3. Связи между измеряемыми характеристиками волнового поля и параметрами грунтового массива (приповерхностной части разреза)

6. Дистанционная форма курсаТема 3. Связи между измеряемыми характеристиками волнового поля и параметрами грунтового массива (приповерхностной части разреза). 1.Зависимость сейсмических свойств горных пород от вещественного состава. Рис. 1. Зависимость скорости продольных волн от состава и плотности сохранных интрузивных и метаморфических пород (по Н. Б. Дортман и М. Ш. Магиду): 1 граниты, 2-биотитовые и биотит-амфиболовые гнейсы, 5-кианит-гранат-биотитовые гнейсы, 4- биотит-амфиболовые гнейсы и амфиболиты, 5 – плагиоклазовые гранулиты, 6 диориты и габбро-диориты, 7-габбро-нориты, 8 – гипербазиты Сейсмические свойства горных пород сравнительно слабо зависят от их вещественного состава. При прочих равных условиях для магматических скальных пород наблюдается тенденция увеличения значений скоростей распространения продольных Vp и поперечных волн Vs при переходе от кислых пород к основным, а для метаморфических – при переходе от низких фаций метаморфизма к более высоким (рис. 1, табл.1). Таким образом, в породах совершенно различного состава и происхождения могут наблюдаться одинаковые или близкие значения скоростей распространения волн. В то же время в одной и той же породе скорости волн в зависимости от пористости, трещиноватости, характера заполнителя и действующих напряжений могут изменяться в очень широких пределах. Минеральный состав обломочно-песчаных пород влияет на их сейсмические свойства несравненно слабее, чем, например, фазовый состав или величина действующих напряжений. С этой точки зрения для обломочно-песчаных пород наблюдается такая же ситуация, как и для скальных пород. Для глинистых пород данные о связях сейсмических свойств с минеральным составом весьма немногочисленны. Таблица 1. Скорости упругих волн в сохранных малопористых скальных породах.Таким образом, вещественный состав пород оказывает определенное влияние на их сейсмические свойства. Однако влияние других факторов и, в первую очередь, характера структурных связей и фазового состава пород проявляется значительней.2.^ Зависимость сейсмических свойств горных пород от характера структурных связей. Таблица 2 Скорости упругих волн в некоторых породах верхней части разрезаСейсмические свойства горных пород существенно зависят от характера структурных связей. Именно различием в характере структурных связей и объясняются значительные различия сейсмических свойств трех типов пород: скальных, обладающих жесткими связями; обломочно-песчаных, в которых связи отсутствуют, и глинистых, в которых преобладают водно-коллоидные связи. В скальных породах в случае их сохранности наблюдаются наиболее высокие значения Vp и Vs и наиболее низкие значения коэффициентов поглощения энергии сейсмических волн за счет неидеальной упругости среды для продольных αp и поперечных волн αs. Переход скальных пород от неводонасыщенного состояния к водонасыщенному и далее к мерзлому не очень существенно сказывается на их сейсмических свойствах за счет малой пористости (см. табл. 2). Наоборот, сейсмические свойства обломочно-песчаных и глинистых пород очень существенно зависят от того, в каком состоянии они находятся. При положительных температурах скорости волн в обломочно-песчаных и глинистых породах ниже, а коэффициенты поглощения выше, чем в скальных породах (см. табл. 2). При разрушении структурных связей скорости волн резко уменьшаются. Существенна зависимость сейсмических свойств горных пород от фазового состава флюида, заполняющего трещины, поры и все пустоты в породе. При переходе к твердому состоянию флюид играет роль связующего в укреплении или образовании ранее слабых или отсутствовавших структурных связей. В соответствии с этим скорости распространения продольных Vp и поперечных волн Vs при переходе флюида в твердое состояние значительно возрастают (см. табл. 2). 