Геологические основы

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

	3	50	40	30	-
	1	6	4	2	-
мелкие	2	38	36	32	28
	3	48	38	28	18
	1	8	6	4	2
пылеватые	2	36	34	30	26
	3	39	28	18	11

4.4. Естественная направленность в грунтах ВЧР

При проведении полевых исследований с использованием S волн были замечены два характерных фактора, влияющие на качество сейсмограмм. Во-

первых, интенсивности парных ±Y воздействий заметно и систематически различались между собой и, во-вторых, это различие постепенно изменялось при перемене положения источника.

Вместе с тем стало ясно, что причиной возникновения специфической направленности может быть наличие неоднородного распределения упругих свойств грунтов в окрестности регистрирующих датчиков, равно как и источников. Наиболее сильно в верхней части разреза проявляется вертикальный градиент упругих свойств, вследствие чего симметричное вертикальное воздействие излучает поперечные волны Sv. Существование горизонтального градиента упругих свойств, их анизотропии в азимутальной плоскости должно по теории вызывать излучение y компоненты поперечной волны в определенных азимутах, а также влиять на направленность воздействий типа горизонтально приложенной силы. В настоящее время имеется сравнительно мало данных об изменчивости свойств грунтов по латерали. Для того, чтобы убедиться в существовании такой изменчивости производилось изучение распределения параметра крепости грунта, который характеризуется числом ударов, необходимых до погружения в грунт

Таблица.7.

117

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Значения упругих характеристик грунтов четвертичных отложений

				ρ		Скорость		Модуль
№			Крупность		W	упругих
	Типы грунтов			кг/м3				деформ.
						волн м/с
п/п			частиц, мм	× 0.001	%				γ
						Vp	Vs	е(мПа)
1.	Валунно-		2-200	1,80	5	660	310	60	0,47
	галечниковые
				1,9	30	1850	430	45	0,23
	с	песчаным
	заполнением
2.	Глины		0,005-	1,9	5	1050	490	18	0,47
	песчанистые		0,0001
				2	2	1800	640	28	0,36
3.	Суглинки		0,005-	1,8	5	400	200	34	0,5
			0,0001
				2,07	10	450	207	32	0,46
				2,1	20	690	340	55	0,49
4.	Торфяники			0,94			40	0,4	0,13
					40	300
				1,2			60		0,2
5.	Лёсс		0,1-0,0001	1,86	20	420	200	32,8	0,48
	супесчаный
6.	Суглинок		0,1-0,001	1,8	5	2300	1600	100	0,7
	мерзлый
7.	Многолетне		0,1-0,001	2,1	5	3400	1800	150	0,5
	мерзлые
	суглинистые

стандартного металлического стержня. Обследовался грунт, представленный крепкими макроскопически однородными суглинками при этом внутренняя текстура грунтовой массы была однородной в пределах мощности пластов, слагающих участок наблюдений. Разумеется, что этот участок был выбран совершенно произвольно. Результаты, свидетельствующие о неоднородности

118

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

грунта по показателю крепости, приведены в таблице 8. Упомянутая выше, амплитудная не идентичностъ записей от воздействий + Y и -Y особенно резко проявилась в случае симметричных воздействий в узких одиночных траншеях (рис.20,а). Для записей, представленных на рисунке, коэффициент К =АSH(+Y)/ASH(-У) составляет около 0,25. Были выявлены изменения

Таблица 8.

Характеристика неоднородности грунта по показателю крепости.

	Глубина,			Крепость грунта (число ударов)
	м
	0	6	6	4	5	17	4	4	6	5
	0,4	23	22	25	14	31	31	19	16	14
	0,6	36	31	22	50	14	24	27	24	12
	0,8	24	29	16	38	12	26	16	22	23
	Номер	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	точки

изменения характера трехкомпонентной записи и по площади, в частности, тесная связь интенсивности поперечной волны от координат источника и приемника. В ряде точек при симметричном сосредоточенном воздействии в скважине регулярные волны класса SSS были зарегистрированы только на x компоненте, что собственно и следует из теории при действии источника типа вертикально направленной силы в изотропной среде. Но столь же частыми оказались случаи наличия регулярной волны на y-компоненте того же класса, что и на x. На рис.19, а графически показаны изменения амплитуд, возбуждаемых симметричным источником: продольной (график Аp) и поперечных волн, (графики Ax и Ay соответственно). Амплитуда продольной волны Ap медленно монотонно возрастает при уменьшении интервала источник

– приемник. Амплитуды поперечных волн сильно меняются по мере перемещения

119

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

источника с шагом 5 м, причем имеет место такое перераспределение их амплитуд, когда максимуму амплитуды для волны SSSH соответствует минимум амплитуды волны SSSv. Очевидно, что участку максимальных амплитуд Аy свойственна наиболее сильная ЕН грунтов.

