Сейсмические свойства криолитозоны

Седов, Борис Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Сейсмические свойства криолитозоны
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Сейсмические свойства криолитозоны"

47 п — л 9 3

; СЕВЕРО-ВОСТОЧШЙ КОШ1ЕНСШЙ НАУЧНОЧ*СОВДОМТЕЯЬ(ЛШЙ ! ' ИНСТИТУТ

• - : САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ¿¿КС^.нЦНП На правах рукописи

СЕДОВ Борис Михайлович

УДК 550.834

СЕЙСМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КШОШГОЭОНЫ Специальность 04.00.22 - геофизика

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора геолого-минералогичесг.их наук

Санкт-Петербург - 1992 г.

Работа выполнена в Северо-Восточном комплексном научно-исследовательском институте ДВО РАН.

Официальные оппоненты:

чл.-корр.РАН, доктор геолого-минералогических наук

Г.С.Вахромеев, доктор геолого-шшералогических наук

Р.М.Деменицкая, доктор физг -о-катематическиг наук Н.А.Караев.

Ведущая организация: Всесоюзный научно-исследовательский институт инженерной геологии и гидрогеологии (ВСЕГйНГЕО)

Защита состоится ¿5у 1993 г. в 15 часов, на заседании Специализированного совета д.063.57.18 при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9, аудитория 347.

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета Т.Б.Яновская

д.ф.-м.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность . Более 60 % территории России находится в криолитозоне; мерзлота распространена на Аляске, в Канаде, Китае, Монголии и ряде других стран. Многолетнемерзлые порода (МШ) переходят и на шельф арктических косей. Открытия месторождений полезных ископаемых, з том числе уникальных, привата к интенсивному освоению областей, занятых мерзлыми породами. Поиск и разведка полезных ископаемых, гидрогеологические, инженерно-геологические и геокриологические исследования в этих районах нерациональны без использования геофизических, в тем числе сейсмических, методов. Повышение эффективности сейсморазведки при всех видах работ - составная часть общей проблемы раписналвного освоения криоллтозоны.

Сейсмические свойства' криояитозош характеризуются особенностями , обусловленными строением многолетней мерзлоты. Они определяя поле упругих еолн в мерзлой толще и на ее границах, проявляются начиная от условий генерирования колебаний слабыми источниками до распределения регионально:! сотрясаемости землетрясений, влияют и на-все этапы сейсморазведки: от выбора положения профилей на местности, методики.и техника наблюдений до обработки материалов на ЭВМ. Это касается объектов, как расположенных з мерзлой толще, так и находящихся под нияней границей многолетней мерзлоты (HTM). Исследование сейсмических свойств криолитозоны и их использование - одно из направлении повышения эффективности сейсморазведки в районах многолетней Мерзлоты, позволяющее увеличить точность, информативность, разработать ноше методы тл расширить область ее применения. .

Цель работы - исследование сейсмических свойств криолнтозоны, их отображение в поле упругих колебаний, создание с ей смог ескрлологиче ских моделей криолнтозоны для повышения эффективности сейсморазведки в районах многолетней мерзлота при поисках и разведке углеводородов, рудного и нерудного сырья, изучении геологического строения, решения инженерно-, тидро- у. геокриологических задач, в тем числе га счет новых методов, а такле для использования в други;: областях, в частности я сеясмс-логпз, при защите ссору-еиий, моделировании и дефектоскоп^:.-

Задачиисследовавий . I. Совершенствование методики, техники исследований сейсмических свойств МШ в условиях естественного залегания и мерзлых толщ. 2. Изучение связей сейсмических свойств криолитозоны с геокриологическими параметрами. 3. Исследование полей упругих волн на различных по геокриологическому строению объектах. 4. Создание типовых многомерных сейсмогеокриологических моделей криолитозоны, ранжированных по характеру иерархических связей. 5. Разработка новых методов сейсморазведки, основанных на использовании наиболее интенсивных обменных к отраженных рэлеевских волн, реверберационных колебаний. 6. Выявление влшшия строения мерзлоты на распределение региональной сотрясаемости при землетрясениях; разработка способов зашиты сооружений, возведенных на мерзлых грунтах, от сейсмического воздействия.

Научная новизна. Автором дано решение основополагающих вопросов комплексной научной гроблеш сейсмических свойств криолитозоны, устанавливающее связи сейсмических характеристик с геокриологическими параметрами, и их отображение в волновых полях упругих колебаний. В частности:

1. Получены характеристики сейсмических свойств криолитозоны, установлена их зависимость от геокриологических параметров; выявлена высс ая акустическая контрастность криологических границ талик - мерзлота, лед - ЫМП и др.

2. Установлено, что волновые поля упругих колебаний отображают горизонтальную и вертикальную неоднородности криолитозоны. При поверхностных и близповерхностных источниках на мерзлоте основными носителями энергии являются ралеевские волны. Высокая акустическая контрастность границ талик - мерзлота приводит к явлению "запрета" передачи энергии и образованию обменных и отраженных рэлеевских волн; аналогия сейсмических свойств пластовых льдов и воды - причина образования реверберационных колебаний.

3. Разработаны типовые многомерные сейсмогеокриологические иодели для наиболее характерных по строению мерзлоты участков.

4. На основе установленных особенностей волновых полей, разработаны новые нетрадиционные методы, использующие ралеевские обменные в отраженные волны для картирования поверхностных таликов, в той числе соизмеримых по ширине с длинами волн. При этом

применимы звуковые источники колебаний, являгщпеся экологически чистыми для криолитозоны.

5. Разработан и Енедрен способ картирования пластовых льдов по реЕерберационным колебаниям.

6. Установлено влияние строения криолнтозоин на распределение региональной сотрясаемостн при землетрясениях.

7. Предложен экологически чистый способ защиты сооружений, возведенных на мерзлых грунтах, от сейсмического воздействия.

8. Обоснована возможность использования для натурного моделирования и исследования волновых полей искусственных таликов заданной форма, обладакзих высокой акустической хесткостью '¿Ш и контрастностью границ талин - мерзлота. Осушение таликов позволяет делать модели аномально контрастными по изменению акустических свойств на границе ¡fi.il - "сужения" ^ длительными по времени существования.

Практическое значение работы заключается в повышении геологической эффективности сейсморазведки, з тем числе,за счет расширения круга решаемых геокриологических задач на основе ношх методов, используЕщкх обменные и отрагенные рэ-леевские волны, реверберационные колебания. Разработки автора использованы, з частности, при поисках и разведке глубокозале-гавщих и погребенных россыпей, инженерно-геокриологических исследованиях на северо-востоке России, нефтепоисконых работах на Чукотке, при ГСЗ с промышленными взрывами и др. Пошшение геологической и экономической эффективности сейсморазведки в районах многолетней мерзлоты за счет внедрения рекомендаций автора при нефтеноисковых работах связано с увеличением информативности, глубинности, точности структурных построений, использовании материалов MOB, ОГГ и КШВ для картирования таликов, пластовых льдов; при поисках и разведке россыпей - в решении геокриологических задач, сокращении объемов бурения и рационального размещения сквагин, исключения из поиска участков, где под мерзлой толщей развиты талики, и зон глубокого залегания россы- ' пей, разработка которых в настоящее время нерциональна; определении распределения региональной сотрясаемостн землетрясений з Примагаданъе.

Один из этапов внедрения рекомендаций автора - участие в создании "Методического руководства по разведке россыпей" (197ч).

- 5 -

На защиту выносятся результаты эксперимен-• тальных исследований по решению проблемы сейсмических свойств криолитозоны к использованию выявленных закономерностей для повышения эффективности сейсморазведки и сейсмологии в районах многолетней мерзлоты.

1. Обобщенные данные для северо-востока России о скоростях упругих волн и плотности МШ, их количественных связях с геокриологическими параметра!®; акустических характеристиках криологических границ талик - мерзлота, лед - ШП и др.

2. Особенности поля упругих волк для вертикально- и горизонтально-неоднородной криолитозоны к рекомендации по их практическому использованию.

3. Типовые сейсмогеокриологическпе модели криолитозоны для различных по строению многолетней мерзлоты районов.

4. Новые метода сейсмических исследовании в геокриологии, использующие обменные и отраженные рэлее..ские волны, звукоше источники к реверберационные колебания.

5. Геологические и геокриологические данные, подученные с использованием сейсморазведки на северо-востоке России при поисках и разведке глубокозалегающих россыпей, нефтепоискошх работах, сейсмическом районировании, ГСЗ и др.

6. Спе.х>б защиты сооружений, возведенных на мерзлых грунтах, от сейсмического воздействия.

Апробация и публикации. Результаты исследований представлялись на I Всесоюзном совещании по рудной сейсморазведке (Алма-Ата, 1а64), П и 1У Международных конференциях по мерзлотоведению (Якутск, 1973; Фербенкс, 1983), УШ Всесоюзной геофизической конференции (Тюмень, 1976), на всесоюзных семинарах (Алма-Ата, 1972; Баку, 1976; Якутск, 1977), совещании ДВО "Проблема нефтегазоностности Дальнего Востока" (Хабаровск, 1979), ХШ Международном геологическом конгрессе (Париж, 1980), семинаре "Исследование состава, строения и свойств мерзлых и оттаивающих пород" (Москва, 1980), Дальневосточных секциях МСССС (Петропавловск-Камчатский, 1981; 1987; Магадан, 1984; Кдно-Саха-лпнск, 1985), региональных геологических конференциях (Петропавловск-Камчатский, 1984; Артем, 1986), всесоюзных совещаниях "Геологический прогноз при строительном освоении территории" (Воркута, 1985),"Развитие идей чл.-корр.АН Е.Ф.Саварекского (Москва,

- 6 -

1986), П Всесоюзной конференции "Географические проблемы изучения и освоения арктических морей" (Мурманск,. 1985), региональных петрофизических конференциях (Красноярск, 1965; Щушенспое, 1988; Магадан, 1988), семинаре "Применение геофизических методов в гидрогеологии ■ и инженерной геологии" (Ереван, 1985; Ташкент, 1991), 27 сессии Научного Совета СО АН "Тектоника Сибири и Дальнего Востока" (Юхно-Сахалинск, 1985), конференциях "Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты" (Благовещенск, 1986; Магадан, 1989),' совещании ЖССС по поверхностным волнам (Ялта, 1985),. Секциях ГСЗ (Апатиты, 1980; Петропавловск-Камчатский, 1987), международных симпозиумах "Глубинное строение Тихого океана и его обрамления" (Благовещенск, 1988), "Строение литосферы и астеносфера Азиатско-Тихоокеанского региона" (Хаба-рогсп, 1991), заседаниях Научного-совета по криологии Земли РАН (Москей, 1990; 1992) и др.

Результата исследований опубликованы в трех монографиях (2 з соавторстве), методическом руководстве, 90 статьях в тезисах.

Исходные материалы, личный вклад автора. Доклад составлен на опубликованных материалах экспериментальных исследований сейсмических свойств крзолитозоны, результатах решения геокриологических и геологических задач на северо-востоке России, полученных автором или под его научным руководством в I959-1980 гг. в ПГО "Севвостокгеология", 1980-1992 гг. в СЕКНИИ ДБ0 РАН.

Автор признателен коллегам по исследоЕак:кы Е.М.Анисиыову, И.А.Быкову, Э.Я.Ващплову, В.В.Дудину, С.И.Кпселевячу, Г.И.Ргтл-ну за помощь. За обсуждение результатов исследовании, советы автор благодарен А.Т.Акимову, О.К.Боронкову, Б.Я.Гельчннскому, С.В.Гольдину, Н.Н.Горяинову, Ю.Д.Ззкову, А.Л.Левпану, Ф.М.Ляхо-впцкому, Г. 3. Михайловскому, М.К.Полшкову, А.Г.Рудакову, Л.Н.Ш-кунову, С.Ф.Рыякову, А.Д.Фролову, 3.В.Шарову.

I. РАЗВИТИЕ И СОСТОЯНИЕ ПРОЕДЕН ИССЛЩОИШИЙ СЕЙСМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИОЛИТОЭОШ

В 1934 г. В.Ф. п о.В. Бончковскпе пригекилп сейсморазведку для определения глубина прсглп г.",11; при мозшости талых пород около 1,5 м различия мзяду данная! ;>ШВ п сурфоз составляли 4 -7 см (1937). Было установлено, чяо скорости в мерзлых суглин-

ках (1590 и/с) выпе, чем-в талых (322 ц/о). Взрывы в ЬШ генерировали более-высокочастотные колебания, чей в талых породах. Бал сделан вывод: "мпв позволяет сократить время в средства по сравнению с пур|овкой при определении верхнего зеркала мерзлоты".

С 1935 г. сейсморазведка используется при нефтепоисковых работах в Хатангскса прогибе, при определении мощности рыхлых МШ на месторождении флюорита (Деменицкая, 1939; РизЕиченко, 1942 к др.). Для четвертичных ММП Р.М.Деменицкая установила интервалы скорости от 2700-3000 до 3800-4500 м/с. Предполагалось, что понижение температуры Ш1 ведет к увеличении скорости и, следовательно, к ее инверсии с глубиной.

При сейсморазведке МОВ в районе Усть-Порта Н.К.Пашков, кроме продатьных волн (скорость 4500 ы/с), выделил "длинные", поверхностные волны с кажущейся скоростью 1700-2000 м/с. Их амплитуда в 2-10, а период в 1,5-2,5 раза были больше, чем у продольных вояк. В 1940 г. М.К.Полшкоз делает выв-д о применимости МОВ в криолитозоне, предполагая, что монолитная м-зрзлота более однородная сред?, чем "обычные средкеширотные площади". Он отрицает зависимость скорости в ЬШ от температуры.

Для преодоления трудностей и решения вопроса о продолжении сейсморазведки в Арктике привлекается Институт теоретической геофизики ( шие ИФЗ). На- основанин анализа сейсмических и геокриологических материалов, пятилетнего опыта работ Ю.В.Еизничеи-ко дал рекомендации, отметив, что использование сейсморазведки в районах многолетней мерзлоты требует исследования осноекой. проблем - "сейсмических свойств слоя вечной мерзлоты" (1942). Им было дано ее определение: "Под сейсмическими свойства;® слоя вечной мерзлоты будем понимать те из ее характеристик, которые имеит значение в сейсмической разведке". Война прервала сейсморазведочзше работы в Арктике к отодвинула решение проблемы.