3. ^ Связь сейсмических свойств с упругими характеристиками горных пород. Понятие неидеальной упругости. Индикатором степени связи между частицами гранулированной среды в песчано-глинистых породах, плоскостями трещин в скальных породах и т.д. является отношение значений скоростей продольных и поперечных волн Vs/Vp. Необходимо отметить, что сохранные скальные породы наиболее близки к модели идеально-упругого тела, подчиняющегося закону Гука. Для такой модели среды отношение Vs/Vp. Будет предельно большим и равным 0,72. По мере нарушения идеально-упругих связей между элементами среды – появления пустотности того или иного происхождения – это отношение будет уменьшаться практически до 0 для воды, где поперечные волны вообще не распространяются (см. табл.3). Например, для глин – тела явно неидеально-упругого – это значение может опускаться до 0,05 (см. табл.2). И, напротив, при укреплении структурных связей под действием тех или иных процессов, порода будет приближаться к модели идеально-упругой среды и отношение Vs/Vp будет возрастать (см. табл. 4). Таблица 3. Скорости продольных волн в образцах ненарушенной и нарушенной структурыТаблица 4 .Скорости волн в намытом песке. 3.^ Зависимость сейсмических свойств горных пород от действующих напряжений.Для идеально упругой среды наличие зависимости vP и vs от приложенной нагрузки свидетельствует о том, что связь между деформациями и напряжением нелинейная, в противном случае (т. е. при соблюдении закона Гука) модуль продольной упругости (Юнга) Е представлял бы собой постоянную величину и, соответственно, скорости упругих волн не зависели бы от давления. Учитывая, что пока не имеется общего теоретического решения задачи, для установления зависимости сейсмических свойств пород от напряжений целесообразно использовать подход, заключающийся в построении механических моделей пород того или иного типа с последующим теоретическим описанием их поведения под давлением.Рис. 2 Сопоставление экспериментальных (пунктирные линии) и теоретических (сплошные линии) зависимостей Vpσ/Vp0 =f(σ, Vp0) для массива карбонатных пород участка Ингури ГЭС (материалы А. И. Савича). Шифр кривых-значение Vp0. Из рисунка 2 следует, что зависимость скоростей от напряжений в исследуемых средах довольно сложная и обусловливается не только их упругими и деформационными свойствами, но и показателями, характеризующими степень трещиноватости изучаемых пород, то есть значениями Vp0.Рис. 3 Зависимость скоростей упругих волн от глубины (вертикальных напряжений) для зернистой упругой среды со следующими характеристиками шаров: Ет = 5·104 МПа, μT = 0,15, г = 2,35 г/см3. Сухие и водонасыщенные упаковки: 1 – Vs при n = 0,476, 2 – Vs при n — 0,259, сухие упаковки: З-Vp при n = 0,476, 4-Vp при n = 0,259; водонасыщенные упаковки: 5-Vp при n = 0,476, 6-Vp при n = 0,259; 7-Vp при n = 0,476 для упаковки, сухой в интервале 0-50 м и водонасыщенной при z > 50 м, где Ет и μT-модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала шаров; Vp0 – величина, определяемая объемной упругостью заполнителя пор и тождественная значению Vp при отсутствии давления; Vpk и Vsk-величины, определяемые контактной упругостью между соприкасающимися шарами и зависящие от вертикальных напряжений σz; Аp и As-коэффициенты, зависящие от типа упаковки. На рисунке 3 представлен пример теоретических расчетов влияния глубины залегания на значения скоростей распространения упругих волн (горного давления) для модели песчаной толщи. Причины наличия зависимостей характеристик волнового поля от действующих напряжений: – закрытие трещин; -закрытие пор; -выдавливание низкоскоростного флюида; -увеличение площади контакта и сил сцепления между частицами породы. Все это при положительном знаке вектора напряжений, то есть при сжатии, ведет к улучшению структурной связи между частицами породы и увеличению значений скоростей упругих волн (рис. 3) и увеличению значений их отношения Vs/Vp. Однако, большинство пород иначе реагируют на растягивающие напряжения. Разномодульные среды – где характер зависимости упругих характеристик среды зависит от знака приложенных напряжений. Рис. 4. Зависимость относительных изменений скорости продольных и поперечных волн в Кузбасском песчанике от напряжения сжатия (а) и растяжения (б). Рис. 5. Изменение скорости продольных волн (1, 2) и относительной деформации (3, 4) в процессе сжатия образцов мерзлого суглинка (материалы Ю.