RU2062484C1 - Способ выявления вертикальных структурных нарушений массива - Google Patents

Abstract

Использование: области сейсмической разведки, при геолого-геофизических обследованиях реальных массивов для выявления и локализации зон структурных нарушений в зоне сейсмопросвечивания. Сущность: способ использует такие характеристики волнового поля, которые обусловлены непосредственно влиянием зоны нарушения, позволяет по амплитудно-частотным характеристикам сейсмических волн оперативно проводить оценки механических характеристик этих нарушений и оценить влияние этих нарушений на распространение сейсмических волн для конкретных участков обследуемых массивов. 8 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области сейсмических исследований и предназначено для проведения сейсморазведочных работ. Предлагаемый способ позволяет проводить эффективную оценку состояния геологических массивов, обнаруживать скрытые нарушения (трещины, разломы), что важно при строительстве различных объектов. В основе предлагаемого способа лежит механическая модель трещины, теоретические основы которой изложены в описании. В рамках этой модели получены аналитические зависимости, связывающие упругие параметры горных пород с динамическими характеристиками волн.

Методы традиционной сейсморазведки используют особенности распространения, в частности продольных отраженных и преломленных волн, для выявления локальных неоднородностей, поиска полезных ископаемых, при этом такие параметры, как мощность локальных нарушений, гасящие свойства и другие характеристики структурных нарушений массивов, как правило, не определяются. Некоторые из особенностей способов сейсмической разведки представлены в [1]
Как правило, в официально зарегистрированных заявках рассматриваются способы поиска полезных ископаемых.

В последнее время в литературе появляются работы, в которых по оценкам динамических и кинематических характеристик волн выявляются зоны разломов и других неоднородностей. Опубликованы материалы по определению коэффициентов прохождения и отражения волн, проходящих через трещину [2,3]
В [2] представлено использование динамических и кинематических характеристик продольных волн для выявления зон разломов и блоков в земной коре при исследованиях методом точечных дифференциальных сейсмических зондирований. Метод основан на регистрации преломленных, отраженных продольных волн. Для локализации зон разломов в земной коре применяется способ, основанный на использовании соотношений динамических характеристик (амплитуд, спектров) продольных волн Р₁ и Р₂, регистрируемых по одному сейсмоканалу, распространяющихся по разным путям и имеющих соответственно разные углы выхода на земную поверхность. В [3] показано, что для продольных волн, пересекающих вертикальный слой, моделирующий зону нарушения с повышенным поглощением и пониженной скоростью, выявлены следующие зависимости: 1) чем больше угол выхода волн, тем меньше ее интенсивность в зоне разлома, 2) вертикальная граница среда слой отличается на графиках скачком отношения амплитуд (Р₂/Р₁), величина которого зависит от углов падения волн Р₁ и Р₂ на границу и от перепада скорости. В этой работе на экспериментальном материале показана эффективность комплексного использования волновых характеристик волн Р₁ и Р₂ для выявления тектонических нарушений блоковой структуры земной коры при исследованиях глубинного строения земли.

Недостатком описанного выше подхода к выявлению субвертикальных нарушений (разломов) является то, что здесь используются преломленные волны определенного частотного диапазона (до 200 Гц), позволяющие выявлять только крупные разломы, причем этот метод не позволяет проводить оценку величины разлома и его свойств по амплитудно-частотным характеристикам волн, проходящих через разлом. Поэтому этот метод мало пригоден при геофизических изысканиях массивов.

Техническим результатом изобретения является повышение оперативности и эффективности при геофизических обследованиях массивов.

Сущность предлагаемого способа сейсмопросвечивания сводится к выявлению, локализации и определению характеристик структурных нарушений внутри реальных массивов. Для реализации этого способа предлагается модель трещины, в которой некоторая характеристика нарушения (трещины) θ интегральным образом связана с механическими параметрами самой трещины. Этот параметр q, имеющий размерность времени, является величиной постоянной для определенной трещины и не зависит в некотором диапазоне длин волн от длины волны (в отличие от коэффициента гашения К).

