуклонно возрастает во всем мире. Это влияние проявляется в самых различных, иногда совершенно неожиданных аспектах.

На Московской земле в той или иной степени проявляется новейшая тектоническая активность как регионального, так и локального масштабов. Здесь известны многочисленные случаи деформации и разрушения зданий и сооружений, разрывов подземных коммуникаций, провалов дорожных покрытый и т.п. Эти факты обычно рассматриваются как проявление суффозионно-карстовых процессов в приповерхностных отложениях. Однако места возникновения этих процессов, характер их развития и проявления несомненно обусловлены особенностями малоглубинной дизъюнктивной тектоники. Неотектоника является важнейшим геоэкологическим фактором, особенно на территории такого мегаполиса как Москва. Поэтому столь актуальной стала задача использования геофизических методов, и прежде всего сейсморазведки как самого точного из них, для выявления и исследования приповерхностных неотектонических зон.

Цель н задачи исследования: Целью исследований являлась разработка теоретических и методических основ применения малоглубинной высокоразрешающей сейсморазведки на отраженных волнах для выявления и картирования приповерхностных неотектонических зон.

Задачи исследований включали:

1. Изучение и обобщение данных, относящихся к проявлениям дизъюнктивной тектоники на сейсмической волновой картине.

2. Создание нового типа сейсмогеологической модели для приповерхностных неотектонических зон разуплотнения горных пород верхней части разреза.

3. Формирование и параметризация сейсмогеологической модели верхней части разреза Западной территории Москвы, включающей как неизмененные породы, так и породы в зоне разуплотнения.

4. Математическое моделирование отражающих свойст] сейсмических границ для исследования закономерностей изменен«: динамики волновой картины при переходе от неизмененных 1 разуплотненным породам ВЧР.

5. Анализ экспериментальных материалов малоглубинно! высокоразрешающей сейсморазведки дня апробирования данны; математического моделирования и формулировки методически: результатов исследований.

Методика исследований включала:

— сбор, анализ и обобщение литературного и фондового материал! по дизъюнктивной тектонике осадочных отложений и ее воздействию н; упругие и плотностные свойства пород верхней части разреза;

— математическое моделирование зон неотектоническоп разуплотнения и их влияния на динамику волновой картины отражений и: верхней части разреза;

— спектральный анализ модельных и реальных сейсмических трасс;

— оценка эффективности предложенной модели путем сопоставленш модельных и экспериментальных данных.

На защиту выносяется следующие положения:

1. Предложен новый тип сейсмогеологической модел! приповерхностных неотектонических зон разуплотнения горных пор су верхней части разреза и выполнена параметризация этой модели дго западной части территории Москвы.

2. Установлено, что чувствительность динамики отраженных волн » изменению упругих свойств пород в зонах разуплотнения повышается при наблюдении волнового поля на относительно больших дистанциях.

3. Предложено использование амплитудных частотных спектров трасс временных разрезов МВС для выявления аномальных неотехтонических зон.

4. Показано что теоретически прогнозируемые сейсмические эффекты неотектонических зон разуплотнения действительно наблюдаются и

надежно фиксируются на реальных разрезах однократного непрерывного профилирования по методике МВС.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в создании новой сейсмогеологической модели неотектонических зон разуплотнения пород ВЧР, на основании которой показано, что чувствительность отраженных волн к изменению упругих свойств пород в этих зонах повышается при наблюдении волнового поля на больших дистанциях. Предложена методика интерпретации материалов малоглубинной высокоразрешающой сейсморазведки на отраженных волнах с применением спектрального анализа волновой картины временного разреза, которая успешно решает практически важную геоэкологическую задачу выявления и прослеживания приповерхностных неотектонических зон.

Апробация работы: Результаты работы докладывались автором и Г.Н. Боганнком на Третьей Международной Конференции "Новые идеи в науках о земле" (Москва 1997) и изложены в опубликованных тезисах докладов этой конференции.

Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Она содержит 130 страниц, в том числе: текста — 95 страниц, рисунков — 28 страниц, таблиц — 5, список использованных источников — 67 наименований.

Настоящая работа выполнена на кафедре сейсмических и скважинных методов МГГА под научным руководством проф. Боганика Г.Н., которому автор выражает искреннюю благодарность.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность за ценную помощь проф. Номоконову В.П. и к. г-м. н. Бабаку В.И.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы исследований, задачи и методики исследований, защищаемые положения и апробация работы.