В псслевоенЕне годы сейсморазведка используется з криолитозоне при нефтепоисковых работа-, объемы которых постоянно увеличивается и распространяются на новые регионы (Агафонов, Гершакик, и др., 1973; Козырев, 1978; 1/лотзк, Сибгатуллин, Тальзирский, 1968; Еуткин, 1971 и др.). С конца 50 годов в районах многолетней мерзлота МПВ используется при поисках россыпей (Анисимов, 1964; Быков и др., 1971; Згировский, 1977 и др.), инкеиерно^ геокриологических работах (Акимов, 1968, Баулнн и др., 1972;,

- 8 -

Воронков, 1965; Горяинов-, 1978; Зыков, 1973; Михайловский, 1972), макросейсшческом районировании (Вахршеев, Дмитриев, Кирзнер, 1979; Ддурик, Лещиков,- 1973 и др;). Учитывая влияние на геофизические методы разведки БЧР, исследуются ее физико-геологичес-' кие модели для многолетней мерзлоты (Вахроаеев а др», 1989); изучаются акустические свойства льдистых грунтов и льда (Зыков, Червннская, 1989) и др.

За рубеж»! в криолктозоне сейсморазведка применяется прз поисках россыпей С 1959 Г. ( Hobson, Collet,1960; Green,1970 3 др.), пра нефтепогскошх работах С 1962 Г. ( Barnes, 1966; Poley et all, 1985; Roberts, 1980; Backets, 1971 a ДР*)» SOU числе на шельфе арктических цорей ( Beuchet др». 1981; Hunter,1975 3 ДР-1976 и др.).

Сейсморазведка используется в гляциологии■(Берзоз и др., 1969; Коздратьев, Гвмбураев, 1953; ElcaaiV, 1971; Thiel, Oatenso, 1961 а др.). Установлено, что скорость продольной волна so льду 3700-4000 «/с, поперечной - 1870, рзлеовсксй - 1640-2200. Часть исследователей (Капица, 1958 и др.) считает, что скорости не зависят от температура льда, другие - скорость увеличивается с понижением температура на 1°С от 2,3 м/с ( Bentiey,7ä до 7,4 (Кондратьев, Гамбурцев, 1963),

Еедутся лабсрзторнне псследования упругих свойств мерзлых пород (Анциферов а др., I9S4; Встякоз» 1975; Фролов, 1976; Kios , 1977; Hakano, Arnold,1973; Tinur , 1968 и др.), льда (Бого-родспЕй а др., 1958; Bennot, 1968 и др.), в тлгл числе монокристаллов ( Oreеrv,1956; Jona , 1952 И др.).

Опыт применения сейсморазведки в районах многолетней мерзлота значителен. Тем не менее, ряд принципиальных вопросов, по сейсмическим свсйстБач, волновым полям для крзолЕтозоЕЫ оставались нерешенными. Это объясняется отсутствием специальных комплексных исследований, техническими трудностями сейсмокаротага (CK) сква-гян в МШ и др. В результате, например, ни для одного из регионов кряалЕТОзоЕы нет сводок скоростей в КШ. Все эти вопросы, по существу, являются частными единой ксгшлексной проблемы исследований сейсмических свойств крволитозонн. С ее репекием связывается одно из направлений повышения эффективности сейсморазведки в районах многолетней мерзлоты.

2. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Сейсмические свойства криолитозоны - частное от общего понятия сейсмические свойства среда. Баяв не считать определения, данного Ю.В.Ризниченко (см.с.8), оно до сих пор ве имеет четкой формулировки, хотя в используется сейсморазведчиками в сейсмологами, Превде, чем сформулировать его, отметим, что строение криолитозоны влияет не только ва условия проведения сейсморазведки, но и .¡а поля упугих колебаний любой частоты и природа - от ультразвука до волн землетрясений. Поэтому,целесообразно сейсмичео-кие свойства криояЕ :озонн исследовать применительно к упругим колебаниям, не ограничивая их частоту достаточно неопределенным "сейсмическим" диапазоном.

С учетом этих замечаний, сейсмические свойства криолитозонн ато те из ее характеристик, которые определяет поле упругих колебаний в районах многолетней мерзлота. Под характеристиками понимаются физические параметры (скорости волн', плотность и по-глащавдая способность среда н др.). значения которых определяется геокриологическим строением (дитологнческим и гранулометрическим составом, криогенной текстурой в структурой, дьдистостью МШ и др.) криолитозоны.

Исследование сейсмических свойств криолитозоны является комплексной проблемой, что обусловлено зависимостью сейсмических характеристик от геокриологических параметров. Слогное строение геокриологических образований свидетельствует о существовании иерархических связей мезду объектами различных уровней. Связь сейсмических характеристик со строением мерзлоты позволяет предполагать возмонность ранжирования в сейсмических свойств криолитозоны.

Методологически исследование слогных комплексных проблем, к которым по основным признакам относятся в сейсмичеокие свойства криолитозоны, целесообразно проводить используя принципы системного анализа (Encyclopedia of Earth System Science //Ed.Niereir-berg,I99I), В атом случае, сейсмические свойства любого геокриологического объекта рассматриваются в качестве сложного, состоящего из "вложенных" более простых элементов. Базовым алементом криолитозоны является наиболее простой геокриологический объект - монокристалл льда.

Исследования сейсмических свойств криолитозоны проводились поэтапно. Для геокриологического объекта* известного строения изучалось волновое поле, определялись характеристики упругих колебаний (скорости, частота, амплитуда а затухание волн).устанавливались их количественные связи с геокриологическими параметрами. Затем создавалась сейсмогеокриологическая модель (СГКМ), адекватная объекту в той степени, которая объясняет поле упругих волн. Для одинаковых по строению объектов, тлеющих разные размере, но один порядок отношения с длиной волн, разрабатывались типовые модели.Типовая СГКГЛ - обобщенное формализованное представление о распределении сейсмических характеристик в координатах x^7^Z,t. Создание СГКМ является целенаправленным, что делает ее субъективной, поддающейся совершенствованию и развитию.

Типовые СГКМ для различных по сложности геокриологических объектов позволили по характеру иерархических связей ранжировать сейсмические свойства ка ряд уровней.

3. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ СЕЙСМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Криолнтозона является шсокодапамзчной системой, находящейся в условиях равновесия с внешними воздействиями. Их изменение, например повышение температуры, может привести к таянию льда п исчезновению мерзлоты. С учетом этого, для получения достоверных данных,исследования в основном проводились на участках с ненарушенными геокриологическими условиями,либо предусматривалось восстановление температуры МШ.Так шахты полгода находились на консервации, их устья были закрыты,что исключало поступление тепла. Определение температуры пород при исследованиях в шахтах я скважинах было почти обязательным. При наблюдениях на поверхности температура НМЛ находилась по графикам годового хода.

Геокриологические образования, дазе одного и того иерархического уровня, по размерам отличаются ме-эду собой ::а несколько порядков," соответственно меняются и их соотношения с длк:с.: упругих волн. Это учитывалось при выборе объектов исследовали^, параметрических выработок, методики и техники исследование.

Сейсмические характеристики геокриологических границ мерзлота - талик, влияние физического состояния (мерзлое, талое) пород изучались в скважинах, перебурижла НГш и углубленных з талуз толау; проводились наблюдения и на профилях, перес "кавплх г сани -

цы поверхностных таликов.

Сейсмические свойства ЫШ исследовались при наблюдениях на дневной поверхности и внутри среда (скважины, вахты) или сочетали их. Сложные комбинированные системы применялись в шахтах, где ПВ и сейсыоприемники располагались на поверхности (например, 9 ПВ), в горных выработках (2 ПВ в концах рассечек, I - на дне ствола), 48 сейсмоприемников в стволе и рассечках (рис.Х). Над рассе^чаьш шахт, через устья стволов проходили наземные профили. Такие системы позволяли проэвучивать толщу МШ, получать встречные годографы по стволу и рассечкам, изучать преломленные волны на поверхности скальных пород в области ее образования, следить (по стволу шахты) за ее изменениями при перемещении к поверхности.

-20

Рис.1. Схеиа (аксонометрия) размещения ПВ и сейсмоприемников (СП) при наблюдениях в шахте и на поверхности. Руч.Озерный, шахта й9,.

I - линия сейсыопрофиля; 2 - пикеты ПВ, и; 3 - то хе СП; 4 - контур выработок.

Исследовались и необсакенные сквааика, пробуренные без промывочной жидкости, что исключало оттайку пород. Прямой СК проводился 8- или 12-хакальным зондом и 3-компапентными установками с I вертикальным и 2 взаимоортсгоналышми горизонтальными не ориентированными по азимуту сейсмоприемниками, которые призвались к стенке. Взрыв контролировался сейсмоариемнихами, установленными у устья скважины и каждого ПВ. Для определения азимута прихода волн использовался корреляционный канал зонда. Как правило, СК проводился из нескольких разноудаленных от устья ПВ; часть из них располагалась симметрично относительно сква-Ешы. Минимальный шаг сейскоприегашков но глубине равнялся 2 м.

В одной сква-пше сейсмопрнемншш были засыпаны пескса и заморожены. Эта расстановка использовалась для сезошшх наблюдений з течение полутора лет. Шаг сейсмоприемзпкоз для глубин 0-30 м разнялся 2 м, для - 30 - 175 а - 5 и.

Профили, как правило, совмещались с буровыми липняки. Расстс-яние мезду сквазгнами 10, 20 и, принятое при поисках и разведке россыпей, обеспечивало шсокуп достоверность геокриологических данных. Системы продольного н непродольного профилирования с возбуждением колебаний из разноудаленных ПВ, позволяли получать встречные и нагонявдие годографы.

Для определения типа волн, записи вертикальных сейсмоприем-ников комбинировались с 3- ели 9-ксипанеитными азимутальными установками.

Сейсмические свойства крисяитозоны исследованы для Есеи разнообразия геокриологических условий северо-востока России - от северного поберенья Охотского моря (область островной мерзлота с минимальной ее мощностью а низкими значениями температур! МШ) до центральных колымских районов (зона сплошной мерзлоты мощностью до 600-700 м и температуре МШ вблизи нулевых акпл2*7д * -8°С). На побереаьях Северного ледовитого и Тихого океанов получены данпые для сильнольдастых МШ. В молодых меггорных и древних впадинах исследованы сейсмические свойства ыноголетземерзл^:: толщ большого возрастиого диапозона, генетических типов, разнообразного литологпческого и гранулометрического состава - от валунов и галечников до глин.

Основные требования к сейсмсаппаратуре - широкий частотный

(от 20-30 до 400-500 Гц) и динамический (з 2-3 раза выше, чем в станции Поиск-ШВ-ОВ) диапазоны, для более точного отсчета времени на сейсмограммах высокая скорость протяжки обуславливались особенностями волновых полей. В станции СС-24п, Поиск-1-48-ГОВ-ОВ вносились соответствующие изменения.

4. С&СЖЧИШИЕ СВОЙСТВА ШОГОЛЕГНШЕРЗЛЫХ ПОРОД

Наиболее простыми по строению геокриологическими образованиями криолитозоны, сейсмические свойства которых могут изучаться в условиях естественного залегания, являются поликристаллические льда, плотные и сухие (без льда и воды) мерзлые породы. Оеи являются составными елементами более сложных геокриологических образований- - МШ, состоящих из льда, минерального вещества, газов'и жидкости (минерализованных растворов, связанной и иной воды).

Сейсмические свойства плотных и сухих пород, по данным полевых и лабораторных исследований, остаются практически постоянными при изменении температура от положительной к отрицательной.

Полнкристаллические льды - кономинералькые мерзлые породы встречаются в виде различных по форме, размерам и генезису тел мощностью от нескольких тысяч метров в покровах до первых мм и ■ менее в прослоях и льде-цементе дисперсных пород, ¿¡полнено значительное количество полевых и лабораторных определений сейсмических характеристик льдов (Капица, 1968; Кондратьев, Гамбурцев, 1976; Зыков, Червинская, 1989; тмег, ОзЮпво, 1963; ВепПеу, 1972 и др.). Полученные нами данные о сейсмических свойствах на-ледных и подземных льдов согласуются с материалами указанных авторов.

Для определения сейсмических свойств Ь5Ш в естественном за-. яеганин были выполнены комплексные исследования по изучению пен лей упругих колебаний на дневной поверхности и внутри среды (см.З),

В однородных по геокриологическим параметрам МШ поверхностные источники генерируют продольную - Р, поперечную - Б и поверхностную (ралеевскую) - Е волны. Соотношение их амплитуд на удалении равном одной-двум длинам Р волны от ПВ следующее: максимальная амплитуда у Е, минимальная - у Б. На азимутальных записях горизонтальная составляющая Р велны больше вертикальной, у В -наоборот. Частота колебаний при весе заряда 0,5 кг, 50-300 ГЦ у

у Р-волны; иа 10-20^ ниже у S и минимальная у Е - от 10-12 до 100. Увеличение веса заряда снижает частоту колебании. На записях вертикальных сейсмоприемников Р и 3-волны имеют вид кваэиси-нусоид с 3-5 периодами, 5-8 - у Е. Максимальные амплитуды приходятся на средину волнового пакета, форма колебаний Р и S-зодн ео внутренних точках !Ш и на поверхности одинаковы. Амплитуда колебаний Р-волны, за счет увеличения вертикальной составляющей, большей чем на поверхности. Волновые поля для многолетнемзрзлых галечников и песков по форме, соотношению амплитуд и частоты колебаний волн разных типов тождественны покровным льдам.

Данные о скоростях сейсмических волн, плотности для распространенных на северо-Еостоке России породах представлены в таблице I. По характеру зависимости сейсмических свойств от геокриологических параметров МШ могут быть условно разделены на 3 группы: обломочные (крупно- и тонкодисперсные), трещиноватые, плотные и сухие.