Предлагаемый способ предполагает, что толщина или мощность трещины определенной блочной системы данного масштаба намного меньше характерного размера блока или расстояния между соседними трещинами. Во всех реальных массивах горных пород, даже достаточно прочных, отмечается наличие трещин разного масштаба, начиная от самых мелких, связанных с дефектами кристаллической структуры, до крупных разломов. В массиве, как правило, можно выделить некоторые системы довольно протяженных трещин, причем часто наблюдаются системы параллельных трещин и ортогональные к ним. Такие системы разбивают массив на блоки разного масштаба, размеры которых подчинены определенной иерархии.

В задаче о распространении сейсмовзрывных волн в такой блочной среде важно принять, что толщина или мощность трещины в системе данного масштаба намного меньше характерного размера блока или расстояния между соседними трещинами. Это позволяет сделать следующие упрощения, облегчающие решение задачи.

Во-первых, можно принять, что для достаточно длинных волн (порядка или больше размеров блока) материал каждого блока выбранной системы ведет себя упруго, т. е. в нем распространяются упругие колебания, которые в первом приближении описываются решениями соответствующих упругих задач.

Во-вторых, деформация самой трещины, т.е. материала, заполняющего трещину, и изменения в зонах контактов из-за неровности берегов трещины происходят квазистатически. Вводя эффективную толщину трещины (l_т) и ее жесткость (ρ_TC $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{T}}$ ), рассмотрим в этой постановке прохождение плоской упругой волны через одиночную трещину, расположенную нормально к направлению распространения волны в однородном массиве. Равенство напряжений в падающей волне (σ₀), отраженной (σ_от) и прошедшей волнах по обеим сторонам трещины дает σ₀ + σ_от= σ ₁(1),
где
σ₀ = ρCV₀(t), σ₁= + ρCV₁(t) и σ_от= - ρCV_от(t).
Тогда
V_о (t) V_от (t) V₁ (t), (2)
где V₁ (t) скорость смещений в волне.

Действующее до берегам трещины нормальное напряжение (σ=σ₁) приводит к изменению толщины трещины Δl_T, которое в линейном приближении связано с σ₁ простым соотношением

Величина Δl_T есть разность смещений левой и правой границ трещины и равна
Δl_T = (U₀ + U_от) - U₁, (4),
где

Дифференцирование выражения (3) по времени с учетом выражения (4) дает связь для падающей и прошедшей волн:

Здесь θ = l_Tγ/ 2C, где γ = ρC²/ ρ_TC $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{T}}$ (6.1) С скорость распространения продольных волн в сплошной среде (блоке), ρ ее плотность, соответственно C_т и r_T скорость и плотность заполнителя трещины.

Отметим, что в выражение для θ, которое можно трактовать как характерное время деформации трещины, входит произведение эффективной толщины трещины l_т на ее относительную податливость g.

Таким образом, внутренняя структура трещины, например, ее шероховатость или неровности берегов, наличие выступов, а также зоны ослабленной породы, прилегающие в ряде случаев к трещинам (так называемые зоны влияния), отражены в этой модели интегральным образом.

Как можно видеть из предлагаемой схемы, модель трещины легко распространить на случай поперечных волн, для этого надо заменить скорость распространения продольных волн на скорости распространения поперечных волн.

Линейное приближение, принятое при выводе (6), не отражает всех, довольно сложных, процессов деформации трещины. Так, при больших амплитудах следует учитывать нелинейные эффекты и, в частности, при сдвиге возможен режим проскальзывания берегов трещины.

Используя известные соотношения прямого и обратного преобразования Фурье

и применив их к уравнению (6), получим уравнение для спектральной амплитуды прошедшей волны V₁(ω):
iωθV₁(ω) + V₁(ω) = V₀(ω), (9)
откуда соотношение амплитуд равно

и

Выражение (10) хорошо известно в радиотехнике: им описывается простейший RC-фильтр нижних частот (θ = RC).

Выражения для модулей амплитуд имеют вид

Выражения (12) и (13) можно использовать для оценок амплитуд прошедшей и отраженной волн.

Обозначим отношение амплитуд

. Из (13) следует

Считая

, имеем

В выражении (14) представлена зависимость параметра q от амплитудных и временных характеристик волны, падающей на трещину и прошедшей через нее. Воспользуемся этим выражением для оценки параметров трещины по результатам лабораторных и полевых экспериментов.

