Выпускная квалификационная работа магистра" Построение сейсмической скоростной модели верхней части разреза в областях распространения мерзлоты " (стр. 4 )

Рис. 18. Сейсмограмма с ПВ на 240м профиля, показан пропикированный годограф первых вступлений.

В результате анализа годографов (прямых волн), приведенных на рис. 19а, были выделены на фоне большой скорости, участки низкоскоростных аномалий (AB, CD). Так как по точкам переломов можно идентифициовать только одну преломленную волну, была принята двухслойная модель среды. Аномалии прослеживающиеся на всех годографах в одних и тех же точках профиля, были интерпретированы как латеральные приповерхностные неоднородности. Наличие в окрестностях точек A, B, C, D участков с отрицательной кажущейся скоростью (см. рис. 19а.) объясняется наличием головной волны от субвертикальных участков границы первого слоя.

Для каждого годографа был выделен участок прослеживания прямой волны. С целью определения скорости в первом слое, по выделенным отрезкам была проведенена одномерная лучевая томография. В качестве начальной модели использовалась однородная модель со скорость продольных волн 500м/с.

Точку перелома годографов, т. е. наличие прямой и преломленной волны, можно выделить только на отрезках профиля AB, CD, что задает рамки для применения метода полей времен. Далее в уже известной модели верхнего слоя находим кривую совпадения времен для каждого источника на указанных отрезках. Затем к имеющимся кривым совпадения времен, учитывая все особенности годографов, была построена касательная, которая определяет положение границы раздела. Для определения скорости во втором слое на годографах в интервалах AB, CD были выделены участки прослеживания головной волны. По данным времен головных волн вдоль уже известной границы раздела путем использования одномерной лучевой томографии была определена скорость во втором слое вдоль границы раздела. 

Получившийся в результате двухслойный скоростной разрез с латерально-неоднородными слоями приведен на рис. 19б.

Рис. 19. а) совокупность годографов б) результат решения обратной кинематической задачи на ак-тивном оползне вблизи поселка Чаган-Узун Республики Алтай.

2016 год:

В 2016 году было отработано два профиля на том же объекте, в качестве данных для методики послойного восстановления был взят только профиль №4, т. к. на данных с профиля №5 не было выявлено латеральных неоднородностей разреза на годографах. Схема расположения профилей показана на рис. 20.

Сейсморазведочные работы проводились на профиле длиной 154 м с шагом между ПП 2 м, шаг по ПВ до 114м профиля составлял 8м, после 4м. В качестве источника использовалась кувалда массой 5 кг.

Рис. 20. Схема расположения профилей при сейсморазведочных работах в 2016г.

Полученные сейсмограммы имели высокий уровень сигнал/помеха, что так же способствовало легкому пикированию времен первых вступлений (рис. 1а). Погрешность увязки взаимных времен годографов не превышала 3мс. Затем для каждой ветки годографов была определена точка перелома, отмеченная красным цветом. Начальная модель для томографии определялась как усредненная модель, определенная по наклону годографов, для первого слоя годографов прямых волн, для второго слоя годографов головных волн, пересчитанных на найденную границу.

Рис. 21. а) совокупность годографов б) результат решения обратной кинематической задачи на активном оползне вблизи поселка Чаган-Узун Республики Алтай.

Далее к годографам была применена методика послойного восстановления разреза, результаты которой приведены на рис. 21б. Был получен двухслойный разрез с тонким (1-4 м) низкоскоростным (200-400 м/с) слоем и подстилающим его высокоскоростным (800-1500 м/с) слоем. Низкоскоростной слой так же, как и в 2015 году, имеет неоднородное строение и в середине профиля наблюдается увеличение мощности.

Для проверки качества полученной модель была решена прямая задача и получены синтетические годографы. На рис. 22 приведено сравнение годографов для некоторых источников, черным цветом нарисованы реальные данные, синим – годограф в построенной модели. Присутствуют небольшие невязки годографов на участках прослеживания второй головной волны, но форма годографа была повторена. Можно сделать заключение что все особенности годографа были учтены, но есть недочеты в определении скорости во втором слое.