Анализ скоростей пород первой группы позволяет отметить пр презде всего влияние гранулометрического состава ЫШ. Для "нор-калькольдистых" 1331 скорости возрастают с увеличением размера частиц от тонкодисперсных (глин) к крупнооблошчным (галечникам). Для каддого литотипа, как и талых пород, скорости зависят от минералогического состава и форы частиц, степени сортированности, взаимоотношения в пространстве и др. Их влияние выразагтся некоторым диапозонсм скоростей, свойственных каздому литотипу дисперсных МП.

Гранулометрический состав оказывает решающее влияние и на геокриологическое строение МШ, определяя презде всего криогенную текстуру - взаимоотношение льда с минеральным веществом. Она различна для крупно- (галечники, крупнозернистые пески) и тонкодисперсных (глины и др.) пород.

В галечниках и песках с массивноконтактнои текстурой (лед находится лишь в местах соприкосновения частиц друг с другом), льдестость меняется от практически нулевого значения до первых процентов. При массивнокорковой текстуре (лед корочкой покрывает минеральные частицы, оставляя часть порового пространства нэ заполненным) , льдестость меняется от 5-8 до 20-252. Пса массивно-поровоа текстуре (лед заполняет все меяюровое пространство при

Таблица I. Скорости сейсмических воян и'плотности (с учетом материалов Е.М.Аннсимова, И.А.Быкова, В.Э.Гугиана, А.Е.Растворова, Г.И.Рощина, О.Б.Тарасова, Г.Ф.Чулкова)

Порода Возраст Многолетнемерзлые

Тр,м/С ,м/с ?г,м/с

Галечники 1 Ч 4250-4650 2600-2700 2100-2200

То хе 2 Л 4000-4300 2500-2650 2000-2150

Пески «г-к 4250-4550 2600-2700 2150

Супеси <з 3750-4300 2000-2550 1600-2000

Суглинки ч 3600-3800 1900-2100 1300-1800

Глины 3 н 2750-3500 1800-1900 1300

То »0 4 <4: 1600-1800 1000-1100 -

5 Лед (вода) 3500-3800

<г 3850-4000 1750-1850 1600

Фирн ® I500-3300 900-1300 -

Снег 5 400-1500 - -

атавяально-делр- «г 3300-3500 - -

виальные отлохения

Сухие галечники, «г 250-500 - 160-180

пески (сушенцы)

Андезиты, базальта к 3500-5000

с Глинистые сланцы Р-Л 4600-5100 3450 2100-2500

5000-6000

с Песчаники 4700-5100 _ -

5000-6000

Прнмечания:1. Нормальнольдистые, сингенетичномэрг акав с иассквнопоровой криотекетурой.

2. Норыальнодьдастые, эпигенетичномерзлыв с массивнопоровой краотекстурой.

3. Еоргальнольдастне, апнгенетичнсыерзлые со слоистосетчатой жраотекстурей.

многолетнемерзлых н талых-пород северо-востока России В.В.Дудика, Ф.Г.Заединова, В.С.Киселевича, Е.П.Лумпова,

породы Талые породы

V /V Р з р,г/см3 °С / 3 0,г/см

1,6-1,7 1,9-2,3 -7 * <0 1200-1600 250-500 2,0-2,4

1,6 2,1-2,4 -7 Л -;0 1600-1800 250-503 2,0-2,4

1.6-1,7 1,9-2,4 -7 * <0 1600-1800 250-500 2,0-2,4

1,4-1,7 1,8-2,0 -7 Л <0 1500-1800 250-500 1,8-2,1

1,8-1,9 1,3-2,0 -7 Л <0 1400-1800 - 1,9-2,С

1,5-1,8 1,2-1,8 -7 А -2 1800-21С0 « 1,8-2 Д

1,6 1,2-1,4 -7 * -4 - - -

2,1-2,2 0,8-0,9 -15 * <0 • 1540 0 1,0

1,7-2,5 0,5-0,8 -15 Л <0 - - -

- 0,2-0,5 -15 -7 Л А <0 <0 - — —

- 1,2-1,6 -7 Л <0 300-500 180-190 1,2-1,6

1,3-1,5 2,7-2,9 2,4-2,5 -7 -7 д и. <0 <0 3500-5500 4600-5100 5000-6000 2100-2500 2,7-2,9 2,4-2,6

- 2,64 -7 Л <0 4700-5100 5000-6000 - . 2,64

4. Сингенетичномерзлые со слоистой криотекстурой; з числителе скорости вкрест слоистости, в знаменателе - вдоль,

5. С учетом данных 0.К.Кондратьева, А.Г.Гамбурцева (1963), Е.ТЫе1 , П.Оа-Ьепзо, (1963),

6. В числителе скорости ькрест слоистости, в знаменателе - вдоль.

сохранении соприкосновения частиц друг с другом), льдастость равна 20-4Ол -"нормальнольдистые" пески и галечники. Потеря контактов мезду частицами минерального вещества - массиздобазальная текстура характеризуется льдпстостью от 40 до практически 100%, когда минеральные частицы лишь "загрезняют" лед. Рост льдистоти в галечниках и песках сопровождается сначала резким ростом скоростей, достигающих максимальных значении при массиЕНОпоровой текстуре, и затем плавно понижаются, асимптотически приближаясь к значениям в чистых льдах. Льдистость влияет на плотность и по-глащапцую способность галечников и песков: первая имеет тот Ее характер изменения, что и скорости, вторая - обратный ей вид.

Тип криотекстуры и льдастость глин во многом зависят от условий промерзания. При сетчатой текстуре, характерной для эпигенетического промерзания, с равномерным распределением льда, рост льдастости сопровождается увеличением скоростей до значении в чистом льду. Неравномерное распределение льда, например при слоистой криотекстуре, делает глины анизотропными средами. Их сейсмические свойства зависят от отношения мощностей прослоев, значения скоростей, плотности, поглащавдей способности льда и минерального вещества. Так в сингенетическшерзлых глинах со слоис-тог текстурой скорости Екрест слоистости минимальны: для Р-золкы - 1600-1800, для Б - 1000-1100 м/с, вдоль слоистости максимальны: для Р - 3500-3800 п 3 - 1500-1800 м/с. Коэффициент анизотропии для Р волны достигает 3,8. Колебания, распространяющиеся поперек^, слоистости, имеют аномально высокое затухание.

Влияние температуры на сейсмические свойства ЬКП изучены в дпапозоне от -25 до 0°С. Исследования на поверхности . -включали записи волкоеых полей на участках с разки ми значениями температуры йШ; выполнены и сезонные наблюдения на профилях, закрепленных на-местности. Например в апреле, температура пород мишшаль-на, в августе - максимальна, более того существует сезокно талый слой (СТС).

3 сква^шнах, исключая слой сезонных колебаний (глубина до 15-20 м), температура МШ. увеличивается с глубиной при среднее градиенте 1сс/35 м. СК проводился в сквагиках при разной глубине Ш'У. Как отмечалось (см.З), одна скважина использована для полу-горагодошх сезонных (апрель, май, июль, сентябрь, затем апрель,

пиль, сентябрь) определений влияния температуры на сейсмические свойства В ней выполнен ряд СК при- восстановления температурного режима пород, нарушенного при'бурении. В интервале глубин 0-20 м (шаг сейсмоприемникоз 2 м), температура в течении года изменялась от -25 до +2, нкяе (до 175 м) температура увеличивалась с -6 до -1,5°С. Проведены наблюдения в сквазппах и на поверхности при пересечении границы талик - мерзлота, примерно соответствующей положению нулевой изотерм. На профилях попользовались системы встречных и нагонящих годографов с расположат-: няем ИЗ з талых и мерзлых породах.

В результате ксследозани.. для многолетнемерзлых галечников и песков з естественном залегании не шявлено залетных влиянии изменения температуры на селсызческиэ свойства пород. Это, з частности, выразилось в том, что записи при сезонных наблвдения! были идентичными, а скорости волн (точность 1%) оставались неизменный! при подходе к границе мерзлота- талик, уменьшались скачком при ее пересечении.

Сейсмические свойства многолетнемерзлых глин, из-за глубокого залегания, исследованы лпсь в сквагинах при температуре -7,5

-2,5°С, где они оставались постоянными. Отсутствие данных з области 0°С оставляет открытым вопрос о влиянии температура на сейсмические свойства многолетнемерзлых глин.

Сейсмические свсйстЕа, в частности скорости, вероятно, зависят от структуры льда-цемента ШП. Так, по данным 3.Д.Зыкова ¿г О.П.Черзпнскои, обобщивших замеры скоростей во льду при разгих температурах, они имеют следующие значения: при 0 - 3000-3800, при -5 - 3050-3950, при -Ю - 3100-3260 и при -15°С - 31504200 м/с (1389). Интервалы скорости объясняются различием структур и плотности льда и, возмояно, методик исследований. Впслле вероятно, что первые не толы-.о вносят свой вклад з наблюдаемые з таблице I диапозоны скоростей, но и затрудняют выявление зависимости сейсмических свойств МШ от температура. Структура и плотность льда-цемента при чроведенкых исследованиях не спрэделяхгсь,

На границе мерзлота - талик з галечниках и песках седс:.зпос-кие свойства меняются скачком, что выражается в мгковеггком (при СК шаг сейсмоприемников 2, на профилях - 10-20 «) изменении скс-рсстей и длины волн, частоты колебании, поглаэаютх сьойств п>-

род. Возбуждение колебаний по разные стороны -гранта талик - ■ мерзлота, показывает, что в MI скорости шше (си.табл.1) н генерируются волны, дайна которых в 10 и более, а частота примерно в 3 раза больпе, чем в талых породах.

ЫШ второй группы - песчано-глинистые сланцы, изверженные породы содержат лед з трещинах. Характер трещин и распределение льда сложны; встречаются трещины без льда пли частично заполнен^ ные ш. Это приводит к значительно^ диапозону скоростей и резкому их уменьшению в случае оттайки пород, что, в частности, установлено для гранитоидов района Колымской ГЭС (Ворокков, Михайловский, 1972).

Для третьей группы - плотных и сухих, не содержащих воду п лед пород, сейсмические свойства не меняется при пересечении границ с нулевой изотермой.

5. СгЙСМОГЕОКРИОЯОГИЧЖЗКЙЕ МОДЕЛИ ШОГОДЕШЕДЕРЗЛЫХ ПОРОД

Проведенные исследования, данные других авторов позволят создать СГКМ МШ, обьясшшгле их сейсмические свойства.

5.1. Сейсмогеокриологнческая модель льда

Дед является не только моношшералькой породой крколитозоны, но и составной частью большинства ЫШ. По существу он определяет основные характеристики сейсшческих свойств криолитозоны.

5.I.I. Для понимания сейсмических свойств полнкристалличес-ких льдов рассмотрим СГКМ монокристалла, льда. По данным ультразвуковых исследований монокристаллов льда гексагональной.пиего-неи (обычный лед), скорости зависят от направления распространения упругих колебаний относительно осей симметрии (Green, Mackinnon , 1956; Proctor, IS66 и др.). Установлен диапозон скоростей вдоль каждой из осей; в некоторых случаях, при понияении температуры скорости возрастали приближаясь к асимптоте. Это объясняется существованием на поверхности кристалла льда квази-яадкого слоя. Его структура отличается от гексагональной и обычной хидкой вода (Моэно, 1988). Толщина слоя меняется от нескольких десятков, при 0, до единиц ангстрем, при -6°С. Согласно теории Флетчера, на поверхности квазилшдкого слоя прп -6°С около 75' молекул воды ориентирована протонами нарушу кристалла. Sa stem слоем степень ориентировки молегул уменьшается по экспо-

ненциальному закону. Это позволяет предполагать, что свойства слоя, в том числе скорости, не остаются постоянными.

Существование слоя объясняет факты, установленные при исследовании распространения ультразвука в монокристаллах. Во-первых, рост скорости при понижении температуры связан с уменьшением мощности квазгкидкого слоя и увеличением толщины структурно-упорядоченного (гексагонального) льда. Учитывая неоднородность слоя, можно полагать, что происходит не только сокращение его толщины, но и увеличение скорости упругих колебаний з нем. Тогда лскнке-ние температуры льда сопровождается увеличением измеряемой, но существу средней, скорости. Зо-зторых, наличие квазияэдкого слоя объясняет дипозокы скоростей при о/хной и той не температуре. Действительно, значение измеряемой скорости зависит не только от физических параметров слоя и структурно-упорядоченного льда, но и от соотношения их мощностей. Чем больше размеры кристалла, тем меньше влияние слоя. Это приводит к зависимости скорости и от форма кристаллов. Например, в шестоштных кристаллах вдоль удлиненных граней скорости будут выше, чем з изометрпчной форгш при одинаковых объемах. Таким образом объясняется поведение скоростей в монокристаллах льда при разной температуре.

Предлагаемая СГКМ справедлива при предположении, что скорости в квазижидком слое меньше, чем з структурно-упорядоченном льде. Их значение даже для одной какей-то температуры неизвестно, ™го не позволяет создать количественную СГКМ монокристалла льда.

5.1.2. Сейсмогеокриологическая модель полпкрпсталлическсго льда

Поликристаллические льда - более сложные образования по отношению к монокристаллам. Соседние кристаллы меняет строение квазижидкого слоя: отсутствует та его часть, в которой до 75 % молекул упорядоченно-ориентировакы. В результате квазижидкий слой при одной и той же температуре между соседними кристаллами меньше удвоенной толщины для отдельного монокристалла. В количественном отношении влияние слоя уменьшается. За счет этого скорости в поликристаллических льдах, при прочих равных условиях и одной и той же температуре, выше, чем в монокристаллах.

форма, размеры и взаимоотношение кристаллов определяет? криогенную структуру льда. Исходе из СГКМ льда, тип структура влияет

на скорости. Например, при равномернозернистом структуре и хаотической ориентировке осей кристаллов лед изотропен и скорости не зависят от направления распространения упругих колебаний. Преобладание в ориентировке осей, как правило, сопровождается изменением формы от изометричной к шестоватой или уплощенной, что приводит к анизотропии скоростей. Это подтверждено.для льдов Антарктиды данными ШВ, ультразвукового СК и прознучивания керна. (Кондратьев, Гамбурцев, 1963; Bentley , 1972 и др.). В крупнокристаллических льдах, при прочих равных условиях, скорости будут выше, чем в мелкокристаллических; для последних суммарное количество квазижидкой воды на единицу объема будет больше.