Используем преобразование Фурье для решения задачи о падении продольной волны под произвольным углом на протяженную плоскую трещину, разделяющую однородный массив на две части 1 и 2.

На фиг. 1 показано положение фронтов падающей (Р₀), отраженной (Р₁) и прошедшей ( Р₂) продольных волн, а также соответствующих поперечных волн ( S₁ и S₂). Вводя потенциалы смещений этих волн, для Фурье-компонент будем иметь

Соответствующие компоненты смещений (W) и напряжений σ вычисляются из известных выражений:

В (15) и (16) V_p (или ранее С) и V_s скорости распространения продольных и поперечных волн в массиве, A₀, A, В, С, D - функции частоты ω, l и μ коэффициенты Ляме.

Граничные условия на трещине (х 0) в квазистатическом приближении для деформации трещины запишутся в виде

В выражении (17) Е_т модуль сжатия материала трещины, (E_T = ρ_TC $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{T}}$ ), μ_T модуль сдвига.

Подставляя (16) с учетом (15) в (17) и опуская промежуточные выкладки, получим следующую систему алгебраических уравнений (при этом коэффициенты A, B, C и D отнесены к A ):

Здесь q_p = ω(l_T/2V_p)γ_p, где γ_p = ρV $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{p}}$ /ρ_T•C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{T}}$ и q_s = ω(l_T/2V_s)γ_s, где γ_p = μ/μ_T= ρV $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{s}}$ /ρ_T•V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{ST}}$ ..

Систему (18) дополняет условие на совместное положение продольных и поперечных волн. т.е. V_p/sinα = V_s/sinβ, что дает связь между α и b.

Как видно из (18), помимо уже введенного ранее параметра трещины q при нормальном падении продольной волны (α=0)

, появляется параметр q_s, связанный упругим сдвигом двух сторон трещины. Поскольку

, для системы (18) важны два дополнительных параметра (V_s/V_p) и (V_sт/V_pт).

Результаты расчета модулей отраженных и преломленных волн для типичного отношения (V_s/V_p) (V_sт/V_pт) 0,5 при двух значениях угла α приведены на фиг. 2а и фиг. 2б. Здесь, как и ранее, q = q_p = ωθ_p, где θ_p имеет прежнее значение θ. Как видно из этих рисунков, интенсивность преломленной поперечной волны (S₂) сравнительно невелика, однако, как и S₁, oна определяет амплитуду поперечных колебаний, которые отсутствуют при нормальном падении (α = 0). Отраженная продольная волна ( Р₁) при небольших q, т.е. при низких частотах, мало отличается по интенсивности от отраженной волны в случае α = 0 (дана на фиг. 2а и фиг. 2б пунктиром). Преломленная продольная волна (Р₂) практически не отличается по интенсивности от такой же волны для распространенного выше случая нормального падения во всем диапазоне частот (пунктир на фиг. 2а и фиг. 2б ). Такой анализ позволяет сделать вывод о том, что для основных колебаний можно использовать в ряде задач простые соотношения типа (10), (11) и (14), полученные для нормального падения, вплоть до углов α порядка 30-40^o.

Для проверки предлагаемого способа определения параметров трещины были проведены лабораторные и полевые эксперименты. Для изучения характеристик одиночных трещин и возможности их выявления в массиве воспользуемся предлагаемым способом, в основе которого лежит механическая модель трещины. В рамках этой модели по известным амплитудным и временным характеристикам волны, нормально падающей на трещину и прошедшей через нее, определяются параметр q (14), эффективная толщина трещины l_т, коэффициент гашения К.

Согласно предлагаемому способу необходимо регистрировать амплитуды и временные характеристики в подходящих и прошедших через трещину волнах. Для этого в простейшем случае перпендикулярно линии исследуемой трещины выставляется профиль, состоящий из нескольких приемных пунктов регистрации параметров волны, установленных по обе стороны трещины. По предлагаемому способу были проведены эксперименты на площадке гранитного массива с размерами 50х100 м. Выбранная площадка покрыта сетью видимых трещин различного масштаба. Из них выделены для обследования и изучения свойств три параллельные трещины, разбивающие площадку на три крупных блока. По величине раскрытия трещины можно условно разделить на малую, среднюю и большую, обозначив их N1, N2 и N3 соответственно. Величина раскрытия трещин вблизи поверхности колеблется от 1 до 10-12 см.