В первой главе рассмотрена дизъюнктивная тектоника и ее изучение сейсморазведкой. Описаны современные движения земной коры на территории Москвы. Охарактеризована разрывная тектоника в осадочных породах и ее классификация.

Сейсморазведка играет важнейшую роль в изучении разрывной тектоники. Выявление по сейсмическим признакам структурных особенностей земной коры и мантии, связанных с деятельностью разломов, основывается на рассмотрении динамических и кинематических особенностей волновой картины.

Характерными признаками выявления разрывных нарушений в осадочном чехле являются — видимые смещения осей синфазности регулярных отраженных волн, разрывы корреляции, осложненные в ряде случаев дифракционными явлениями. На временных разрезах уверенно выделяют крупноамплитудные тектонические нарушения, а малоамплитудные нарушения обнаруживаются различными признаками — локальные изменения динамических характеристик отраженных волн, разрывы корреляции, незначительные, близкие к флексурообразным, осложнения формы осей синфазности, изменение углов наклона отражающих границ.

В сейсморазведке широко используют преломленные и отраженные волны для исследования разломов. При работах методом преломленных волн (МПВ) признаком разрыва являются: зоны потери корреляции волн, прослеживаемые от профиля к профилю; скачок во временах прихода волн; появление глубинных центров дифракции; резкое изменение граничной скорости; затухание упругого импульса и большой разброс в значениях коэффициента поглощения.

Возможности выявления разломов методом отраженных волн (MOB) обусловливаются его большей, чем МПВ, разрешающей способностью в сложных сейсмогеологических условиях, которые свойственны зоне разлома. Разломы преимущественно выделяются по совокупности признаков: по области потери материала, разреженности отражающих площадок на временных разрезах, резким изменениям положения

маркирующих горизонтов с разрывом их корреляции, по наличию волн, отраженных от разрывных нарушений.

В главе 1 дается обзор проявлений на сейсмической волновой картине дизъюнктивной тектоники различных масштабов — от региональных глубинных разломов до локальных зон нарушений, выявляемых при детальных исследованиях.

Особое внимание уделено современным движениям земной коры на территории Москвы и ее окрестностей. Достаточно полно охарактеризована новейшая тектоническая структура и ее влияние на рельеф этих площадей. Показано, как по данным структурно-геоморфологической съемки выявлены неотектонические линеаменты разного масштаба, проявляющиеся на исследуемой территории. В частности, в западной части Москвы выделен Кунцевский неотектонический блок, в пределах которого расположен участок экспериментальных геофизических исследований.

Дальше — последний обзац со стр. 42.

Во вюрой главе излагаются основы методики и демонстрируется геологическая эффективность малоглубинной высокоразрешающей сейсморазведки на отраженных волнах.

На кафедре сейсмических и скважинных методов МГГА в содружестве с центром "Геон" разработана методика высоко-разрешающей сейсморазведки MOB для малоглубннных исследований в условиях шумной городской среды. Основное достоинство методики состоит в возможности избежать потерь высокочастотных компонент отражений, содержащихся в первичных записях. Такие потери неизбежны при обработке по методу ОГТ, поскольку горизонтальное накапливание сейсмических сигналов приводит к их низкочастотной фильтрации.

Основные характеристики методики малоглубинной высоко-разрешаюшей сейсморазведки (МВС):

I. Источник. Упругие колебания возбуждаются ударами ручной кувалды (от 5-10 до 40-50 раз) по металлической пластине, что обеспечивает

высокочастотный спектр излучаемых волн, не снижающийся при и синхронном накапливании.

2. Синхронизация записи. При синхронном накоплении воздействи для точного сложения высокочастотных компонент сигналов необходим обеспечить погрешность отметки момента удара не более 0.3-0.5 мс, чт достигается контактным способом отметки.

3. Приемники. Применяются одиночные высокочастотны электродинамические вертикальные сейсмоприемники с собственно частотой 100 Гц.

4. Система наблюдений. Применяется система продольного ил непродольного профилирования при однократном или двухкратно] прослеживании сейсмических границ. Наиболее благоприятна дп обработки и интерпретации встречная система наблюдений использованием сейсмических расстановкок небольших размеров 16-2 каналов при шаге 1 -2 м между ними.

5. Повторные наблюдения. Повторные (дублирующие) наблюдени позволяют при обработке достаточно уверенно различать н сейсмограммах случайные и регулярные компоненты волновой картинь используя для построения разрезов наилучшие по качеству записи или да» их фрагменты.