5.2. Сейсмогеокриологические модели многолетнемерзлых пород

По отношению,к льдам,, МШ более сложный геокриологический объект следующего уровня. Они состоят, по крайней мере из двух веществ: минерального н льда-цемента (дисперсные породы) или льда в трещинах (трещиноватые скальные породы). СГКМ МЛ рассмотрим на крайних по дисперсности частиц породах - галечниках и глинах.

5.2.1. Сеисыогеокриологическая модель многолетнемерзлых галечников

Ыноголетнемерзлые галечника mosho рассматривать как усложненные льды, в которые вложены вешералъные частицы. Они привносят, по крайней море, качественно два новых свойства: часть объема замещается веществом с иными, чем у льда сейсмическими характеристиками (скорости, плотность, поглащащая способность), а на его поверхности существует связанная, или пленочная вода со свойствами близкими квазижидкому слою.

При масснвнопоровой криотекстуре галечников, в зависимости от формы и упаковки частиц, количество льда-цемента составляет I/4-I/3 объема чистого льда. Исходя из принцапа среднего времени, ыоаво считать, что изменения скоростей будут тем больше, чем выше их разлпчке для льда н минерального вещества.

При ыассивнобазадьной текстуре, льдистость меняется от "нормальной" до почти 100$, когда лед лишь загрязнен отдельными час-тшами. Увеличение льдистостк сопровождается преобладанием свойств льда, пропорцконально объецу, приходящемуся на его долю. В

результате с увеличением льдистссти скорости асимптотически приближаются к значениям во льду.

При иаесиьнспленочной текстуре галечников льдистость ниже "нормальной"; дальнейшее ее снижение приводит к возникновению массивноконтактной. Увеличение объема не заполненных межзерношх пустот сопровождается уменьшением скоростей до аномально низких и резким возрастанием затухания.

Влияние температуры на скорости в галечниках определяется свойствами минеральных частиц, связанной воды на их поверхности и льда-цемента. Их количественные соотношения, при равенстве размеров, формы и состава частиц, неизменной структуре льда и ПР.. будут зависеть от типа криогенной текстуры и лг,дистости. Например, при наиболее распространенной массивнопорозой текстуре количество связанной воды в одинаковых по объему галечниках и льдах, мало по сравнению с квазияидким слоем. Зто объясняется тем, что суммарная поверхность минеральных частиц существенно меньше, чем кристаллов льда-цемента из-за их микроскопических размеров. Таким образом, можно пренебречь влиянием температуры на скорости связанной воды. Поскольку при массивнопоровой текстуре лед в галечниках занимает не более 1/3 объема ММП, соответственно влияние температуры на скорости будет примерно з 3 раза меньше, чем во льду. Влиянием температуры на скорости в минеральных частицах, из-за малого диапазона (-20 - 0°С) для МШ, можно пренебречь.

При базальяой текстуре пропорционально увеличению льдистостн будет возрастать и зависимость скорости от температура гала'-г..л-ков. При массивнокорковой текстуре уменьшение льдистостн сопровождается снижением влияния свойств льда. При масспвноконтакто-вой текстуре количество связанной водя, оставаясь примерно таким же, как и при других типах кряотекстур, становится соизмеримым с квазижидким слоем. В этом случае, учитывая влияние льда, нельзя пренебрегать и связанной водой.

Уменьшение диаметра частиц з рассматриваемой СГКМ галечникоз, при прочих равных условиях и сохранении отношения объема льда к минеральному веществу, сопровождается ростом общей площади их поверхности и, следовательно, количества связанной воды, что ведет к уменьшению скорости. Таким образом, мерзлые песка, анало-

гичные по составу галечникам, будут иметь более низкие скорости к, естественно, болыаее влияние температуры.

Появление в галечниках песчаного материала увеличивает объем высокоскоростного материала, что приводит к росту скорости и меньшей зависимости от температуры.

Исходя из СГКМ обломочных МШ, можно сделать вывод, что скорости зависят и от форма частиц. Действительно, при одном и том яе объеме минерального вещества суммарная площадь поверзшости частиц, а следовательно, и количество связанной воды, уменьшается по мере изменения форда от угловатой к окатанной, достигая минимума для частиц-^фер.

5.2.2. Сейсмогеокриологическая модель многолетнемерзлых глин

В шюголетнемерзлых глинах, за счет тонкошштчатой и листовидной формы частиц, суммарная поверхность минерального вещества на несколько порядков больше, чем в галечниках (Ершов и др., 1987 и др.). В результате возрастает количество связанной воды.

Мезду бли: :о расположенными частицами появляется вода со свойствами капиллярной. Общее количество поверхностной и капиллярной воды зависит, в четности, от степени дисперсности, формы, химического состава, взаимного располонения частиц, условий замерзания, времени существования, температуры МШ и других факторов. Предполагается, что количество воды разных типов в мерзлых глинах значительно, а температура ее замерзания не одинакова. Последнее должно было бы подтвердиться ступенеосбразным ходом температуры при замораживании образцов глин. Но она меняется плавно. По-видимому, замерзание воды всех типов, кроме свободной, происходит при относительно близкой температуре, а из-за тепловой инерции они не различимы.

Значительное количество связанной и капиллярной воды в глине приводит к тому, что скорости в минеральном веществе оказываются нихе, чем во льду. В результате при равномерном распределении льда и минерального вещества увеличение льдистости глин сопровождается ростом скоростей, асимптотически приближающихся к значениям во льду.

При неравномерной распределении льда и минерального вещества в «ноголетнемерзлых глинах образуется слоистые, сетчатые, слоис-

то-сетчатые и др. криотекстуры. Мощность прослоев льда в первую очередь зависит от условий замерзания глин. При эпигенетическом промерзании, образование льда сопровождается, в основном, перераспределением вода, без притока извне (замкнутая система). В таких глинах при "нормальной" льдистости, как правило, мощность прослоев льда - единицы мм. При сингенетическом замерзании глин, с поступлением вода к фронту промерзания (открытая система), толщина прослоев льда может в несколько раз превышать мощность минерального вещества, что сопровождается увеличением льдистости. Слоистое распределение льда и минерального вещества, различие их по скоростям, плотности, поглащавдей способности - причина квазианизотропии сейсмических свойств многолетнемерзлых глин. Коэффициент анизотропии также зависит от отношения толщины прослоев.

5.2.3. Сейсмогеокриологические модели многолетнемерзлых супесей, суглинков и глинистых галечников

Для многолетнемерзлых супесей, суглинков, являющихся смесями песка и глины, СГКМ более сложны. Можно полагать, что преобладание обломочного или тонкодпсперсного материала сопровождается доминированием свойств песка дли глины. Появление глинистого материала в галечниках приводит к понижению скоростей.

Предлагаемые СГКМ ?«Щ не противоречат экспериментальным данным о зависимости сейсмических свойств от геокриологических параметров пород в условиях естественного залегания. Это позволяет использовать СГКМ в качестве основы при создании количественных моделей ИЛ.

6. АКУСТИЧЕСКИЕ ЖЕСТКОСТИ ШЮГОЛШНЙЕРЗШХ ПОРОД И КОНТРАСТНОСТЬ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ГРАНИЦ

Исследование сейсмических свойств МШ и аналогичных ел талых пород позволяют оценить акустическую жесткость и контрастность геокриологических границ. "Нормально" льдистые МШ северо-востока России характеризуются более высокими скоростями, чем талые породы при практически одинаковых, исключая глины, значениях плотности (см.табл.1). Влияние изменения льдистости от "нормальной" на скорости и плотность зависит от степени дисперсности Ы?.Я. В галечниках и песках они уменьшаются одновременно. 3 зпигеяети-ческимерзлых глинах уменьшение льдистости приводит к пснзжершо

- 25 -

плотности и уменьшению скоростей, а ее рост шше "нормальной" -к снижению плотности г росту скоростей. Как правило, плотность таких глин незначительно отличается от талых. Плотность синге-нетическимерзлых глин, из-за высокой льдистостн, ниже талых.

Данные таблицы I позволяют отметить ряд закономерностей. По значению акустической жесткости МШ, по сравнению с их талыми аналогами, являются более жесткими средами. Для криолитозоны акустическая контрастность литологических границ выше, чем для талых толщ. Так на границе "нормально" льдистых песков и глин акустическая жесткость для Р-волны меняется более чем в 3 раза. На гранте лед - пески перепад акустической жесткости, только за счет плотности равен 3,1. Изменения литодогического состава, льдистости могут быть скачкообразными (сейсмоакустическая граница первого рода) и непрерывными (второго рода),

В криояитозоне существуют и криологические границы: талые -МШ со скачкообразным изменением акустических свойств. В песках лля Р-волны акустическая жесткость на пей меняется в 2,9 раза. В глинах максимальное изменение акустической жесткости на этой границе 1,4. Криолитозона в сейсмической отношении является не только акустически жесткой средой, но и областью с контрастными границами первого и второго рода. Эти свойства отображаются в волновых палх упругих колебаний.

7. СШСЮГВЖШСШСГИЧВСКИЕ МОДЕЛИ КРИОЛИТОЗОНЫ

Криолитозона является вертикально- и горизонтально-неоднородной средой. Соотношение размеров неоднородаостей с дышой упругих волн различно. Распределение сейсмоакустических характеристик, связанных с геокриологическими параметрами криолитозоны, отображается СГКЫ. По числу пространственных координат они могут быть подразделены на одномерные (г) - сейсмогеокриологические колонки (СГКК), двумерные (x,z) - разрезы (СГКР) и трехмерные U,y,z) - толщи (СПСТ).

7.1. Типовые сейсмогеокриологические колонки

Сейсмогеокриологические свойства криолитозоны остаются постоянными по глубине лишь в плотных и сухих породах; в них пересечение HTM не сопровождается изменение« акустической жесткости. В иных случаях вертикальная неоднородность, по крайней мере, обусловлена существованием HTU.

- 26 -

Сейсмические свойства вертикально-неоднородной крполитозоЕЫ рассмотрим на типошх СГКК. В основу типизация патогены физическое состояние пород (мерзлые, т&тае), степень неоднородности (сложность) и характер изменения с глубиной скоростей и плотности. Аналогом СГКК являются сейсмические данные, получаемые при СК и ВСП.

Тип СГКК-1 охватывает все случая талых (немерзлых) толп, участков сквозных таликов (здесь и далее см.рис,2).

К типу СГКК-11 отнесеЕы участки сплошной мерзлоты с постоянными и увеличивапсгмяся с глубиной скоростями з LSÎ1, подстилаемых-скальными мерзлыми породами.

Тип СГКК-Ш - мерзлая толща, з которой скорости постоятшы или увеличиваются с глубиной, подстилаются талыми породист, залегающими на высокоскоростном скальном основании. Такие колонки характерны для подмерзлотных таликов.

Тип СГКК—1У по физическому состоянию аналогичен СГКК-II, отличается от нее тем, что спорости в скальном основании низе, чем в ЫШ.

Тип СГКК-У отличается от типа П тем, что скорости в Ш11 уменьшаются с глубиной.

Тип СГКК-У1 - толща с кегкерзлотннм таликсй.

Тип СГКК-У11 - ММП сверху и снизу ограничена талыми породами.

Тип СГКК-УШ - поверхностный талнк, ниже которого находятся ММП, залегаядие на высокоскоростном скальном основании.

Возможны более сложные по физическому строению СГКК, например, ряд межмерзлотных таликоз, но такие участки редки. Их индексация возможна по принципу, применяемому для многослойных кривых ВЭЗ (Пылаез, I9S8).

Исследования показыавют, что волновые поля в криолитозоне определяются не только скоростными характеристиками среды, но и распределением плотности и поглащалцей способности, в частности аномально низкими для пластового льда. Лед, даже при одинаковых скоростях с Емещащики его ЬШ,' Еыражается в волновом поле. Такие СГКК отмечаются буквой "пя - пдотпостная граница лед - ¡&S, например СГКК-ЛуП.

Верхняя часть приолптозош подвержена сезонным колебаниям температуры, а породи вйляза дневной поверхности в течении года бывает как талыми, таз а мзрзлсз. Учет деятельного слоя треб7-

- 27 -

г о о 2 —

к.

I 0^0 2 4

г о^о г 4

I I

£ С О 2 4 £ t О О г «

Г 1 ц 1 1

1 1

1 1 1

1 \ 1 1

\ - \ _

■4.Я»» И ^г-

-Чй» т

2 А Б

1 Уя

А В.

JVn

ВЕЗ Ш

ВИв йо»

.Вас. 2. Типовые СГКК ктолитозоны

I - график пластовой скорости: А - продольных, Б - поперечных волн: 2 - интервал изменения скорости: А - МШ, Б - талые породы; 3 - интервал скорости в плотных породах; 4 - граница мезду рнинми и плотными породами; 5 - граница мерзлоте - талик (Серг-стрих направлен в сторону ШШ); 6 - график температуры пород; 7 - значение скорости, кк/с; 8 - номер типовое

ет для. описания СГКМ привлечения данных по координате времени. Так осенью мощность СТС с низкими значениями скоростей монет достигать 5 м. Такие СГКК, например участок сплошной мерзлота при СТС, индексируются так: СГКК-П,СТС. Зимой талики перекрыты • се-зонномерзлым'слоем (CI.ÎC), а водоеш льдом толщиной до 2-2,5 м. Такие участки, например сквозной талик, обозначаются СГКК-1,СМС.

7.2. Сейсмогеокоиалогические модели разрезов

Ври.характеристике сейсмогеокриологических свойств по профилю использованы двумерные (x,z) модели - сейсмогеокриологпческие разрезы (СГК?). Они являются набором соответствующих СГКК по профилй. Для описания типовых СГКР использованы индексы СГКК. Смена типа разреза, например среди мерзлоты (СГКР-Ш расположен сквозной талик (СГКР-1), обозначается так: СГКР-П-1—II. Место -смены разреза соответствует пикетами границ талика на профиле.