Рис. 22. Сравнение годографов, а) ПВ 20м, б) ПВ 145м, в) ПВ 113м, черным – реальные данные, синим – годографы в построенной модели.

Интерпретация результатов

       Сейсморазведочные работы проводились на активном оползне вблизи поселка Кош-Агач. Исследуемый разрез представлен породами Кош-Агачской свиты: глинами, алевритами, песками, галечниками и конгломератами озерного генезиса с прослоями бурых углей и лигнитов. Мощность свиты составляет 100-150м.

Основным критерием выделения границ разделов между мерзлыми и талыми породами по сейсмическим данным являются различия в значениях скоростей сейсмических волн. Увеличение скорости упругих волн в мерзлых породах определяется дисперсностью пород. На исследованном объекте, толща грунтов сложена глинистыми породами. При наличии резких перепадов скоростей, полученных на однородном по литологическому составу разрезе можно говорить о четкой границе между мерзлой и сухой породой.

       На объекте так же проводились электроразведочные работы лабораторией геоэлектрики ИНГГ СО РАН, что позволило провести комплексную интерпретацию полученных разрезов (рис. 23). На разрезах электрических сопротивлений в верхней части разреза четко выделяются зоны с повышенным сопротивлением интерпретируемые как зоны распространения мерзлых пород. Участки с пониженным сопротивлением A-B, C-D интерпретируются как зоны сезонного оттаивания пород, они соответствуют линзам низкоскоростных пород на скоростном разрезе.

       В результате сопоставления результатов геофизических методов удалось однозначно выделить зоны сезонного оттаивания мерзлых пород на исследуемом объекте. Зоны повышенных сопротивлений 0-А, B-C, D-365 совпадают с зонами повышенных скоростей и интерпретируются как зоны распространения вечной мерзлоты. Разрезы электрических сопротивлений за 2015 и 2016 года примерно совпадают по положению и форме зон оттаивания. Сейсмические же разрезы в разное время существенно отличаются, это можно объяснить тем, что координаты профиля в 2016 году на 2-3 метра отличаются от координат профиля в 2015 году, так же профили имеют разный шаг по приемникам. Если шаг по приемникам мог повлиять на выявление тонкого низкоскоростного слоя вдоль всего профиля, то смещение и изменение в размерах низкоскоростной линзы говорит о сильной изменчивости зоны сезонного оттаивания в крест изучаемому профилю. Резкий перепад в рельефе можно связать с появлением ослабленных зон в зонах большего оттаивания и как следствие откол и сползание грунта вниз по рельефу.        

Рис. 23. Сравнение разреза электрических сопротивлений и скростного разреза.

Заключение

       В работе была разработана и реализована методика послойного восстановления разреза по данным инженерной сейсморазведки, позволяющая повысить точность построения слоистой среды с сильными латеральными изменениями скорости и геометрии границ. Методика основана продолжении волновых полей в глубь среды методом численного решения уравнения эйконала FastMarching.

На основе проведения численных экспериментов на синтетических данных определены рамки применимости методики: 1) при наличии вертикального градиента возникают ошибки, усиливающиеся с глубиной, 2) методика включает этап построения границы обработчиком вручную, при недостаточно плотной системе наблюдений возможно появление ошибок в определении геометрии границы.

Проведено сравнение на синтетических моделях результатов методики послойного восстановления с результатами методов: Т0`, лучевой томографии на рефрагированных волнах. Для моделей с возрастанием скорости с глубиной вертикальную составляющую градиента удалось восстановить только с помощью лучевой томографии. В моделях с однородными слоями и с изменением скорости с координатой вдоль профиля лучшие результаты получаются при применении методики послойного восстановления. При сильно криволинейной границе метод Т0` дает погрешности в определении геометрии границы и скорости во втором слое, в методике послойного восстановления погрешности значительно меньше.