Д. Зыкова): 1, 4-при t = – 40°С; 2, 3 при t = – 10 ССпособы изучения этих зависимостей – теоретические исследования, лабораторные и полевые наблюдения (рис4,5). «Перекос» среды. Внешне однородная среда оказывается неоднородной по упругим характеристикам. Например, строительство сооружения на мощной толще однородных суглинков или отрывка котлована в этой толще приведут в, первом случае, к увеличению значений скоростей упругих волн вблизи сооружения по сравнению со значениями для нетронутого массива, а во втором случае, к уменьшению значений скоростей упругих волн вблизи котлована по сравнению со значениями для нетронутого массива Причины перекоса – действующие напряжения. Таким образом, одной из задач сейсморазведки -изучения напряженного состояния среды является картирование поля изменений значений скоростей упругих волн вблизи возможных источников напряжений в грунтовом массиве с построением эпюры напряжений (задача, сходная с задачей о штампе) в относительной мере. Довольно трудной является задача привязки полученных относительных распределений или изменений (в режиме мониторинга) к абсолютным значениям напряжений. Как всегда при необходимости перейти от результатов геофизики к инженерно-геологическим параметрам потребуются реперные прямые измерения напряжений в грунтовом массиве. Симметричный источник в несимметричной среде. Появление Y- компоненты от осесимметричного источника. Пусть на поверхности однородного массива грунтов, например, мощной толщи песков или суглинков ледникового происхождения расположен источник типа сосредоточенной силы, например, падающий груз. Регистрация, при этом, осуществляется с помощью трехкомпонентной расстановки сейсмоприемников по кругу с ориентировкой Х-компоненты на источник. В отсутствие напряжений в среде на Y-компоненте запись должна отсутствовать за вычетом шума и неточностей в ориентировке источника и приемника. При действии напряжений и наличии их тангенциальной составляющей, среда становится неоднородной и анизотропной, лучи волн перестают быть перпендикулярны фронтам и на записях Y-компоненты появляются волны различных типов. Приведенный пример может служить основой методики выявления «перекоса» среды и определения направления проекции вектора максимальных напряжений на поверхность. 4.Связь сейсмических свойств с деформационными характеристиками массив пород. Рис. 6. Графики связи динамического модуля упругости и модуля деформадеформации по первому циклу нагружения при нагрузке 9-11 МПа для образцов попород (по О. К. Воронкову):1 – воздушно-сухих изверженных и метаморметаморфических, 2 – воздушно-сухих осадочных, j-водонасыщенных изверженных и метаметаморфических, 4 – водонасыщенных осадочосадочных, 5-льдонасыщенных изверженных и меметаморфических, 6 – льдонасыщенных осадочосадочныхРис. 7. Обобщенные графики связи скорости продольных волн и модуля деформации по первому циклу нагружения для разных типов скальных пород : 1 – карбонатных (известняки, мергелистые известняки, доломиты), 2-изверженных (граниты, гранодиориты, гранулиты, диориты, андезиты, диабазы), 3 – метаморфических (мигматиты, сланцы, гнейсы). Рис. 8. Графики связи динамического модуля упругости и модуля деформации для рыхлых талых пород. Неводонасыщенные грунты: 7-щебенистые (по В.И. Бондареву), 2-пески (по В. И. Бондареву), 3 пески (по В. Н. Агееву), 4 – песчано-глинистые (по В. И. Бондареву), 5-суглинки (по О. П. Аникину), 6-лёссы и лёссовидные суглинки (по И. Г. Минделю), 7-песчано-глинистые (по В. И. Бондареву), 8-песчано-глинистые (по Е.