6. Запись колебаний. Запись колебаний производится пр включенных аналоговых фильтрах высоких частот с граничной частото 100 Гц. Шаг дискретизации сейсмических сигналов должен обеспечиват неискаженную запись частот до 500 Гц, т.е. не превышать 0.5 мс. Лучш установить шаг дискретизации 0.25 или даже 0.125 мс; это создает хороши "запас прочности" при регистрации высокочастотных компонен сейсмических сигналов.

7. Обработка полевых записей. При обработке необходим отказаться от горизонтального накапливания сигналов. Приемлемы: средством увеличения отношения сигнал/помеха является тольк синхронное накапливание сигналов. Для уменьшения искажени (растяжения) сейсмических импульсов при вводе кинематических поправо

целесообразно применять разностные поправки, т.е. времена отражений приводить не к нулевой дистанции, как обычно, а к минимальному удалению сейсмической расстановки от источника колебаний.

Оптимальные параметры фильтров подбираются тестированием на наиболее типичных и интересных сейсмограммах. Наиболее эффективна частотная фильтрация трасс до введения в них кинематических поправок, поскольку эта процедура вызывает нелинейные искажения колебаний, снижающие эффективность корректирующей фильтрации.

В третьей главе излагаются результаты математического моделирования приповерхностных неотектонических зон разуплотнения горных пород и их проявления в сейсмическом волновом поле.

Предлагается новый тип сейсмогеологической модели неотектонической зоны, где прослеживание сейсмических горизонтов в зоне сохраняется без их существенных вертикальных сдвигов, но при этом изменяется динамика отраженных волн вследствие изменения упругих свойств пород в области разуплотнения. Исследование проводилось, чтобы выяснить, при каких условиях изменения динамики отраженных волн оказываются столь значительными, что неотектонические зоны могут быть достаточно надежно выявлены на сейсмических разрезах.

При относительно небольшой мощности крутопадающей зоны разуплотнения можно учитывать влияние на амплитуды волн, отраженных от субгоризонтальных границ в ВЧР, только одного, причем важнейщего фактора — изменение коэффициента отражения на участке разуплотненных пород.

В случае падения плоской продольной волны на границу под углом а коэффициент отражения продольной волны А выражается формулой:

А (уР„ Уэ„ с!„ Ур2, Уб2, с12,а) =

-1 + ^[тг0!Ь,а2Ь2 + (с!2-т<?!)г хЬ^р^+с^Ур,^

Э = тге1ар<а2Ъ2 + т02)гУр1Уз,а2Ь2 + (с12-т^ар^р^ + (аг - а, -тб»2)2 X б^Ур^УрЛ^ + д,б1(уррргЧзг + а,Уз,Ур,Ь2)

. Sina

где в ---параметр луча;

VPi

a, = Cosa = y1-(Vp,0)2 —косинус угла отраженной волны Рг,

b, = Cos« = — косинус угла отраженной волны S i; а2 = Cosa = (Vpjö)2 — косинус угла проходящей волны Рг; b2 = Cosa = i/l-(Vs2ö)2— косинус угла проходящей волны S2; m = 2(d2Vs22-d,Vs12);

Коэффициент отражения А продольной волны зависит от 7 параметров — шести значений физических свойств обеих упругих сред и значения утла падения-отражения а. Структура формулы коэффициента А такова, что его величина в основном определяется не абсолютными, а относительными значениями физических свойств.

Сейсмогеологическая модель создана на основе разреза ВЧР, характерного для района Крылатское, расположенного в западной части Москвы, которая известна интенсивными проявлениями суффозионно-карстовых процессов. Сейсмогеологическая модель состоит из двух частей. Верхняя часть в интервале глубин 0-50 м моделирует покрывающую песчано-глинистую толщу и имеет значение для расчета годографов волн, отраженных от границ в нижележащей пачке пластов. Нижняя часть исследуемой модели находится в интервале глубин 50-128 м, который отображается на временных разрезах профилей МВС. Моделируемый интервал ВЧР мощностью 78 м включает 11 сейсмических границ, разделяющих 10 пластов глины, мергеля, песчаника, известняка и доломита мощностью от 4 до 12 м.

По каротажным данным отдельных скважин и результатам обработки предшествующих сейсмических материалов наиболее достоверные сведения о скоростях продольных волн получены для коренных (неизмененных) пород ВЧР исследуемой площади. По известному линейному

уравнению, рекомендуемому для иесчано-глинистых и карбонатных отложений, были посчитаны значения плотностей: сЦг/см1] = 1.83 + 0.16 Ур [км/с].