Опыты на площадке проводились по следующей схеме. Был выбран профиль, проходящий через эти три трещины и перпендикулярный к ним. По линии профиля пробурены скважины диаметром 110 мм. скважины условно разделили на приборные, обозначаемые П_i, и рабочие С_i.

В приборные скважины устанавливались на глубине 2 метра 3- -компонентные контейнеры с индукционными датчиками скорости ИДС-1.

Контейнеры в скважинах ориентированы так, что один датчик регистрирует вертикальные (Z) колебания, второй датчик регистрирует горизонтальные (X) продольные (вдоль профиля) колебания и третий датчик регистрирует горизонтальные (Y) поперечные колебания в волне. Около каждой трещины располагалось четыре приборных скважины по две с каждой стороны и несколько рабочих скважин. Схема расположения скважин на 1-й трещине представлена на фиг.3. Схема расположения скважин на 2-й и 3-й трещинах аналогична схеме, представленной на фиг.3. На каждой трещине проводилась серия экспериментов, в которых регистрация параметров волны осуществлялась датчиками в контейнерах, установленных на глубине 2м в приборных скважинах, и датчиками, установленными на поверхности вблизи приборных скважин. Источником волны в массиве служили механические удары и небольшие взрывы в рабочих скважинах. Для ударов использовались металлические шары разной массы от 200 г до 30 кг. Удары были трех видов: вертикальные (Z) и горизонтальные ( X продольные и Y поперечные ). С помощью вертикальных ударов "Z" в массиве удается создать интенсивные поверхностные (R) водны, а с помощью соответствующих горизонтальных ударов получались интенсивные продольные (Р) или поперечные (S) волны.

На фиг. 4 и фиг.5 приведены типичные осциллограммы, полученные при ударах. В частности, на этих рисунках представлены осциллограммы, полученные при исследовании трещины N1. На каждом графике по оси Y отложена величина скорости V_i (см/с) колебаний, а по оси Х время t (мс). На фиг.4 представлены сигналы, зарегистрированные датчиками ( X продольная составляющая ) на поверхности у этих скважин. В этом опыте в качестве источника возбуждения служил горизонтальный ( X продольный ) удар шаром (3 кг) вблизи скважины С5 (см. фиг. 3). На осциллограммах видны четко выраженная продольная волна и резкое уменьшение амплитуды колебаний ("скачок") при прохождении волны через трещину, а так же увеличение периода колебаний. Для оценки параметра q по осциллограммам определялись величины амплитуд в основной фазе колебаний (фаза отмечена на фиг. 4 и фиг. 5 стрелкой ) для волны, падающей на трещину, и для волны прошедшей, а также период колебания в основной фазе падающей волны.

Подобные формы сигналов наблюдаются и на других (N2 и N3) трещинах, однако с тем отличием, что увеличивается величина "скачка" и заметнее удлиняется период Т после прохождения волны через трещину. При одинаковых ударах одним и тем же шаром на разных трещинах величина "скачка" оказывается пропорциональной толщине l_т трещины. Параметр q также пропорционален l_т.

Для каждой трещины была проведена оценка q для разных типов источников возмущения (удары и взрывы). Эта величина оказалась постоянной для определенной трещины независимо от типа источника (т.е. от периода колебаний Т в волне, образующейся при ударе шарами). В таблице 1 приведены характерные для каждой трещины величины q: q_R,θ_p,θ_s, полученные для разных типов волн ( поверхностной R, продольной Р и поперечной S) и на двух уровнях: на поверхности и на глубине 2 м, для сравнения в таблице 1 приведены значения l_т. Измерения l_т проводились непосредственно вблизи поверхности. Сравнивая θ и l_т, видим, что с увеличением l_т растет и q, а также наблюдается некоторое уменьшение q с глубиной. Оценки эффективной толщины l_т, полученные из соотношений (6.1), при условии, что типичное значение для относительной податливости g 100, а скорость продольных волн на площадке в массиве C 5•10³ м/с, соответственно для трещины N1 дают величины 0,7-1,5 см, для трещины N2 - 1,0-1,7 см и для трещины N3 1,6-6 см.