С. Григорчуку); 9-водонасыщенные пески по В. Н. Агееву, В. И. Бондареву) Формальные связи между модулем Юнга (Ед -динамическим модулем упругости), который определяется с помощью сейсморазведки при малых деформациях, малых и быстрых напряжениях, и Едеф. – модулем деформации, принятым в инженерной геологии, отсутствуют. Принято строить корреляционные зависимости между этими двумя величинами и, затем, пользоваться им в практической работе: Едеф.=а·lgЕд +b для скальных пород, где а и b зависят от типа породы и Едеф.=а·Ед +b для рыхлых пород , где а и b зависят от типа породы. 5. ^ Связь сейсмических свойств с прочностными характеристиками массива горных пород. Результаты сейсмических исследований могут быть использованы для определения предела прочности пород на одноосное сжатие. Здесь также отсутствуют аналитические связи между динамическими модулями, значениями скоростей упругих волн и пределом прочности на сжатие. Основным приемом использования данных сейсмики является построение корреляционных зависимостей. Так для скальных пород, на основании обобщения большого объема материала, была получена следующая формула: lgϭсж = 0.255Vp +1.708. А для слабоконсолидированных пород такие зависимости имеет смысл строить для выполнения конкретных исследований в условиях конкретных пород и их состояния. Рис. 9. Связь между скоростью продольных волн и пределом прочности на сжатие для образцов суглинка (материалы Н. Н. Горяинова, Т. С. Семитко). Использование связей между данными сейсмических исследований и прочностными характеристиками горных пород находит применение как в инженерной геологии, так и в геотехнике, когда требуется с помощью неразрушающих методов определить прочностную характеристику, например, материала сваи или покрытия. Главной причиной отсутствия надежных и однозначных связей между результатами сейсмических исследований, с одной стороны, деформационными и прочностными характеристиками, с другой стороны, являются различия в динамических и статических модулях. Теория распространения сейсмических волн базируется на представлениях линейной теории упругости. В отличие от статических испытаний, при распространении упругих волн возникают малые знакопеременные кратковременные напряжения. Данное обстоятельство обусловливает отличие динамических модулей упругости, определяемых помощью упругих волн, от статических. Указанное различие для однородных изотропных упругих сред складывается из различия термодинамических условий деформирования (если при динамических нагрузках процесс протекает адиабатически, то при статических-изотермически), нелинейной упругости материала и, следовательно, -зависимости упругих свойств среды от действующих напряжений. Таким образом, чем ближе изучаемая среда к телу Гука, тем меньше различие между статическими и динамическими модулями и тем надежнее определения деформационных и прочностных характеристик по данным сейсморазведки. 6.^ Поглощение сейсмической энергии – параметр состояния среды и характеристика свойств среды. Распространение упругих волн в поглощающей среде связано с уменьшением интенсивности (амплитуды) и изменением спектрального состава (формы) колебаний по мере распространения, а также дисперсия фазовой скорости. Каждый волновой сейсмический импульс характеризуется частотным спектром,т. е. состоит из множества гармонических колебаний различных частот. В диссипативной среде спектральные составляющие распространяются с неодинаковыми скоростями, поэтому по мере движения волны непрерывно изменяются не только амплитудные, но и фазовые (временные) соотношения между ними. В результате сейсмический импульс постепенно изменяет свою форму. Рис.10 Изменение формы сейсмической волны с удалением от источника в поглощающей среде. Амплитуды выровнены.A(r) = A0e-βoωr – убывание амплитуды волны с увеличением пути в поглощающей среде. βо – параметр поглощения, свойство среды. Размерность –[1/с]. Порядок значений для реальных сред 10-6 – 10-3 1/с.