Из-за недостатка сведений о скоростях поперечных волн Уб на исследуемой площади, для моделирования были использованы разные материалы по литературным данным. Значения скоростей продольных волн Ур, плотностей «1 и значения отношений скоростей у = Ув/Ур для модели неизмененных пород ВЧР представлены в таблице I.

Таблица 1

Количественные характеристики плотностных и упругих свойств пород для

моделей I и 2.

Порода Неизмененная (модель 1) Нарушенная (модель 2)

Ур[км/с] (Цг/см3] Г Ур[км/с] сЦг/см3] У

Глина 2.00 2.15 0.25 1.60 2.09 0.15

Мергель 2.50 2.23 0.40 2.20 2.18 0.29

Песчаник 2.70 2.26 0.50 2.24 2.19 0.40

Известняк 3.70 2.42 0.50 3.22 , 2.34 0.40

Доломит 4.50 2.55 0.55 4.05 2.48 0.46

Задание упругих свойств осадочных пород ВЧР в зонах дизъюнктивной тектоники встречается с немалыми трудностями из-за их слабой изученности. Ясна лишь качественная сторона вопроса: в таких зонах снижаются уровни скоростей и плотностей пород.

Обобщая разнородные сведения, следует сделать вывод, что в зонах дизъюнктивных нарушений осадочных пород относительное снижение скоростей продольных волн Ур может составлять от 10-15% до 30-40%. Для нашей модели принята следующая закономерность изменения скоростей Ур в зонах разуплотнения. Относительное изменение скорости ДУр/Ур задается линейным соотношением ДУр/Ур = - 0.28 + 0.04 Ур [км/с], что составляет от -20% для глин (Ур = 2 км/с) до -10% для доломитов (Ур = 4.5 км/с).

Ввиду отсутствия априорных данных о величинах снижения I неотектонических зонах плотностей горных пород и с учетом относительно малого значения этого фактора для расчета синтетических сейсмограмм нами была принята здесь та же корреляционная зависимость <1(Ур), что и I случае неизмененных осадочных отложений.

Изменение отношения скоростей у в тектонических зонах является очень важным фактором. К сожалению, этот фактор мало изучен теоретическими и экспериментальными исследованиями, что вызывав! довольно противоречивые оценки влияния пористости, трещиноватости и напряженного состояния пород на вариации параметра у.

Экспериментальные исследования влияния вариации пористости на скорости волн в обводненных осадочных породах показали, что относительные изменения Уз в 2-2.5 раза превосходят относительные изменения Ур, т.е. параметр у уменьшается с увеличением Кп. Весьма полезные данные об изменениях упругих свойств пород в зонах тектонических нарушений получены в результате многолетных исследований западного и складчатого Донбасса: снижение скоростей упругих волн в зонах нарушений составляют 20-30%, причем градиент уменьшения скоростей Ув больше, чем скоростей Ур и параметр у имеет аномально низкие значения. В других работах уменьшение скоростей в зонах тектонических нарушений оценивается в 10-30%, а уменьшение параметра у- в 15-30%.

На основании анализа и обобщения известных материалов нами была принята закономерность относительного изменения параметра у в неотектонической зоне в виде линейной зависимости: Ду1у = -0.6 + 0.8у, что составляет от -40% для глины (у = 0.25) до -16% для доломита (у = 0.55). Значения скоростей продольных волн, плотностей и параметра у в зоне разуплотнения (модель 2) показаны в таблице 1.

Для всех сейсмических границ модельного разреза были построены графики зависимости коэффициента отражения А продольной волны от угла падения-отражения а. Для расчетов использовалась компьютерная

программа, реализующая точную формулу А(а) при заданных значениях трех параметров (Vp, d, у) для обоих контактирующих слоев. Для каждой границы получена пара графиков — при контакте неизмененных пород и при контакте тех же пород в зоне разуплотнения. На этих графиках, как и на других подобных, проявляется общая закономерность: различие коэффициентов отражения для коренных и нарушенных пород обычно возрастает с увеличением а в диапазоне углов от 0 до 40-50 градусов. Это очень важное обстоятельство, которое означает, что волновая картина отражений, наблюдаемая вдали от источника, в целом более чувствительна к изменению упругих свойств пород в зоне тектонического разуплотнения, чем волновая картина, регистрируемая вблизи источника.