7.3. Сейсмогеокриологическке модели толщ.

Еасокая акустическая контрастность ' криологических границ даже при профильных наблюдениях требует учета неоднородкостей, расположенных вне его, т.е. использования трехмерных СГКМ толщ (СГКТ). Переход к СГКТ - привлечение данных по координате у. Каждой. точке с координатами х,у,z соответствует своя СГКК.. Участки с одинаковыми СГКК принимаются как типовые СГКТ. "

Типовые СГКМ, показывая характер и пределы изменения сейсмических характеристик, позволяют устанавливать общие закопомернос-1-ти, способы и методы решения задач, сопоставлять материалы моделирования и экспериментальные данные, переносить, используя аналогии, полученные результаты на другие области исследований, например в сейсмологию, акустику, дефектоскопию.

7.4. Геометрия сейсмогеокриологических границ

Отметил особенности формы, в общем случае в трехмерном пространстве, сейсмоакустических границ нрнолитозоны, Tas образования льда разнообразны - от пластошх, субпараллельных дневной поверхности, до вертикальных е крутовадавщих жил. Подземные льды, исключая лед-цемент, встречаются ка глубинах до х00-150 м, а бугры ледяного пучения (булгувяли) находятся на поверхности и перекрыты иаломсщнык слоем

Поверхвост1. КГИ в сглаженной виде повторяет рельеф дневной

поверхности. Локальные сокращения мощности мерзлоты происходят под незамерзающими озерами и реками вплоть до образования сквозных таликов. Они существуют в области островной мерзлоты, зонах разгрузки подмерзлотных вод и др. Гранину узких таликов субвертикальны, крутонаклонены, pese опрокинуты (козырьки). Особенностью границ мерзлота - талик является и их выход на дневную поверхность.

Рассмотренные СГКМ криооштозоны созданы на данных типичных для северо-востока России. Модели, в основания которых находится скальные порода, характерны для меягорных впадин, большинства россыпных месторождений; в нефтеперспективных областях Чукотки, исключая предгорья, мерзлые толщи залегают на немерзлых рыхлых породах, а высокоскоростной- фундамент находится на глубинах больших, чем HTM.

8. ПОЛЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ЕОЛН В КРИОЛИТОЗОНЗ . '

Исследования сейсмических свойств криолитозоны, на основе созданных СГКМ, дозволяют объяснить природу волновых нолей для различных по строению многолетней мерзлоты участков. Это представляет теоретический и практический-интерес.. Первое обусловлено тем, что аналитические решения некоторых акустических задач оказываются некорректными с;наблвдаемыми явлениями. Например, для вертикального контакта на полупространстве не учитывается явление "запрета" передачи энергии из одной среда в другу®. В практическом плане, изучение полей позволяет, повысить эффективность сейсморазведки, в том числе расширить область ее применения, в частности, в геокриологии. Например, материалы MOB, ОП, КШВ, нефтепоисковых работ могут использоваться для получения сведений о мерзлоте.

Вертикальные и горизонтальные неоднородности криолитозоны по разному отображаются в полях упругих волк, что делает целесообразным их анализ раздельным.

8.1. Поля сейсмических волн в вертикально-неоднородной криолитозоне.

Вертикальная неоднородность криолитозоны - изменение геокриологического строения по глубине учитывается типовым:* СИШ. Волновое поле зависит и от соотношения размеров неоднородном ей с длинами упругих волн.

8.1.1. Поле упругих колебаний от поверхностных источников в однородных по геокриологическому строении МШ, мощность которых больше длины волн, рассматривалось при изучении сейсмических свойств МШ (см.4). Появление на глубине высокоскоростных пород, например СГКК-11, при СК на вертикальном годографе отмечается увеличением скорости. На этой поверхности возникает и преломленная волна. В области выхода в первые вступления ее амплитуда мень-иеныве, чем у прямой Р-волны.

8.1.2. При мощности Ш, меньшей длины волн, поле имеет ряд отличий: прямая Р-волна становиться интерференционной, чзще всего высокочастотной; вместо одной Е следятся, по крайней мере, две псевдоралеевские. Их кажущиеся скорости различны, длина первой - примерно равна мощности слоя, а второй - существенно бельке. Их частота имеет обратное соотношение.

8.1.3. Талая толща между ЫЩ и скальными породами (СГКК-Ш) при СК отмечается низкой скоростью. Частота колебаний в талых породах на 20-30? ниже, чем в МШ. На поверхности на таких участках наблюдается высокое затухание прямой Р-волны; пониженная (до 20?) частота колебаний преломленной волны, прошедшей через талую толщу. Ее амплитуда при равном расстоянии от ПВ, в 5-7 раз меньше, чем при отсутствии подкерзлотного талика. Сокращение мощности МШ повышает частоту и затухание прямой Р-волны» Увеличение модности талых пород понижает частоту и увеличивает затухание преломленной волны.

8.1.4. В тектонических зонах скорости в скальных породах, иногда меньше, чем в ШП (СГКК-1У). Такие участки, например при поисках россыпей, отмечаются отсутствием преломленной волны. Они обычно прослеживаются в виде узких протяженных зон, с которыми часто совпадают палеорусла,

8.1.5. Инверсия скоростей в ММП (СГКК-У) встречается, например на участках древней погребенной гидросета, где под галечниками или песками залегают эпигенетическимерзлые глины. В них скорости ниже, чем во вмещающих породах. При СК глины отмечаются не только низкими значениями скоростей п высоким затуханием, но и интерференционной формой колебаний, отличающихся от волн в галечниках и песках. На поверхности волновое поле над такими толщами аналогично СГКР-9. Различия обусловлены иеньаей акустической кон- 31 -

трастн остью мерзлых пород по сравнению с талыми, по отношению к вмещающей толще. В частности, затухание прямой Р и преломленной волн, их частота незначительно отличается от толщи, сложенной однородными МЫЛ. Если мощность верхнего слоя меньше длины Е-волны, то генерируются псевдорэлеевские волны.

8.1.6. Толщи с меамерзлотшми таликами (СГКК-1У) встречаются в Западной Сибири. Волновые поля для них нами не исследогались. Можно предполагать о влиянии параметров верхнего высокоскоростного слоя Ml на прямые волны Р и Е.

8.1.7. Поверхностные талики (СГКК-Ш, ГШ) по условиям возбуждения колебаний аналогичны немерзлым толщам (СГКК-1). На поверхности М.П возникает преломленная волна (СГКК-УИ), а "в случае их залегания на скальном основании (СГКК-УШ) и от их поверхности.

8.1.8. Пластовые льды (СГКК-Ц,п, ш,п и др.) по скорости незначительно отличаются от шещащих ЫШ или одинаковы с ними. Аномально низкая плотность и поглащаш&я способность льда делают его границы, в акустическом отношении, аналогичными поверхности вода - дно. Кровля льда является "акустически мягкой", а его подошва "твердой" границами. Аналогия сейсмических свойств льда и воды, границ дно и ЬЗЛ - причина образования реверберашонных колебаний в пластовых льдах. Их частота зависит от мощности льда и покрывающих его ММП, скорости в этих средах.

8.1.9. .Влияние активного слоя - зимой CMC (СГКК-I,CMC), летом СТС (СГКК-П,СТС и др.) на пс-ле упругих волн различно. Наибольшие изменения вносит лед на водоемах. Его влияние будет рассмотрено ниже (см.8.2.2).

8.2. Поле сейсмических волн в горизонтально-неоднородной криолитозоне

Горизонтальная неоднородность обусловлена изменениями мощности геокриологических образований в пределах однотипных СГКР, сменой типа разреза. К особенностям геокриологических объектов, отмеченным ранее (контрастность границ, малые размеры и др.) добавим субвертикальное положение некоторых границ, их выход на дневную поверхность. Они являются одной из причин того, что сейсморазведка до недавнего времени практически не использовалась при геокриологических исследованиях. Ее применение сдержиЕа-

ОСЭЫ 1-1 рэ О ьЗ М4 Й 03 ^

• И В Ц рэ

ГО СОЬ1

иэ го^з яа м ш ОШ о О со

0 а а о о о

рз СО СО | £»5

^о их го

1 о Я ^ .

со 2 §ОЭЬс) К:

СЛ • » | » »

0400 Сх

IV ,

НИ0О1

зы к

ОД О- СО - 04

^ 2 И Я к

£» ГО ГО Ы ГО М

ЙЧЗ аР ё Э со Э нз не

, о дюна

03 ЙД4

го той о

Оьз 4

¿Р I I ¡¡*а

СО К - « Е О

• К В МОД £> да р го^а

Йгоо §я О^ о ы 2 I

о +

со

о м о го

о &

го

В-

о м

кЗ

« I

ГО

из со 64 о

ЬЗ

га

ПК2760

ПВ2070

> пвто

ЛББ90

Рис.5. Волновое поле над зонами растрескивания (наблюдения проведены от ПК2760 к 0) ' сейсмостанция Поиск-1-48-М0В-0В, воспроизведено на аппаратуре Луч-1 при фильтрации 0-25, еейсмоприемники СВ-2-20, шаг 30 м.

mimo

Рис.4. Волновое поле над узкими т; тиками

ПК10520 - "узкий", ПК9580-966') "широкий" те лист. Сейсмо-станция ПОИСК-1-48-М0Б-0В, Фильтр-шея ОК-ОК, воспроизведено с магнитограмм, трассы 1-12лосцшпографическая запись при выклточеных АРУ и ЭРУ, сейсмопшем шки CB-I-30, шаг 20 и.

ло и отсутствие аналитических решений, ультразвукового моделирования для геокриологических объектов. Поэтому, экспериментальные исследования волновых полей для горизонтально-неоднородной крио-литозоны представляет практический и теоретический интерес.

Влияние изменения мощности слоев на параметры Р и Е-золн в пределах однотипных СПСР рассматривалось в предыдущем разделе, Оки подтверждаются профильными наблюдениями.

8.2.1. Вертикальный (суовертикальный) контакт мерзлота - талик (СГКР-11-1) - один из примеров горизонтальной неоднородности криолитозоны. Волны Р и Е, возбужденные в ЛИП, п-и достижении контакта передают в талые породы энергию в виде продольных - Р0: проходящей - РР0 и обменной - ЕР0 (рис.3). Скорости на границе меняются скачком, например, в мерзлых галечниках для Р с 4550 и Е с 2200 до 1900 м/с у ?0 в таяых. Уменьшается и частота колебаний со 100 у Р, до 30-35 Гц у Р0, и длина волн с 45 у Р и 65 у Е, до 6-8 м у Р0. Амплитуда РР0 составляет 0,1 от Р; ЕР0 - 0,2 - 0,3 от Е. Волна Е на контакте образует и отраженную - ЕЕ с амплитудой 0,7-0,8 от Е. За контактом з талых породах волны Е0: проходящая - ЕЕ0, обменная - РЕ0 отсутствуют.

Генерируемая в талых породах золка Р , на границе талик -мерзлота, практически всю энергию передает в гесткую среду (ММП) я виде однотипной - Р0Р и обменной - Р0Е; их амплитуды составляют соответственно 0,1 и 0,9 от Р0„ Соотношение амплитуд волн Р0Р к ?0Е на контакте примерно такое яе, как и при поверхностном источнике на ?.НН. Частота этих волн равна Р0 - 30 Гц. На границе талик - :.:.П звуковая волна - Р33 образует обменную р Р33Е с амплитудой около 0,1 от Рзв. Перед фронтом Р33 на МШ следится обменная - РЗВЕ. Ф.Пресс и М.Еинг, называя такую золну связанной, считали, что она возникает лишь, если скорость В меньше, чем Рзв (1951).

Исследования поля над вертикальным контактом талые - выявили ряд явлений, не учитываемых при аналитических расчетах для аналогичных моделей, а именно - изменений длины волк, проходящих (однотипных, обменных) из одной среды в другую. 2то приводит к "запрету" передачи энергия, т.к. толщина слоя, в котором сосредоточена энергия Е волны в К«1, примерно в 10 раз больше, чем у Е0 в талых породах. Энергия, попадавшая в зону "запрета", по-видимому, отражается от контакта и частично перехода в об- 33 -

меннае волна. Явление "запрета" в аналитических решениях не учитывается.

8.2.3. При СШ волновое поле над контактом талик - 1Ш отличается от рассмотренного выше. В качестве примера возьмем границу между мерзлотой и озером, покрытым льдом толщиной около 2 м (СГКР-Н-1 СЖ-1). Особенностью этого объекта является то, что часть талой толщи состоит из вода - среды, ие передающей попе -речные колебания.

Волна Р, возбужденная в Ш, в пределах талика распространяется по льду - РРД без образования обменных и отраженных волн на границе ШП - вода. В пределах озера ее кажущаяся скорость уменьшается до значений во льду, при этом наблюдается аномально высокое затухание, что проявляется в последовательном исчезновении першх фаз колебаний.

Волна Е на границе МЩ - озеро образует проходящую - ЕЕД и обыеиную - ЕРЛ, которые распространяются по льду. Скорость ЕЕЛ волны 1500-1700 против 2200 м/с у Е; частота колебаний 14-15 и 30-33 Гц соответственно. На противоположном берегу озера, ЕЕЛ в ШГ проходит в виде однотипной - ЕЕЛЕ и обменной - ЕЕДР с частотой, равной НВД. В пределах озера распространяется и отраженная - ЕЕдЕд. переходящая в многократностраженную. Она, достигая каждый раз берег?, в Ш1 отдает лишь незначительную часть энергии. Кажущаяся скорость этой волны по абсолютному значению одинакова, но в зависимости от кратности положительна или отрицательна.

В пределах озера волны от глубоких границ, например отраженные, имеют более низкую, чем на Ш1, частоту и более высокую амплитуду колебаний. Их годографы над таликом "запаздывают".