По реальным данным полученным в условиях распространения вечной мерзлоты на Горном Алтае были построены два разреза. Получившиеся двухслойные разрезы интерпретируются как низкоскоростной слой/линзы сезонного оттаивания вечной мерзлоты в высокоскоростной толще мерзлых пород. Было проведено сравнение скоростных разрезов с разрезами электрических сопротивлений. Наблюдается корреляция сопротивлений и скоростей сейсмических волн в верхней части разреза, что позволяет достоверно определить зоны пониженных сопротивлений/скоростей как зоны сезонного оттаивания и зоны повышенных сопротивлений/скоростей как зоны распространения вечной мерзлоты.

       Полученные невязки годографов реальных данных и синтетически насчитанных в конечной модели говорят о необходимости модификации алгоритма восстановления скоростей в слоях по головным волнам.

Выражается благодарность лаборатории № 000 за предоставленные разрезы электрических сопротивлений.

Список литературы

  , , Специализированные базы данных о климатических ресурсах для различных отраслей экономики //Сб. докл. конф.«Климатические ресурсы и методы их представления для прикладных целей». СПб. – 2005. – С. 146-150.   Обращение годографов сейсмических волн, распространяющихся в вертикально-неоднородных средах // Технологии сейсморазведки. – 2011. – №. 03. – С. 5-16.   Инженерная сейсмика в криолитозоне (Изучение строе-ния и свойств мерзлых и талых горных пород и массивов). СПб.: Изд-во им. », 2009.   (ред.) Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии / Мин-во геол. СССР; Всесоюз. науч.-исслед. ин-т гидрогеол. и инж. геол.; под. ред. - М.: Недра, 1992.-264 с. , Сейсмическая разведка // М.: Недра. – 1980. – 664 с.   , Геолого-геофизическая оценка влияния природно-техногенных факторов на проявление сейсмичности в криолитозоне //Геофизический журнал. Geophysical journal. Киев: Институт геофизики НАН Украины. – 2004. – Т. 26. – №. 2. – С. 101-111.   и др. Комплексные малоглубинные геофизические исследования в дельте р. Лена //Всероссийская конференция «Геофизические методы исследования земной коры», посвященная 100-летию со дня рождения академика НН Пузырева. – Изд-во ИНГГ СО РАН, 2014, Новосибирск, 2014. – С. 324-330.   Геодинамические процессы в коре и верхней мантии земли по результатам региональной и локальной сейсмотомографии. Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого - минералогических наук. ИГМ СО РАН, Новосибирск, 2007. Метод преломленных волн / , , и др. М.: Недра, 1990. 297 с. Методы и объекты сейсмических исследований. Введение в общую сейсмологию // Новосибирск: Изд-во СО РАН. – 1997. – 299 с. Некоторые данные о вечной мерзлоте в низовьях Енисея //Проблемы Арктики. – 1940. – №. 1. – С. 62-79. , , Методические особенности изучения сейсмогеокриологического разреза // Криосфера Земли, 2011, т. XV, № 4, с. 110–113. Методика и технология геофизических исследований верхней части геологического разреза при проектировании технических сооружений в нефтегазоносных районах криолитозоны : дис. – ОД Смилевец. Саратов, 2003. , , . Сейсмическое изучение верхней части разреза на участке семипалатинского ядерного испытательного полигона  // Технологии сейсморазведки. – 2013. – №. 3. – С. 64-75. , R-псевдообратный для компактного оператора // Сибирские электронные математические известия. – 2010. – Т. 7. – С. 258-282. , , Особенности цифровой обработки в инженерной сейсморазведке МОГТ // Геофизика, 2012, № 5, с. 35-41. Natterer, F. The mathematics of computerized tomography. Stuttgart: B. G. Teubner. -1986 - 226 p. Crandall M. G., Lions P. L. Viscosity solutions of Hamilton-Jacobi equations // Transactions of the American Mathematical Society. – 1983. – Т. 277. – №. 1. – С. 1-42.   Sethian J. A. Fast marching level set method for monotonically advancing fronts // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 1996. - V.93. - P.1591-1595.