Для моделей 1 и 2 рассчитаны импульсные трассы для двух дистанций — DS = 0 м и DS = 100 м. Первый случай соответствует нормальным лучам падения-отражения, т.е. ai = 0 и tj = t0j. Вторая дистанция DS = 100 м выбрана потому, что регистрация отражений при полевых работах по методике МВС на территории Крылатского производилась на дистанциях 80-120 м, т.е. при средней дистанции 100м.

Путем свертки типичного волнового импульса (длительностью полтора периода) с каждой импульсной сейсмограммой получены синтетические трассы отраженных волн, для которых рассчитаны амплитудно-частотные спектры. Такие расчеты и построения сделаны при дистанциях 0м и 100м для моделей 1 и 2. Установлено, что на обеих дистанциях при переходе от ненарушенного разреза (модель 1) к зоне нарушений (модель2) амплитудные спектры сейсмических трасс изменяются подобным образом: максимум энергии смещается в сторону низких частот (примерно на 10 Гц) и относительно возрастает интенсивность высокочастотных компонент, что приводит к увеличению эффективной ширины спектра. Последний эффект значительно сильнее выражен при дистанции DS = 100 м, по сравнению с нулевой дистанцией. Это является следствием значительно большей изменчивости коэффициентов отражения наблюдаемых волн при переходе в зону нарушений в том случае, когда

имеют место большие углы падения-отражения. Количественная оценка данного обстоятельства такова: при ОБ = Ом относительное изменение отражающих свойств сейсмических границ при переходе профиля в зону разуплотнения составляет всего II%, а при 05 - 100м относительное изменение отражающих свойств сейсмических границ в той же зоне достигает 64%, т.е. почти в 6 раз больше. Такие существенные изменение динамики волновой картины вполне может быть обнаружено на реальных сейсмических разрезах.

Кроме выше описанной модели 2 были заданы еще 8 моделей изменения физических свойств горных пород в неотектонических зонах, получившие обозначения моделей 3-10. Характер изменения в зонах физических свойств пород для всех моделей (включая модель 2) указаны в хаблице 2.

Таблица 2

Характер изменения физических свойств пород в зонах для моделей 2-10.

Модель ДУр/Ур [%] Ду/у[%] Д(М[%] (Ур)

2 -20+-10 -40+-20 — +

3 -20+-10 -20+-10 — +

4 -20 -20 — +

5 -20 -20 -10 —

6 -10 -20 — +

7 -20 -10 — +

8 -10 -10 — +

9 -20 +20 — +

10 -20 +20 -10 —

Для всех моделей, описывающих вариации физических свойств пород в зонах разуплотнения, были вычислены и построены графики А(а) зависимости коэффициента отражения Р-волны от угла ее падения. Анализ

всех совокупностей графиков А(а) подтверждает вывод, сделанный нами ранее при сопоставлении отражающих свойств сейсмических границ моделей 1 и 2. Оказывается, что и при других вариантах изменения физических свойств пород в зонах нарушений проявляется та же самая закономерность: в целом, за исключением небольшого числа случаев, различие отражающих свойств границ в неизмененных и нарушенных породах ВЧР возрастает с увеличением угла падения волн, т.е. при наблюдениях отражений на относительно больших удалениях от сейсмического источника. Количественное выражение этой закономерности дано в таблице 3.

Таблица 3

Величина среднеквадратического изменения коэффициентов отражения <тл и отношения ста ДА|ср в зоне нарушения (относительно неизменного разреза)

при ВБ = 0 м и БЭ = 100 м.

Модель Ста ста / |А|ср [%]

ББ = 0ш 100 т ЭБ = От ОБ= 100 т

2 0.03 0.11 11 64

3 0.03 0.06 11 35

4 0.007 0.10 3 59

5 0.007 0.10 3 59

6 0.004 0.13 2 76

т ( 0.007 0.08 3 47

8 0.004 0.08 2 47

9 0.007 0.10 3 59

10 0.007 0.10 3 59

Здесь для каждой модели зоны приведена величина ста среднеквадратического (по всем 11 границам) изменения коэффициентов отражения в зоне разуплотнения относительно неизмененного разреза для двух дистанций ЭБ = Ом и ОБ = 100м. Наряду с оценками ста в таблице приведены величины отношения стд/|А|ср, где |А|ср — среднее по

модулю значение коэффициентов отражения в неизмененном разрезе. Отношение са/|А|ср, называемое коэффициентом вариации, показывает, насколько существенно изменяются в целом для исследуемого интервала ВЧР амплитуды отраженных волн при переходе сейсмического профиля из области неизмененных пород в зону их неотектонического разуплотнения. Видно, что для надежного обнаружения этих зон по динамике волновой картины необходимо наблюдать ее на относительно больших удалениях от сейсмического источника, которые достигают и даже превышают глубину "сследуемых границ:

Нами были выполнены контрольные расчеты по приближенным формулам коэффициента отражения (приближенная формула Шуе и приближенная формула, используемая в методике АУО) в сопоставлении с точной формулой коэффициента отражения монотипной продольной волны. В последнее время в литературе указывается, что эти аппроксимации на практике обеспечивают достаточно хорошее приближение к точным значениям коэффициента отражения при ограничениях углов падения — отражения пределом в 30°. По расчетам построены графики для множества случаев. По этим графикам установлено, что приближенные формулы не обеспечивают хорошего приближения к точному результату. Заметные расхождение между точными и приближенными значениями наблюдаются, начиная с углов падения 5-10°, а при углах около 30° эти расхождения достигают величин 0.1-0.3, что недопустимо много для коэффициентов отражения. Отсюда следует вывод, что точная формула для коэффициента отражения, сколь бы громоздкой она ни была, не может быть заменена рассмотренными упрощенными выражениями без существенных потерь в качестве результата.

В четвертой главе рассматривается выявление приповерхностных неотектонических зон разуплотнения на реальных временных разрезах малоглубинной высокоразрешающей сейсморазведки.

Для оценки возможностей разведочной геофизики при изучении приповерхностной неотектоники в западной части Москвы в районе Крылатского были выполнены комплексные исследования, включавшие

малоглубинную высокоразрешающую сейсморазведку, высокоточную гравиметрию и радоновую съемку, которые проводились по общим профилям.

Особое внимание в этой работе уделялось выявлению структурообразующих линеаментов, обусловленных проявлением в формах рельефа аномальных зон относительно высоких градиентов изменения свойств геологической среды разного типа. В пределах участка Крылатского проходит пересекающая его в восток-северо-восточном направлении сложная зона субпараллельных деформаций, разделяющих геоблоки с разной суммарной тенденцией новейших тектонических поднятий — более приподнятого юго-восточного и относительно опущенного северо-западного, примыкающего к долине р. Москвы. Профили 1 (длиной 820 м) и 2 (длиной 1160 м) почти параллельны друг другу. Они заданы таким образом, чтобы пересечь 2-3 неотектонических линеамента, зафиксированных на известной структурно-геоморфологической схеме.

Систематическому профилированию предшествовала отработка волновых зондирований по обоим профилям для выбора оптимальной методики наблюдений. Колебания наблюдались на дистанциях от 0 до 120 м с шагом сейсмоприемников 2 м. Анализ волновых зондирований показал, что для 40-метровой сейсмической расстановки оптимальным интервалом регистрации исследуемых отражений являются дистанции 80-120 м.

На основании волновых зондирований была принята следующая методика полевых работ: система наблюдений —однократное непрерывное профилирование через два интервала по встречной системе. Наблюдения выполнялись с 21 — канальной расстановкой одиночных сейсмоприемников с шагом 2 м, т.е. при длине расстановки 40 м. Пункты возбуждения располагались симметрично с обеих сторон расстановки при выносе 80 м, что обеспечивало регистрацию полезных отражений на дистанциях 80-120 м. Применялись высокочастотные (100 Гц) вертикальные сейсмоприемники. Колебания возбуждались ударами ручной кувалды при синхронном накоплении от 5 до 50 воздействий, в среднем — 25. Запись колебаний

производилась цифровой компьютеризованной сейсмостанцией "Диоген 24" при включенных аналоговых ФВЧ 100 Гц с шагом дискретизации 0,2: мс и длиной записи 256 мс. При обработке полевых записей была выбран; единая полоса пропускания фильтра 30-100 Гц. Эффективные скоросп отраженных волн определялись по методике их сканирования да выборочных интервалов профилей. В сейсмограммы вводились разностньк кинематические поправки, т.е. наблюденные времена отраженш приводились к уровню времен на минимальной дистанции 80 м, чтобь избежать чрезмерного искажения (растяжения) сигналов. Статически поправки- при обработке не вводились, так что временные разрезь однократного непрерывного профилирования (ОНП) построены о-дневной поверхности. С одной стороны, самая верхняя часть разрез! является объектом изучения и исключать ее путем введения статически: поправок нецелесообразно. С другой стороны, дневной рельеф служи: важной геоморфологической характеристикой разреза, тесно связанной I активными неотектоническими зонами.