На трещине N1 также проводились серия опытов и оценка параметра q в случаях, когда волна падает на трещину под косыми углами.

В этих опытах пункты возмущений (ПВ) располагались в разных точках вблизи трещины (по "квадрату"), как показано на фиг. 6. Источником возмущения служил детонатор, который взрывали в скважине с водой вблизи поверхности на глубине 5-10 см от верхнего края скважины. Цифры 1-5 на фиг.6 обозначают места, где проводились взрывы. П₁, П₂, П₃, П₄ это приборные скважины, в которых контейнеры были установлены на глубине 2 м. Данные, полученные в этой серии опытов, приведены в таблице 2.

В опытах, данные из которых приведены в таблице 2, источник располагался на поверхности в стороне от основной линии профиля, вблизи приборных скважин или прямо в приборных скважинах, что видно из фиг.6. Т.к. пункты взрыва располагались над пунктами регистрации, то основной контроль за изменениями амплитудных и частотных характеристик продольной волны проводился по Z-компоненте. Это основное отличие от опытов, описанных выше, где источник располагался вдоль линии профиля, был удален от приборных скважин, как показано на фиг. 3, а контроль за параметрами продольной волны проводился по X-компоненте.

На фиг.7 и фиг.8 представлены сигналы Z-компоненты продольной волны, зарегистрированные в П₂ и П₃ соответственно. В этом опыте (опыт N5) взрыв детонатора проводился в шпуре около П₁. На фиг.7 и 8 введены следующие обозначения: РЕ-5 пункт взрыва расположен в пятом пункте взрывов, РД-2, Z и РД-3, Z регистрация проведена в пунктах П₂ и П₃ на глубине 2 м и представлена Z-компонента. Сравнение амплитуд в выделенной фазе колебаний на фиг.7 и фиг. 8 свидетельствует о резком уменьшении амплитуды (на фиг. выбранная фаза указана стрелкой) волны при прохождении через трещину. Измерения амплитуд V_i и периода Т на осциллограммах осуществлялись по методике, описанной выше. Из таблицы 2 видно, что, несмотря на такой выбор месторасположения источников, параметр q изменяется в пределах 0,06-0,16 мс. Сравнивая данные по q (для продольной волны), приведенные в таблицах 1 и 2, которые получены из опытов на 1-й трещине, видим, что их значения лежат в одинаковых пределах. Таким образом, проведенные на площадке исследования позволяют сделать вывод, что при работах по заявляемому способу источник возбуждения волн может располагаться в разных местах относительно проложенного профиля, состоящего из нескольких пунктов регистрации.

Таким образом, описанный способ сейсмопросвечивания был разработан и опробован как в лаборатории, так и на реальных геологических структурах.

Использование этого способа в местах, где отсутствуют уверенные геологические сведения о наличии разломов или других структурных нарушений, дает возможность локализовать участки с зонами нарушений, определить месторасположение возможных разломов, а также оценить их постоянную времени q и эффективную толщину l_т. Полученные характеристики разломов позволяют строить близкие к реальным сейсмогеологические модели отдельных участков обследуемых массивов с учетом выделенных структурных нарушений. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ТТТ1 ТТТ2

Claims (1)

1. Способ выявления вертикальных структурных нарушений массива, включающий возбуждение упругих колебаний в среде, их регистрацию сейсмоприемниками, установленными в пунктах вдоль профиля, и суждение по результатам измерений о наличии структурных нарушений, отличающийся тем, что о наличии вертикального структурного нарушения между соседними пунктами наблюдений судят по резкому изменению динамических параметров, зарегистрированных в данных пунктах упругих колебаний, при этом постоянную времени θ и эффективную толщину l_т определяют по формулам
   

   

   
   где T период основной фазы волны в пункте наблюдения, расположенном ближе к источнику упругих колебаний;
   К отношение амплитуды волны в данном пункте к амплитуде волны во втором из выделенных пунктов наблюдений;
   θ постоянная времени структурного нарушения;
   r- плотность массива;
   

   

   плотность заполнителя структурного нарушения;
   С скорость волны в массиве;
   C_т скорость волны в заполнителе структурного нарушения.

Images