8.2.4. Вариантом вертикального контакта талые - МШ являзл-ся талики, ширина которых соизмерима или меньше длины волн, генерируемых в ЫШ. Влияние их параметров на волновое поле исследовано на примере подрусловых таликов: "узкого", ширина которого (20-30 м) меньше длины волн Р (25-45 ы) и Е (65-75 м), и "широкого" (80-90 м). Талики перекрыты льдом (СШЧ1-1,С1В-Ы). Наблюдения проведены по системе встречных и нагокяпцах годографов (рно.4). Колебания возбуждались в ШП.

Волна Р на таликах образует проходящую и обменную Рй. у проходящей волны Р частота (100) не меняется; для РЕ она ратая частоте (30 й) В.

Волна Е на таликах образует проходящую, отраженную - ЕЕ и обгленнув - ЕР. Частота, форма волнового пакета у них такие не, как у Е. В результате длина волк.; ЕР почти в 3 раза больше, чем у прямой Р. Амплитуда волн ЕР и ЕЕ составляет около 0,2 и 0,3 от Е соответственно. На профилях, пересекваших талики под прямыми угла;,ж, кажущиеся скорости обменных волн равны соответ-ствухгдим однотипным, а у ЕЕ - она отрицательна.

Исследование более "тонкой" структуры поля (при нескольких динамических уровнях) позволили установить волны с малыми гт-. плитудами. Так на широком талике выделена волна Pi, возмозшо более сложной природы: обмен - Р2, затем отразение по типу PEEP. Амплитуда РР менее 0,1 от Р. Вблизи этого талика выделена волна РЗВЕЕ. На таликах образуется и обменная поперечная волна - ES.

Различная длина волк Р (20-45) и ЕР (130-145), Е (70-80 м) и ширина таликов позволяют выявить тенденции зависимости коэффициентов обмена и отражения: они возрастают с увеличением ширины таликов. Есть и определенная "чувствительность" разных волн к узким поверхностным неоднородносям. Так, волна Р в сравнении с Е более чувствительна-к поверхностным таликам: при отношении длины золны ЕР к ширине талика равном I/7-I/4 образуется волна ЕРЕ. Для Е при отношении I/3-I/2, т.е. в 2 раза большем, ЕР практически не выделяется, а ЕЕ едва заметна.

8.2.4. Горизонтальная неоднородность криолитозоны связана не только с поверхностными, но и подмерзлотными таликами (СГКР-И-Ш). Волновые поля для каждой из СГКК в отдельности рассматривались (см.8.1). Интересно заражение з поле контакта, разделяющего под-мерзлотный участок, от зоны, где он отсутствует. При расположении ПВ за пределами талика преломленная волна при входе в подмерзлотннй талик образует дифрагированную - Д, минимум годографа которой совпадает с проекцией на поверхность границы под-мерзлотный талик - мерзлота. Частота колебаний Д-волна примерно такая ке, как к у преломленной вне таликовой зоны. Годограф пре-локленпой волка при касании с Д имеет разрыв, после которого частота колебаний понижается, т.к. они частично распространяются по талым породам.

При расположении ПВ над таликом (встречная система наблюдений) преломленная ваша при выходе из талнкя такзе образует Д-ьолну, минимум годографа которой совпадает с проекцией контакта

подмерзлотный талик - мерзлота на поверхность. Годограф преломленной волны вне талика смещается в сторону меньших времен. Преломленная волна, как н на встречной системе, по разные стороны контакта отличается по частоте.

8.2.5. При взрывах в скважинах в льдистых ШП иногда возникают искусственные акустические неоднородности. Их упрощенная модель, по-видимому, такова: зона растрескивания в форме цилиндра диаметром 3-5 и более м, имеет еысоту больше длины заряда. Сейсмические характеристики имеют осевую симметрию: скорости вдоль радиуса уменьшаются от значений в МШ до величины в зозду-хе, в центре. Высокая акустическая контрастность, несмотря на малые размера неоднородностей, приводит к образованию волн РЕ, ЕР и ЕЕ (рис.5).

8.2.6. Подобно зонам растрескивания, в поле волн отображаются бугры ледяного пучения, в ядрах которых находится вода.

Исследования горизонтально-неоднородной крислитозоны позволили установить, что высокие акустические жесткость МШ и контрастность геокриологических границ, их положение в слое распространения Е-волны - ответственны за поле сейсмических волн в районах многолетней мерзлоты. Обмен, отражение Е-волн сопровождаются изменением кинематических и динамических характеристик, в частности, частоты колебаний и длины волн. На границе 1йШ - талик волна Е меняет длину, что приводит к явлению "запрета" передачи энергии. Коэффициенты обмена и отражения волн для неоднородностей, соизмеримых с длинами волн, возрастают с увеличением горизонтальных размеров. "Чувствительность" волн Р и Е к неоднородности« различна: Р более чувствительны. На црофилях, по нормали пересекающих границы горизонтальных геокриологических неоднородностей, годографы обменных и отраженных волн прямолинейны и по абсолютному значению,скоростей равны однотипным им прямым волнам. При иных углах пересечения кажущиеся скорости выше. Если неоднородности находятся вне профиля, от них распространяются боковые волны, кажущиеся скорости которых равны бесконечности на пикетах, совпадающих с проекцией объекта на профиль.

Упругие колебания в криолитозоне образуют ансамбли с определенными закономерностями и структурой, которые зависят от строения и свойств многолетней мерзлоты. Основную энергию в нем не- 3? -

сут Е-волны: прямые, от повторных ударов (морозного растрескивания), отраженные и обменные, включая боковые. У них одинаковая частота, прямолинейные оси синфазности (кроме боковых), более слабое, чем у объемных волн, затухание. Обменные объемные волны EP, ES имеют прямолинейные оси синфазности, их частота одинакова с образующей их Е-волной и ниже, чем у прямых Р и S. Реверберационные колебания, псевдорэлеевские волны с частотой, близкой к прямым Р и S редки, но не исключены.

9. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕЙСМИЧЕСКИХ, СЕЙаШ0П1ЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В РАЙОНАХ ШОГОЛЕТНЬЙ LIEPSIOTtJ

Исследования сейсмических сеойств криолитозоны, разработанные СГКМ, анализ волноеых полей над реальными объектами позволяют на основе полученных данных повысить эффективность сейсмических," сейсмологических исследований в районах многолетней мерзлоты, предложить защиту сооружений от сейсмического воздействия, использовать мерзлые толщи для натурного сейсмического моделирования. Их реализация возможна по следующим направлениям: I) расширения решаемых сейсморазведкой задач, в частности, более широкого ее применения в геокриологии, в том числе за счет использования нетрадиционных методов обменных и отраженных Е-волн, ре-верберационкых колебаний; 2) улучшения информативности (глубинности, детальности и др.), точности сейсморазведки MOB, ОГТ и КШВ при работах ка нефть и газ, поисках россыпей, инзенерно-гидро-геологических и глых исследованиях; 3) оценки региональной и локальной сейсмичности, защиты сооружений от сейсмического воздействия и др. Особо вазно решение геокриологических задач. Это необходимо не только для геокриологических исследований, их результаты используются и для повышения эффективности сейсморазвед-кз. Например; неучет изменения мощности поверхностных таликов, мерзлой толщи, СТС - источники ошибок в сейсмических построениях, К началу проведения сейсморазведки чаще всего строение криолитозоны известно- с детатьностью, не позволяющей учитывать ее влияние. 'Поэтому, необходимо извлечь "информацию для указанных целей непосредственно из материалов НОВ, ОГТ, Ki/ЛВ, получаемых при решении задач для объектов, расположенных как в мерзлой толще, так и ниже HTM.' Веделение таликов это и самостоятельная задача гео-

логоразведочных и горных работ, поисков источников водоснабжения, выделения обводненных участков на месторождениях и др. Так, на россыпях участки глубоких подмерзлотных таликов не только не разрабатывается, иоои являются нерентабельными даже для ■ разведки. Примеры подтверждают необходимость учета геокриологического строения для практических целей.

Сейсморазведка в районах многолетней мерзлоты используется на всех этапах геологических исследований: от изучения глубинного строения Земли до крупномасштабных инженерно-геокриологических и гидрогеологических работ, проводимых на малых по площади участках. Рассматривать пути повышения эффективности сейсморазведки при каждом виде работ - идти по пути неизбежных повторений. Учитывая это, на основе данных о сейсмических свойствах криолитозога даются общие рекомендации, которые в зависимости от цели и задач сейсморазведки должны конкретизироваться. 9.1. Использование сейсморазведки при геокриологических исследованиях

Геокриологические задачи, в общем случае, специфичны для сейсморазведки. Это обусловлено высокими скоростями МЩ, их многофункциональной зависимостью от геокриологических параметров, возможным инверсионным изменением скоростей с глубиной, включал скачкообразное уменьшение на НГМ, слабым различием или равенством скоростей для льда и вмещавдих его МШ, малой мощностью мерзлой толщи, ее изменчивостью и сложным строением, наличием внсококон-трастных акустических границ, связанных с изменением плотности, скоростей, малыш по сравнению с длиной болн размерами геокриологических объектов, вертикальным и субвертикальным положением геокриологических границ, образованием экранирующего васокоско-скоростного СМС и льда на водоемах и др. Не все из перечисленных факторов отрицательны, часть из них наоборот относятся к благо-приятнымидая сейсморазведки. Несмотря ка это, традиционные КОВ, ОГТ, Ш1В и ВСП для решения большинства геокриологических задач оказываются не эффективными, а в некоторых случаях вообще не применимыми. Экспериментальные исследования сейсмических свойств криолптозоны выявили ряд особенностей, которые служат основанием для использования наиболее интенсивных при поверхностных источниках Е-волн, разработки новых методов сейсморазведки, основанных на явлениях обмена политипных, включая звуковую, зелн, ревербера-

цконных колебаний и др. •

Картирование ГШ среда талых (островная мерзлота) или тали-коз среда мерзлоты (прерывистая мерзлота) сводится к разделению сред на высоко- и низкоскоростные, определению их положения. Для этого используются особенности волновых полей для границ талик -мерзлота (см.8). Учитывая нежелательные последствия взрывных работ в'районах мерзлоты, приводящих к термоэрозия льдистых МШ, для картирования этой границы можно использовать экологически чистый метод сейсморазведки, основанный на применении звукошх волн, дающих на границе обмен Р3в2. Мощность талых пород, пли глубина залегания верхней границы МШ, определяется по преломленным волнам от поверхности МШ.

• Для выделения поверхностных таликов при ШВ, ОГТ и КШВ могут использоваться кинематические и динамические особенности прямых Р и Е, отраженных и преламлгтшх волн. Талые зоны отмечаются изменением кажущейся скорости - понижением, при входе (со стороны ПВ) в талик, и повышению до бесконечности при выходе из него. Для таликов'характерны понижение частоты и увеличение амплитуды колебаний. При MOB, ОГТ и КШВ мощность талика определяется по времени "запаздывания" отраженных и преломленных волн. Оно определяется как разность между интерполированным и наблюденным годографами.

Картирование таликов, ширина которых соизмерила с длиной волн, возможно с использованием нетрадиционного метода сейсморазведки - обменных политипных и отраженных еолн (см.3.2). Благоприятный фактор их применения - высокая интенсивность Е-вслн при поверхностных источниках.

■" Определяйте положения HTM сводиться к нахождению, чаще Есе-го, слабонаклоненной граница МШ - талик. Ее сейсмические характеристики давались выше. При CK и ВСП характер отображение НГГ.* з волновом поле определяется параметрами зоны оттангз вокруг ствола 'сква?-::ш или ее отсутствием.:! методики наблюдений. Основным направлением повышения точности определения КГМ является сохранение температурного режима пород и недопустимость кх оттакки.

При Cli з случае отсутствия зош оттайкп, 1И7Г-1 отмечается скаскосбразным изменением кинематических и динамических харгкте-рлстик: уменьшением скорости и частоты колебаний з тало/ толще. При БСП для определения НИ дополнительно можно использовать об- 39 -

разуащиеся на ней- обменные PS и SP-еолны. 'Их амплитуда возрастает с увеличением угла падения волн на HTM. Так как величина угла зависит от расстояния ПВ - сквакина и глубины- HTM, используются несколько разноудаленных ПВ. Различие частоты Р и S, включая обменные волны, позволяет за счет фильтров повысить надежность выделения HTM.

Инверсионный характер изменения скоростей на HTM, небольшая мощность мерзлоты делают задачу определения ее положения для сейсморазведки MOB, ОГТ и КШВ труднорешаемой. В то ге время ш'сокая акустическая контрастность HTM позволила при экспериментальных исследованиях найти способы оценки мощности мерзлоты в частных случаях. Так, для картирования подмерзлотных таликов, находящихся на скальном основании (СГКР-Ы), использованы особенности поля сейсмических волн, присущих таким толща:.!: понижение частоты, смещение годографов преломленной волны в момент входа и выхода из него, возникновения дифрагированных волн (см.8.2). Положение HTM в таких разрезах можно определить, если рассматривать сопряхенные точки встречных годографов преломленных волн как мнимый ПВ и начальную точку годографа. По расстоянии'между пили и временам прихода преломленных волн в оти точки'И.А.Быков предложил определять эффективную скорость (Быков, Рощин, Седов, 1977). При известных глубине до скального основания, пластовых скоростях в талых и ЫШ, приравнивая эффективную скорость средней, mosho найти мощность мерзлоты. Отличие эффективной скорости от средней - один из источников сшибок.

Мощности МШ при горизонтальных отракающих границах ыоает-определяться по смещению годографов отраженных волн на границах сквозных таликов (СГКР-1-П).

Одной из задач геокриологии является картирование подземных льдов. Впервые сейсморазведка для изучения ледяных еил использо- ■ валась О.К.Воронксвым и Г.В.Михайловским при комплексных"пнаенер-но-геокриологических исследованиях в Якутии (1973). По граничным скоростям они такае разделили супеси и суглинки на содержащие . льды-включения-(У=3300-4000 м/с, льдастость 75-100^), средиельдиеты е (3CO0-3200 , 50-75,1) и слабольдастыз (2400-3000 , 0-50;1).