По всему профилю 1 надежно прослеживается пачка отражений которая характеризует в целом согласное залегание нескольки; сейсмических горизонтов. Временная мощность этой пачки составляем обычно около 40 мс, и в ней содержится 4-5 осей синфазности при видимо{ частоте колебаний 100-110 Гц. Абсолютный уровень кровли карбонатов С I пределах ПР 1 составляет примерно 75 м. На большей части ПР 1 основньн горизонты сохраняют устойчивость кинематических и динамически; характеристик, демонстрируя хорошее согласие геологических границ. Дш построения временного разреза использован единый скоростной закон: I интервале и = 100-150 мс скорость изменяется в пределах 1350-1450 м/с.

При рассмотрении временного разреза выясняется, что на фоне I целом согласного залегания сейсмических горизонтов обнаруживают« места более или^менее резкого изменения структуры волновой пачки. Они проявляются небольшими сдвигами горизонтов, локальными изменениями их наклонов, интенсивности отдельных осей, формы импульсов колебаний, их видимых периодов.

Сопоставляя сейсмический разрез со структурно-геоморфологической схемой и результатами радоновой съемки, обнаруживаем, что неотектонические линеаменты, снятые со структурно-геоморфологической схемы, совпадают с местами наиболее резких изменений волновой картины сейсмического разреза. Однако сейсмический разрез выявляет значительно более обширную и сложную картину неотектоники, чем та, что намечена на геологической схеме. Радоновая съемка также подверждает, что приповерхностные зоны разуплотнения на профиле 1 развиты значительно шире, чем это следует из априорных геологических данных.

По профилю 2 (в отличие от профиля 1) рельеф дневной поверхности немонотонный и в средней части имеется заметная возвышенность, отличающаяся увеличенной мощностью ЗМС. В связи с большой изменчивостью ЗМС разрез по ПР2 получен с использованием 5 скоростных законов.

Абсолютный уровень опорного горизонта С, приуроченного к кровле карбонатного цоколя, на ПР 2 остается постоянным и таким же, как на ПР 1, — около +75 м. В целом на ПР 2 характер ненарушенной волновой картины в пачке отражений подобен тому, что наблюдается на ПР 1. Сопоставление сейсмического разреза со структурно-геоморфологической схемой и данными радоновой съемки по профилю 2 приводит к тем же выводам, что и по предыдущему профилю. Оба геофизических метода подтверждают наличие указанных геологами ослабленных зон в ВЧР, фиксируя здесь наиболее интенсивные аномалии волновой картины и концентраций радона. При этом сейсморазведка рисует очень детальную картину исследуемых отложений, позволяя увидеть сложный характер зон их нарушения. Следует отметить, что проявления зон нарушений на волновой картине имеют различную степень четкости и однозначности. Поэтому при их интерпретации очень важно иметь дополнительные и более объективные оценки аномалий волновой картины.

Для экспериментальной проверки результатов моделирования изменений волновой картины в зонах разуплотнения нами был выполнен ;пектральный анализ по фрагментам обоих временных разрезов ОНП.

На профиле 1 для анализа выбран интервал длиной 160 м, которьп расположен в центральной части профиля (ПК 360-520) и отличаете; наиболее интенсивным проявлением неотектоники на сейсмическо) волновой картине. На указанном интервале профиля 1 для каждой трассь временного разреза ОНП в диапазоне времен 70-130 мс, соответствующек исследуемой пачке отражений, был вычислен амплитудно-частотный спект] в полосе частот 0-160 Гц.

На профиле 1 частотные аномалии в зоне нарушений представляю' собой характерное расширение спектра в сторону низких частот с резки* сдвигом его максимума на частоты 70-80Гц вместо нормального положение на 100-110Гц и усиление спектра со стороны верхних частот до 120-140 Ги Почти везде происходят заметные смещения спектрального максимума н; низкие частоты, но в некоторых случаях резко сокращается ширина спектр; за счет исчезновения компонент свыше 110 Гц, хотя в нормально* волновом поле имеется заметная доля гармоник частотой до 110-130 Гц Участок, где профиль 1 пересекает известную неотектоническую зону отмечается интенсивной спектральной аномалией.

На профиле 2 спектральный анализ временного разреза выполнен та! же по 160 — метровому интервалу, в пределах которого имеются дв; пересечения с тектоническим»линеаментами (ПК 860-1020).