Причины поглощения энергии упругих волн – неидеальная упругость горной породы, отличие от тела Гука. Геологическими причинами этого являются ослабленные структурные связи – трещиноватость, наличие флюида в пустотах, дезинтеграция породы. Изучение скоростей распространения упругих волн и динамических характеристик сейсмической записи –амплитуд и спектрального состава – позволяет в ряде случаев определить параметр поглощения, расчленить разрез по этому признаку и связать его с различными геологическими характеристиками среды. Учет влияния поглощения также необходим при решении прямых задач и проектировании методик сейсмических исследований. Способы определения поглощения. 7.^ Сейсмические свойства неоднородных сред. Модель однородно-слоистой среды, в которой скорости на границах слоев меняются скачком, может быть расширена путем предельного перехода с уменьшением мощности слоев, до модели непрерывной неоднородной среды. В такой среде (градиентной) в 1 или 2-3- мерном варианте лучи волн будут криволинейными. Простейшей моделью одномерно-неоднородной среды является среда с возрастающей скоростью с глубиной с постоянным градиентом. Реальный аналог такой модели – мощная однородная толща осадочных пород с увеличением значений скорости с глубиной за счет возрастания горного давления.Методы обработки сейсмических наблюдений в такой среде. Метод Герглотца-Вихерта. Расширение на случай двумерно-неоднородной среды – метод однородных функций и методы томографии. Геологические причины неоднородности массива горных пород. Рис. 11. Лучи в градиентной среде:а – тонкослоистое приближение градиентной среды; б-дифференциальный элемент луча; в – связь кривизны луча с градиентом скорости; г – траектория луча в слоисто-градиентной среде; д – лучевая диаграмма при линейном увеличении скорости с глубиной. 8. ^ Сейсмические свойства анизотропных сред – зависимость значения скорости от направления распространения волны. Типы анизотропии. Кристаллическая анизотропия.Квазианизотропия – результат упорядоченности структурных изотропных элементов среды при размерах элементов, много меньших преобладающей длины волны. Рис. 12. Акустополяриграмма биотитового гнейса – образца тонкослоистой среды. Рис 13. Индикатрисса скоростей продольных волн по кровле таврической серии пород в Крыму. Результат сейсмических исследований методом преломленных волн.Геологические причины анизотропии – структура и процессы.Условия осадконакопления – периодические структуры, флишевые толщи и т.д. Выветривание и тектоника – трещиноватость, упорядоченные системы трещин. Неоднородность и анизотропность возможны как следствия напряженного состояния массива. Анизотропия упругих свойств. Индикатриссы скоростей.Распространение волн в анизотропной среде. Изучение анизотропии сейсмическими методами. Полевые сследования с поверхности и во внутренних точках среды. Лабораторные методы.^ Контрольные вопросы. 1.Как выглядит зависимость сейсмических свойств горных пород от вещественного состава?. 2.Как и в каких результатах сейсмических исследований выражается их связь с характером структурных связей в среде?. 3. Каковы физические причины зависимости сейсмических свойств горных пород от действующих напряжений?. 4.Опишите связь статических и динамических модулей горных пород. Что такое неидеальная упругость?. 5. Связь сейсмических свойств с деформационными характеристиками грунтового массива. 6.Связь сейсмических свойств с прочностными характеристиками массива горных пород. 7.Сейсмические свойства неоднородных сред. 8.Сейсмические свойства анизотропных сред.Литература. Г.Н. Боганик, И.И. Гурвич. Сейсморазведка. Тверь, АИС, 2006 г. 743 с. Бондарев В.И. Основы сейсморазведки. Екатеринбург: Издательство УГГГА, 2003. Влияние анизотропии и структуры грунта на характеристики упругости осадков. Некси А., Ванг М.К., Галлахер Дж. Стр. 66-87. Акустика морских осадков. Под ред Л.Хэмптона. М., Мир.,1977 г., 533 с. Калинин А.В., Калинин В.В., Пивоваров Б.Л. Сейсмоакустические исследования на акваториях. М., Недра, 1983 г. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии./Мин.