для картирования пластовых льдов наш применены ревербераци-оиные колебания (см.8.1). Используя установленную Лязисом зависимость параметров реЕерберадаошшх_колебанЕи для "меткого" дна, ......* - 40 -

определяется глубина кровли льда, а дая "твердого" дна - его мощность (Burg, и др., 1951).

9.1.3. Криогенная текстура глин определяет изотропность или анизотропность сейсмических свойств. По коэффициенту анизотропии скорости возможна оценка льдистости глин.

Влияние криогенной текстуры, льдистости обломочных ЫМП на их сейсмические свойства, в частности на скорости и затухание, являются физическими предпосылками для решения этих задач сейсмическими методами.

Опыт использования на северо-востоке России разработанных методов для решения геокриологических задач, показал их высокую эффективность при поисках россыпей, нефтепоисковых работах, разведке угля, инженерно-геологических и др. исследованиях. При этом, как отмечалось ваше, геокриологические задачи решались и по материалам MOB, ОГТ и КШВ, полученных целевым назначением для соответствующей отрасли. Заметил, что полевые записи должны иметь минимальные искажения поля сейсмических волн. Иначе, например, при подавлении реверберациопных колебании, Е-волн их информативность будет сведена к нулю,

9.2. Использование сейсморазведки при поисках и разведке глубокозалегающих и погребенных россыпей

При поисках и разведке россыпей в условиях мерзлоты основной задачей является определение рельефа поверхности коренных пород - плотика, на котором концентрируются тяжелые минералы. Их промышленные скопления обычно приурочены к определенным морфологическим элементам: русловые россыпи к тальвегам - углубленным участкам, террасовые - к палеотеррасам и др. Выявление элементов палеорельефа - основная задача сейсморазведки при поисках, а при разведке россыпей - построение карты палеорельефа. Для разведка интересны литология М'.П, залегающих Еыше плотика, положение талых толщ и др. В условиях мерзлоты россыпи на глубинах более 2025 м, находящиеся в подмерзлотных таликах, в настоящее время не разрабатываются, а их разведка нерациональна.

К глубоко залегающим относят россыпи, перекрытые отложениями мощностью до 300 м. Такие глубины до плотика, скоростные характеристики определяют метод сейсморазведки - КШЗ с использованием систем встречных и нагоняющих годогрефоз. Повышение э^ектив-

Рис.6. Схема погребенной палеогидросети, изомощностей рыхлых пород с геокриологическими данными. По материалам КМПВ (с учетом дашшх Г.И.Рощина, б.Б.Тарасова).

I - сланцы; 2 - граниты; 3 - наледи; 4 - подземные льды; 5 - термокарстовые озера; талики: £ - подмерзлотные, 7 - поверхностные; 8 - пал сору ела; 9 - зоны нарушений; 10 - изопахиты рыхлых пород; II - скважины (а), с подземным льдом (б); 12 - сейсмический профиль.

ностн сейсморазведки заключается в увеличении точности за счет изучения сейсмических свойств ШП и решении геокриологических задач, причем для последних использованы метода описанные выше (см.9.1). Результаты комплексного использования КшПЗ при поисках глубокозалегалцих россыпей л Верхне-Берелехской впадине приведены на рис.6. Кроме палеорельефа (поверхности скальных пород) и погребенной палеогидросети, являвшихся основными задачами сейсморазведки, наделены участки подземных льдов, подмерзлотных и поверхностных таликов, определены их мощность и положение HTM. Для некоторых таликов установлены сезонный характер и скорость развития,

9.3. Повышение эффективности сейсморазведки MOB и ОГТ в районах многолетней мерзлоты

Основные объемы сейсморазведки в районах многолетней мерзлоты приходятся на нефтепоисковые работы. Повышение их эффективности возможно за счет увеличения глубинности, детальности, точйости, достоверности и др. В частности, это достигается за счет высокой частоты колебаний, повышения отношения сигнал/помеха, введения статических поправок, правильного Еыбора скоростей и др. Делается это как на этапе полешх наблвдений (выбор положения профилей на местности, условий возбуждения и приема колебаний, фильтраций и др.), так и при обработке материалов на ЭЕМ (подбор графа обработки и др.). Рекомендации не новы, но их совершенствование и развитие предопределяют дальнейшее повышение эффективности MOB и ОГТ.

По влиянию сейсмических свойств на качество сейсмических материалов криолитозону можно разделить на благоприятные - области сплошной и неблагоприятные - прерывистой и островной мерзлоты.

9.3.1. Сплошная мерзлота чаще всего является горизонтально-однородной толщей. Зимой и весной, когда по условиям передвижения выполняются основные объема MOB п ОГТ, СТС практически отсутствуй ет. Это благоприятствует генерированию высокочастотных колебаний, сохранению их формы от ПВ к ПВ; учет статических поправок не вызывает трудностей и др. Волновое поле поверхностных источников на ЫЩ рассматривалось ваше (см.4, 8.1). В целом оно сохраняется и при вибрационных гезераторах колебаний, взрывах в скважинах глубиной 10-15 м, чаще всего используемых при КОВ и ОГТ на мерзло-

те. Эта источники создают регулярные помехи - Е-волны.Ояи интерферируют с отражениями на малых временах. Из-за большой длины Е волн, для их ослабления заряды весом 10-15 кг необходимо погружать на глубину 60-80 м, что нереально из-за удорожания работ.

В вертикально-неоднородной мерзлоте поле генерируемых колебаний определяется характеристиками ВЧР, мощностью равной примерно длине Е-волны. При многослойной ВЧР возникают несколько псевдорэлеевских, а при увеличении скорости с глубиной и преломленных волн (см.8.1). Их амплитуда, частота и скорости определяются параметрами ВЧР.

Над пластовыми льдами возникают реверберационные колебания. И хотя их длительность, амплитуда меньше, чем на акватории, они затрудняют прослеживание мелких отражений.

9.3.2. Позерхностные талики, прерывистая, островная мерзлота относятся к зонам горизонтально-неоднородной криолитозоны. Для нее ВЧР представляет чередование различных по строению, размерам участков низкоскоростных талых и высокоскоростных ММП. Зимой в весной талики перекрыты CMC, Влияние таликов на сейсмические свойства криолитозоны заключается прежде всего в генерировании в их пределах низкочастотных волн. Граница мерзлота - талик влияет на проходящие через нее прямые волны, причем их поле зависит от отношения размеров таликов и длины волн, положения относительно профиля, наличия CI.C и др. (см.8.1). Как отмечалось, частота обменных ЕР, РЕ, РЗВЕ, отраженных ЕЕ, в том числе боковых, волн, такая же как и у прямой В. Волны-помехи возникают и на искусственных неоднородностях, образущахся в МШ при взрывах скважин-ных зарядов (см.рис.5). С увеличением расстояний ПВ - граница талика, ПВ - зона растрескивания время прихода волн-помех возрастает.

Прямые, отраженные и преломленные водны в пределах талика, если они возбуждались и за его пределами, имеют низкую частоту и большую вертикальную составляющую колебаний, чем на мерзлоте. За счет низкой скорости в талых породах годографы искажены. Величина запаздывания зависит от разности скоростей в талых и 15Ш, мощности таликов. Создаваемые таликами неблагоприятные условия для КОВ и ОГТ'могут быть сведены к двум основным группам: генерированию волн-помех и влиянии на динамические и кинематические характеристики волн, прошедших через талую толщу. Из этого татш

и пути повышения эффективности сейсморазведки - подавление помех и учет влияния таликов. Это необходимо делать на обоих этапах работ - при полевых наблюдениях и обработке материалов.

Расположение профилей вне таликов, удаление от них избавляет от обменных и боковых волн.При невозможности выполнить эти условия, границы таликов должны пересекаться по нормали. Уменьшение интенсивности всех Е-волн, включая повторные удары, связанные с морозным растрескиванием, возможно за счет снижения веса единичного заряда при группировании скватан. Е-волны подавляются частотными и скоростными фильтрами, используемыми как- гри полевой регистрации, так и при обработке материалов на ЭВМ. Это позволяет отказаться от мьютикга прямой Е-волны, что улучшает прослеживание мелких отражений за счет суммирования волн не только во вторых, но и по отношению к ней, первых вступлениях.В результате повышается и эффективность автоматических способов введения статических поправок. Подавление помех должно предшествовать суммировании и построению временных разрезов.

Влияние таликов на отраженные волны учитывается введением статических поправок. Не рассматривая применяемые способы, отметал, что выделение таликов должно прогодиться не только на основании кинематических, ко и динамических характеристик волн. Так, обычно применяемый кинематический признак - время прихода прямой Р-волны в один из каналов, во-першх, не исключает пропуска таликов шириной меньше шбранного расстояния ПВ - сексмоприемник. Во-вторых, при СПС скорость Р-волны может не отличаться от Ш1. Поэтому необходимо использовать и динамические признаки: изменение частоты и амплитуды прямых Р, Е, отраженных и преломленных волн. В зонах таликов статическая коррекция иногда недостаточно эффективна для прослеживания горизонтов на временных разрезах из-за различия частоты отраженных волн по разные стороны границы талые - МИЛ. Возможно совмещение лишь первых фаз колебаний. В пределах талика необходимо изменять частоту отраженных волн до значений ка ЬКП.

Использование предложенных рекомендаций позволило повысить геологическую эффективность сейсморазведки МОЗ я ОГТ на Чукотке.

9.4. Региональные исследования КШВ и ГСЗ

При региональных исследованиях КШВ и ГСЗ в районах многолетней мерзлоты возбуждение колебаний в ШП повышает частоту генерируемых волн, что позволяет проследить большее число границ, чем при взрывах в таликах и водоемах. В зонах талых пород годографы искажены, вертикальная составляющая колебаний больше, чем при установке сейсмоприемников на ЫШ. Учитывая это, при дискретных системах наблюдений, устанавливая приемники на лед водоемов, возможно в 2-3 раза сократить вес зарядов. Соизмеримость длины прямых волн в КШВ и ГСЗ с мощностью мерзлоты приводит к быстрому, по сравнению с талыми породами, затуханию колебаний.

Эти выводы основаны на данных ГСЗ по профилю Магадан - Колыма (ПВ в водоемах) и его северному продолжению - Ягодное - Усть-Хакчан (взрывы в НМЛ). Во втором случае прослежены протяженные отражения, построено больше глубоких границ, в частности, выделен волновод, существование которого подтверждено данными сейсмологии и МТЗ.

9.5. Влияние строения криолитозоны на региональную сотрясаемость при землетрясениях. Защита сооружений на мерзлых грунтах от сейсмического воздействия

При макросейсмическом районировании установлено, что участки талых пород могут иметь сотрясаемость на 1-2 балла выше, чем площади МШ (Солояенко, Мандельбаум и др.,1985 и др.). Проведенными исследованиями выявлено влияние строения криолитозоны и на региональное распределение сотрясаемости при землетрясениях. В зависимости от положения эпицентра по отношению е границе талые - МШ, сейсмическое воздействие увеличивается или уменьшается на 1-2 балла. Так, в Примагаданье землетрясения Камчатской зош ослабляются, а Артыкской - усиливаются за счет отражения и рассеяния энергии волн на южной граница мерзлоты, совпадащей с берегом Охотского моря.Так при Артыкском землетрясении 18 мая 1971г. на удалении от эпицентра, после 3-балльной изосейсты вдоль побережья располагается 4-балльная (рис.7).

Ослабление Е-волн, проходящих через узкие талики (см.8.2), позволяют использовать их для защиты сооружений, возведенных на мерзлых грунтах от сейсмического воздействия. Для этого по пере-

Рис.7 Qxe.ua кзосейст 9-баллького Артыкского землетрясения

I - эпицентр: 2 - область максимальных деформации; 3 - изо-сейсты: 4 - аномальная 4-балльная область; 5 - балл сотрясении.

метру защищаемого объекта создается зона талых пород. Для усиления рассеяния и отракения Е -еолн, талик осушается. Искусственные талики, по сравнению с щеляш откола, получаемыми взрыванием, практически не наносят вреда зданиям и окружающей среде.

9.6. Использование кролитозона для натурного сейсмического моделирования

Специфика сейсмических свойств криолитозоны, возможность создания в МШ таллковнх зон заданной формы позволяют использовать шоголетнекзрзяне толща для натурного сейсмического моделирования. Этому благоприятствуют высокие частота колебаний и контрастность границы талик - мерзлота. Осушение таликов делает их длительными до времени существования и более контрастными по изменению акустических свойств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты экспериментальных исследований по решению проблемы сейсмических свойств криолитозоны и их использованию для повышения эффективности сейсморазведки б районах многолетней мерзлоты заключаются в следующем:

1. Усовершенствованы методика и техника исследований сейсмических свойств криолитозоны, позволяющие получать представительные данные о сейсмических характеристиках мерзлоты.

2. Сейсмические свойства криолитозоны определяют поле упругих колебаний, которое зависит от значения в пространстве й времени сейсмических характеристик, связанных с геокриологический параметрами мерзлоты. Криолитозона по акустическим характеристикам относится к жесткой среде, обладающей специфическими свойствами, которые обусловлены ее геокриологическим строением и высокой акустической контрастностью криологических границ. Сейсмические свойства криолитозоны - сложные комплексные системы, что позволяет ранжировать их по иерархическим связям на ряд уровней,

3. Сейсмогеокриологические модели криолитозоны отображают в многомерном пространстве распределение сейсмических характеристик, связанных с геокриологическими параметрами Ш1 и строением мерзлоты. Модель адекватна сейсмическим свойствам криолитозоны в той ее част-, которая объясняет природу поля упругих колебаний в районах многолетней мерзлоты. Уровни типоеых моделей определяются сложностью геокриологических объектов и соотношением их размеров с длиной волн. В зависимости от практических задач создание модели является целенаправленным, что делает ее субъективной, допускающей совершенствование и развитие.