На спектральном разрезе ПР 2 тоже обнаруживаются интенсивны частотные аномалии в местах известных тектонических линеаментов. Сама: обширная и интенсивная спектральная аномалия имеет место там, гд профиль 2 пересекает крупную зону, отмеченную на структурно геоморфологической схеме. Здесь в полной степени и очень наглядн« проявляются все те спектральные признаки зон разуплотнения, которы были установлены путем математического моделирования. В это1 аномалии четко выражены две характерные особенности — сдвиг наиболе интенсивных гармоник к низким частотам и расширение спектров в сторон; верхних частот. При этом частоты спектральных максимумов снижаются д< 70Гц, а заметные по интенсивности высокочастотные гармоники достигаю-предела в 150 Гц. По-видимому, эта спектральная аномалия может служит:

„классическим" примером проявления зоны разуплотнения на материалах МВС.

Таким образом, на реальных разрезах МВС в местах известных и предполагаемых неотектонических нарушений спектральный анализ волновой картины обнаруживает более или менее интенсивные аномалии, которые по своему характеру в целом соответствуют результатам сейсмического моделирования зон разуплотнения пород ВЧР.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие методические выводы и рекомендации по решению задачи изучения сейсморазведкой приповерхностных неотектонических зон:

1. Для решения задачи следует использовать полевые материалы, полученные по методике малоглубинной высокоразрешающей сейсморазведки на отраженных волнах, которые характеризуются максимальным сохранением высокочастотных компонент спектра полезных колебаний за счет обеспечения оптимальных условий их возбуждения, приема и записи при исключении всяких интерференционных систем.

2. Однократное непрерывное профилирование по встречной системе наблюдений благоприятно для МВС, поскольку обеспечивает полную корреляционную увязку отражений на сейсмическом разрезе независимо от погрешности оценки эффективных скоростей и введения кинематических поправок.

3. Принципиально важным методическим приемом является регистрация отражений на относительно больших дистанциях, когда значения коэффициентов отражения наиболее чувствительны к изменению упругих свойств горных пород в зонах их разуплотнения.

4. Обработка полевых записей должна быть сведена к минимальному количеству линейных процедур. Преобразования исходных трасс целесообразно ограничить тремя процедурами — общей широкополосной фильтрацией, общей нормировкой амплитуд и введением разностных кинематических поправок, которые минимизируют растяжения импульсов.

5. Спектральный разрез, образованный путем расчета и построения амплитудно-частотных спектров всех трасс временного разреза ОНП на

интервале исследуемой пачки отраженных волн, позволяет получить важную и наглядную информацию для решения поставленной задачи.

6. Выявление по материалам МВС неотектонических зон разуплотнения пород ВЧР производится интерпретатором путем анализа и сопоставления кинематических и динамических особенностей волновой картины исследуемых отражений на временном и спектральном разрезах ОНП.

7. Для повышения надежности и полноты изучения сейсморазведкой неотектонических зон можно рекомендовать на участках детализации постановку двукратного профилирования по методике МВС.

В заключение можно сказать о том, что в нашей работе исследован и практически-использован фактор влияния тектонического разуплотнения пород ВЧР на отражающие свойства присутствующих здесь границ. Очевидно, что этим не исчерпывается круг задач, которые могут решаться в данном направлении. Судя по материалам расчетов коэффициентов отражения при различных вариациях упругих свойств горных пород, своеобразное влияние на динамику отраженных волн должны оказывать не только зоны разуплотнения, но и зоны сжатия осадочных пород, а также осушенных пород, где значительная пустотность имеет воздушное наполнение. Известна также проблема изучения напряженного состояния горных пород в массивах, которую решают с помощью сейсморазведки, в основном изучая вариации скоростей продольных и поперечных волн. Повидимому, к этой проблеме также целесообразно найти подходы, учитывающие влияние напряженного состояния пород ВЧР на динамику малоглубинных отражений.

Представляется, что методика МВС может получить дальнейшее развитие и обеспечить (возможно, за счет некоторого усложнения полевых наблюдений) более точную и "эталонированную" регистрацию упругих волн в максимально широком спектральном диапазоне. Это, несомненно, откроет новые перспективы применения сейсморазведки для решения многих задач, связанных с верхней частью рачреза, входящей в среду обитания человека.

Основное содержание диссертации опубликовано в работе: Боганик Г.Н., Мохсин H.A. Спектральный анализ волновой картины [я выявления зон малоглубинных тектонических нарушений на разрезах OB. Третья Международная Конференция "Новые идеи в науках о мле", Москва, 1997.

Соискатель:

Мохсин Навшад Ахмед

УЛЛ 3. Ч<Р