-вогеол. СССР; Всесоюз. науч.-исслед. Ин-т геол. и инж. геол.; под ред. Н.Н.Горяинова.- М. Недра, 1992 г. 264 с. Тихонов А.А. Многоволновая сейсморазведка. Учебное пособие. – М.; МГУ, 2008. Задание на выполнение самостоятельной работы:Изучение влияния поглощения в среде на изменение формы и интенсивности сейсмического сигнала. Пример оценочных расчетов.Цель работы –знакомство с теоретическими основами распространения волн в поглощающей среде. Овладение приемами оценки влияния поглощения – необходимым этапом решения прямой динамической задачи сейсморазведки при проектировании методик наблюдения.Порядок выполнения работы: 1. Повторить основы Фурье-анализа по книге Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.,Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.236с. Глава 1. 2.Прочитать разделы книги Калинин А.В., Калинин В.В., Пивоваров Б.Л. Сейсмоакустические исследования на акваториях. М., Недра, 1983 г.204 с. Глава IV, стр.114-129. 3. Прочитать разделы книги Г.Н. Боганик, И.И. Гурвич. Сейсморазведка. Тверь, АИС, 2006 г. 743 с. Глава 1, стр. 33 – 39. 4.По результатам самостоятельно пройденного материала необходимо уметь ответить на следующие вопросы и освоить следующие понятия: 1. Что такое импульсная и частотная характеристики среды ? 2.Что такое операция свертки и операция перемножения спектров? 3.Какие факторы влияют на изменение амплитуды сигнала по мере распространения в поглощающей среде? 4. Теоретические взгляды на механизм частотно-зависимого поглощения. 5. Инвариантная импульсная характеристика слоистой среды. 6.Сверточная модель сейсмограммы отраженных волн в однородно-слоистой поглощающей среде. 7. По условиям задачи (см. ниже) оценить изменение амплитуды и длительности сигнала по мере прохождения через поглощающую среду.Методические указания по выполнению работы: Если принять сверточную модель сейсмограммы, то длительность сейсмического сигнала, прошедшего через поглощающую среду будет равна сумме длительностей зондирующего сигнала f0(t) импульсной характеристики g(t). Амплитуда же будет равна произведению амплитуды зондирующего сигнала В соответствии с представлением об инвариантной в координатах {m,1/m}, где m = β0z для модели частотно-зависимого поглощения β(ω)= β0ω, а показатель экспоненты в множителе, учитывающем влияние поглощения, равен -mω и z- путь в среде, β0- параметр поглощения среды, а ω = 2πf –круговая частота, может быть вычислена амплитуда и длительность импульсной характеристики прошедшего через среду сигнала (Калинин А.В., Калинин В.В., Пивоваров Б.Л. Сейсмоакустические исследования на акваториях. М., Недра, 1983 г. Стр.122.). Опираясь на свойства инвариантной импульсной характеристики среды []:- длительность ее по уровню 0,1 от максимума равна 9m, а амплитуда – 1/m можно рассчитать параметры сигнала, прошедшего через среду. Результат расчетов важен при оценке методики работ в конкретных условиях геологического разреза и параметров возбуждаемого сигнала для оценки реального динамического диапазона будущей сейсмической записи и ее разрешающей способности. Задача.Дано: – возбуждаемый сигнал f0(t) представляет собой два периода затухающего синуса с видимым периодом 10 мс и амплитудой первого положительного максимума, равной условной «1» ; – разрез представляет собой однородную водонасыщенную песчано-глинистую толщу мощностью 50 метров, залегающую на поверхности известняков; -скорость продольных волн в толще песчано-глинистых пород 1600 м/с; – параметр поглощения в толще песчано-глинистых пород β0=10-41/с; –скорость продольных волн известняках 3000 м/с.Требуется: – рассчитать амплитуду максимума на центральной частоте и длительность волны, отраженной от кровли известняков; – построить семейство импульсных характеристик отраженных волн в данном примере при мощностях толщи от 10м до 100м с шагом 10 м; – построить семейство импульсных характеристик отраженных волн в данном примере при изменении видимого периода исходного сигнала f0(t) от 1 до 10 мс с шагом 1мс.