4. Поле сейсмических волн на различных по строению мерзлоты участках, реальных геокриологических объектах отображает вертикальную и горизонтальную неоднородность криолитозоны. Упругие колебания образуют ансамбли, в которых основными энергоносителями являются прямые, обменные и отраженные Е-волны. Образование обменных и отраженных Е-волн связано, в частности, с явлением "запрета" передачи энергии из Ш1 в талик, обусловленное изменением их длины. Аналогия сейсмических свойств воды и тестового льда - причина возникновения реверберационных колебаний, кинематические и динамические характеристики которых определяются па- <*8 -

метрами и глубиной залегания льда. Особенности волнового поля криолитозоны являются как источником информации о мерзлоте, так и помехами при I.'iOB и ОГТ,

5. С учетом специфики волновых полей, предложены приемы повышения эффективности сейсморазведки в районах многолетней мерзлоты на всех этапах работ, улучшающие разрешенность, глубину и точность; найдены решения ряда геокриологических задач за счет разработки новых методов - реверберационкых колебаний,- обменных и отраженных Е-волн, в том числе со звуковым! источниками. Также установлено влияние мерзлоты на региональную сотрясаемость при землетрясениях; предложен способ защиты сооружений на мерзлых грунтах от сейсмического воздействия; рассмотрена возможность использования крполитозоны для натурного сейсмического моделирования.

6. Рекомендации использованы на северо-востоке России при поисках и разведке углеводородов и угля, россыпей, геокриологических, гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях, работах КШВ к ГСЗ,- региональном сейсмическом районировании. Их геологическая эффективность подтверждена бурением и другими геофизическими методам. Для этого региона составлена первая сводка о скоростях сейсмических волн з 'лШ и их талых аналогов, установлена количественная зависимость их сейсмических характеристик от геокриологических параметров.

Проведенные исследования сейсмических свойств краолитозоны, установившие связи сейсмических характеристик с геокриологическими параметрами, позволила разработать сейсмогеокряологпческие модели, определить природа волновых полей. . Их использование повитает эффективность сейсморазведки. Результаты исследований могут применяться при создан:.!:! количестЕешшх моделей, аналитических решениях волновых уравнений, в дефектоскопии и иных областях.

Дальнейшие исследования в первую очередь касаются изучения сейсмических свойств мерзлых глин при температуре вблизи 0°С, анализа "тонкой" структура волнового поля, создания математических моделей крполитозоны, разработки высокоточных методов картирования HTM я меамерзлотных таликов,.определения литологии, криогенной текстуры и льдистости ШП.

ОСНОШЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДОКЛАДА:

1. Картирование рельефа коренных пород сейсмическим метсдсы в районах многолетней мерзлоты//Вопросы разведочной геофизики "Сейсморазведка": докл.1 Всесоюзн.совещ.по рудн.сейсморазведке. Л.: Недра, 1966. С.37-41. (Соавтор Е.Ы.Анисимов).

2. Геологические результаты геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке.-Новосибирск, 1967. 523 с. (Соавторы: Е.Ы.Анисимов, Н.Е.Гайдук, Б.Д.Ыиков и др.).

3. Глубинное строение Анадырского нефтегазоностного бассейна по геофизическим данным//Геология и геофизика, £5, 1970. С.113-119. (Соавторы: И.В.Беляев, Б.М.Бронштейн и др.).

4. Опыт выявления, оценки и разведки (в комплексе с геофизическими исследованиями погребенных россыпей на Северо-Востоке СССР//Обзорн.информ. ШЭЖ/Геология, методы поисков и разведки месторождений цветных, редких и благородных металлов. 1972, KL2. 9 с. (Соавторы: А.Г.Беккер, И.Б.Флеров).

5. Повышение производительности и экономической эффективности сейсморазведки MOB на Чукотке//"Пути повышения производительности и экономической эффективности сейсморазведки". Тез.докл.-М.: Недра, 1972. C.50-5I.

6. Развитие методики геофизических исследований при поисках россыпей на Северо-Востоке СССР//Матер.по геол.и полезн.искоя. Северо-Востока СССР. Магадан, 1974. Вып.21. С.247-253. (Соавтор Л.Ы.Сюзгаов).

7. Методическое руководство по разведке россыпей. Магадан, 1974. 244 с. (Соавторы: А.С.Агейкин, Ю.И.Байрон и др.).

8. К возможности использования сейсморазведки для выделения талых пород на россыпных месторождениях//Колыма.-1975. Ш.2. С.8. (Соавтор Б.С.Дюрягин).

9. Экспериментальные данные о взаимном обмене продольных и поверхностных волн//Йзв.АН СССР. Физика Зецли.-1976. й8. С.95-99. (Соавтора Г.Ф.Чулков, С.В.Мшшш).

10. Скорости сейсмических волн в иноголетнемерзлых породах. /Геофиз.методы иссл.мерзлых толщ. Якутск, 1976. C.I07-II7.

11. Типы сейсыогеол отческих разргзов и моделей для районов многолетней мерзлоты/Там же. C.I39-I42.

12. Использование рзлеевских волн в сейсиоразведке//Си2£юз. "Перспективные направления в сейсморазведке": Теэ.дскл.УИ Всесо-гзн.Еаучно-техн.конф.-У.: Недра, 1976. С.24-26.

- 50-

13. Особенности ноля сейсмических еолн в районах многолетней мерзлота и их использование для ¿.:ления геологических и геокриологических задач//Применение сейсморазведки при поисках и изучении месторождений полезных ископаемых. Тез.дом. Л.: 1976. С.35-37

14. Использование рэлеевских волн для поиска и прослеживания таликов//Штер.по геол.и полезн.ископ.Северо-Востока СССР. Ь5ага-дан, 1977. Бап.23, кн.1. C.25I-254. (Соавторы Г.Ф.Чулков, Л.М.Чу-син).

15. Определение нижней границы многолетней мерзлоты при КШВ //Методика инженерно-геологических исследований и картирозания в области вечной мерзлоты. Тез.докл. Вып.2."Геофизические и математические методы!! Якутск, 1977. С.14-15. (Соавтора И.А.Быков, Г.И.Рощин).

16. Использование рэлеевских волн при выборе участков для осенне-зимнек вскрыяи торфов//Коль'ма.-1977.-£3. С.3-5. (Соавтору Г.А.ДомброЕСКИй,- Л.М.^син, Ю.Г.Толлегин).

17. Сейсморазведка и инженерно-геологические исследования мерзлых грунтоЕ//Колыма, I978.-H.5. С.44-47. (Соавтор Б.Н.Нозожп-лов).

18. Использование динамических особенностей сейсмических полей для картирования пластовых льдов//Рефер.сбор. ПКИКИС "Инженерные изыскания б строительстве? Сер.ХУ. Вып.8(73).'Тес5изичес-кие методы". 1978. С.12-16.

19. Использование рэлеевских волн для выделения поверхностных таликов//Там же. С.16-18.

20. Экспресс метода.сейсмоакустических исследований процессов оттаивания и промерзания в районах многолетней мерзлоты//Тез.докл школы-семинара "Исследование состава, строения и свойств мерзлых, промерзащих п оттаивающих пород для рационального-проектирования и строительства".U. 1981. C.I4-I5.

21. Использование каротата для исследования литологии, льдистости ГШ и определения положения границу мерзяоты//Тач же. С.19-21. (Соавторы Н.И.Суркова,.В.А.Шахторин),

22. Сейсмические свойства, грунтов в районах многолетней мерзлоты/Дам же. С.94-96.

23. Возможности использования нетрадиционных сейсмических методов исследования горизонтальных неоднородностей земной коры • //Сб."Геофизические исследования блсково-слоисто:; структуры литосфера? Магадан, 1983. С.196-207. (Соавтор Е.М.Аяисимоз).

- 51 -

24. Использование сейсморазведки для решения специальных задач при макросейсмическом районировании многолетней мерзлоты// Тез.доклДУ каучн.сессии Дальневосточной секции МСССС. Юзио-Са-халинск, 1984. С.41-42.

25. Об одной из причин аномального поведения в Примагаданье изосейст Оймянонского землетрясения 1971г.//Там же. С.40-41. (Соавтор Н.М.Суркова).

26. Картирование мерзлоты по материалам сейсморазведки на нефть и газ//Тез.докл.У Камчатской геол.конфер. Петропавловск-Камчатский, 1984. С.117-119. (Соавторы Д.К.Марышез, В.Ю.Кашпок).

27. Способ защиты сооружении от сейсмического воздействия в райопах ьяюголеткей мерзлоты/ЛКсличествекная сейсмология и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке? Тез.докл.У научн. сессии Дальневосточной секции КСССС. Йяно-Сахалинск, 1985. С.116-117.

28. Сейсмические исследования ыноголетнемерзлых толщ шельфа арктических ыорей//"Географ.проблемы изучения и освоения арктических морей! Тез.докл.П Всесоюзн.конф.по географ.и картированию океана. Л. 1985. С.33-35.

29. Причины, различия скоростей в Ш1 и образцах, замораживаемых в лабораторных условиях/ЛОбработка и хранение петрофизичес-кой информации? Тез.докл.научно-практ.конф. Красноярск, 1985 . С.33-35.

30. Плотность и скорости сейсмических волг! в Ь2ДЗ в естественном залегании, их зависимость от геокриологических факторов// Там же. С.31-33.

31. Картирование мерзлоты при морской сейсморазведке//пТек-тоника Сибири и Дальнего Востока!! Тез.докл.ХУ сессии Научного совета СО АН СССР. Южно-Сахалинск. 1985. С.147-148.

32. Геофизические методы определения НШ в скважинах//кПути повышения эффективности и достоверности геолого-разведочных работ на уголь? Тез.докл.У Дальневосточной конф. геологов-угольщиков. Артем. 1986. С.356-360.

33. К возможности использования нетрадиционных методов сейсморазведки для исследования МШ при инжензрно-строительных изысканиях//"Инхенерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты? Тез.докл.научно-практич.конф. Благовещенск. 1385.

С.185-187. (Соавтор В.Ю.Шевченко).

34. Сейсмические исследования з районах многолетней мерзлоты, Ы.: Наука, 1988. 180 с.

35. Глубинное строение земной тора по профилю Магадан - Тал-Юрях по данным ГСЗ//Междунар.симпоз."Глубинное строение Тихого океана и его континентального обрамления? Тез.докл., ч.2 (секция 1-3). С.25-26.

36. Влияние акустических горизонтальных неоднородностей на поле сейсмических волн//"Природа геофизических полей Северо-Востока СССР? Магадан. 1988. С.65-89.

37. Сейсмические волны в ближней и дальней зонах от промышленных взрывов в МШ/Сб."Геофизические модели структур земной корыГ Магадан. 1988. C.I49-I63. (Соавтор А.В.Лучинина).

• 38. Петрофизическое обеспечение сейсморазведки при поисках глубокозалегащих россыпей в условиях мерзлотн//Тез.докл."Петро-физика рудных комплексов Сибири? Красноярск, 1988. С.55-57.

39. Использование материалов MOB и ОГТ для поиска приповерхностных источников водоснабжения в районах мерзлоты//"Геофиз, исследования в гидрогеологии и инженерной геологии. Тр.ГИДРОШ-ГБО. Ташкент. 1991. C.I42-I46.

40. Необходимость системного подхода в исследованиях сейсмических свойств криолптозоны при решении инженерно-геологических, геокриологических к гидрогеологических задач в районах мерзлоты //Там же. С.30-34.

41. Применение сейомоакустичесхих методов в гидрогеологии и инженерной геологии. M.s Недра, 1992. 302 с. (Соавторы Н.Н.Горя-инов. Ф.М.Ляховицкий, Ю.Д.Зыков и др.).

42. Deep structure of Anadyr oil-gas t>a.sin froa geophysical date//Inter.Geol.Rev. 1971. Vol. 13, N08. C.351-361. (Соавторы

И.В.Беляев, Б.М.Бронптейн, Е.Н.Костылев, Б.Н.Филимонов).

43.' Rontraditional seisnie methods for permafrost studies //Abstracts, 26 Ccngres Geolgique Inter. 19SO. Paris. Vol.11. Sec.9. c.933. (Соавтор Л.И.Измайлов).

44. Soné nontraditional methods for sei sai с investigation, in permafro3t//Proc. IV Inter.Pernafrost Conf. 1983. Vol.1. C.1117-1120.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общая характеристика работы 3

1. Развитие и состояние проблемы исследования сейсмических свойств криолитозоны 7

2. Методология исследований 10

3. Методика и техника исследований сейсмических свойств криолитозоны II

4. Сейсмические свойства многолетнемерзлых пород 14

5. Сейсмогеокриологические модели многолетнемерзлых пород 20

5.1. Сейсмогеокриологическая модель льда 20

5.2. Сейсмогеокриологические модели многолетнемерзлых пород 22

6. Акустические жесткости многолетненерзлыл пород и контрастность геокриологических границ 25

7. Сейсмогеокриологические модели криолитозоны 26 7;1. Типовые сейсмогеокриологические колонки 26

7.2. Сейсмогеокриологические модели разрезов 29

7.3. 'Сейсмогеокриологические модели толщ 29

7.4. Геометрия сейсмогеокриологических границ 29

8. Поля сейсмических волн в криолитозоне 30

8.1. Пачя сейсмических волн в вертикально-неоднородной криолитозоне 30

8.2. Поля сейсмических волн в горизонтально-неоднородной криоли-хозоне 32

9. Пути повышения эффективности сейсмических, сейсмологических •исследований в районах многолетней мерзлоты 38

9.1. Использование сейсморазведки при геокриологических исследованиях 39

9.2. Использование сейсморазведки при поисках и разведке глубокозалегаащих и погребенных россыпей 42

9.3. Повышение эффективности сейсморазведки ШВ и ОГТ 43

9.4. Региональные сейсмические исследования КШВ и ГСЗ 46

9.5. Влияние строения криолитозоны на региональную сотрясаемость при землетрясениях. Защита сооружений на мерзлых грунтах

от сейсмического воздействия 46

9.6. Использование криолитозоны для натурного сейсмического моделирования 47

Заключение 48

Основные публикации автора по теме доклада 50

- 54 -

Информация о работе

Седов, Борис Михайлович
доктора геолого-минералогических наук
Санкт-Петербург, 1992
ВАК 04.00.22

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему Сейсмические свойства криолитозоны ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Сейсмические свойства криолитозоны"

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Сейсмические свойства криолитозоны
ВАК РФ 04.00.22, Геофизика