На других аналогичных профилях, отработанных на расстоянии около I км от предыдущего, для каждой пары направленных воздействий (±Y) определялось отношение амплитуд К = [As(+Y)]/[As(-Y)], значения которых, как меры естественной направленности, наносились на план полигонов. В результате выделены области с умеренным проявлением ЕН, где 2>К>1, и области с сильным ее проявлением, где К>2 и К<0,5. Здесь же можно видеть и три линии расположения симметричныхскважинныхисточников. Рис. 19, в.

Феноменологически явление ЕН может быть определено как свойство грунтов ВЧР частично трансформировать симметричное поле механических напряжений в такое асимметричное распределение, которое соответствует горизонтально направленному силовому воздействию типа +Y, либо-Y. Результаты измерения амплитуд (с учетом знака) поперечных SSSH, а также продольных PPР волн от симметричных источников представлены на рис.19, б из чего можно сделать заключение, что величина отношения As/Ap сопоставима с величиной этого показателя для направленных источников. Как следует из рис.19, в эффект естественной направленности грунтов довольно неустойчив и быстро изменяется по площади как по величине, так и по приуроченности к направлению силового воздействия. Участки со значениями коэффициента не идентичности воздействий, близкими к единице, перемежаются с участками, где его величина > 2 и < 0,5. Знак вступлений поперечных волн SSSH , возбуждаемых симметричными воздействиями, меняется на протяжении нескольких десятков метров. Рассмотренные выше проявления естественной направленности относились к сухим грунтам в диапазоне глубин 1-3 м. Некоторые сейсмограммы у-компоненты, получены при симметричных воздействиях, размещенных ниже уровня грунтовых вод (7 м и более). При этом характер записи отличается более высокой нерегулярностью y

120

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

а

б

в

Рис.19. Проявление ЕН грунтов. а) Изменение амплитуд S-волн и коэффициента К при перемещении источника вдоль профиля.

б) Изменение амплитуд S-волн и фазы волны, при симметричном воздействии в) Карта коэффициента К

1-траншейный источник

2-трехрядная группа скважин

3-симметричный скважинный источник

компоненты особенно при переходе грунтов в водонасыщенное состояние, за исключением взрыва, произведенного на глубине 45 м, где, как и в сухих грунтах, получена четкая волна SSSH. Можно было бы и в этом случае сделать вывод о том, что в обводненной части терригенного разреза при симметричном воздействии проявляется «естественная направленность» среды. Однако, на глубине 45 – 50 м на участке исследований залегают меловые породы (трещиноватые мергели), в непосредственной близости от которых и произведено симметричное воздействие. Известно, что трещиноватая среда обладает анизотропными свойствами, приводящими к генерации упругих волн различной поляризации, в том числе отличающейся от симметричного распределения сил в источнике. Это наводит на мысль о том, что грунты ВЧР характеризуются в первую очередь анизотропными свойствами, которые крайне прихотливо распределены по латерали.

4.5.Состояние грунтов и характеристики поперечных волн.

121

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Методической основой всей сейсморазведки, в том числе и многоволновой, является прослеживание упругих волн, отраженных от глубинных границ. Наш повседневный опыт свидетельствует о том, что грунты ВЧР постоянно находятся под воздействием внешних факторов химического, механического, биологического и метеорологического происхождения. Действие их не равнозначно ни по амплитуде, ни по времени. Современная технология проведения сейсморазведки такова, что повсеместно используются поверхностные системы регистрации и возбуждения упругих волн. Естественным образом возникает вопрос о влиянии состояния и свойств грунтов приповерхностного слоя, слагающих ВЧР, на характеристики упругих волн, в первую очередь динамические. Такая формулировка задачи вытекает из необходимости обеспечить устойчивую форму и выдержанность записи упругих отраженных волн по всей длине расстановки, которая в настоящее время составляет 1.5 - 2 глубины до целевого отражающего горизонта. Выше показано, что свойства грунтов не одинаковы даже на протяжении нескольких десятков метров, не говоря уж о масштабах в несколько километров. По этой причине знание факторов, влияющих на формирование упругих волн в источнике, а так же при их регистрации на поверхности грунтов, обладающих различными свойствами в пределах одной расстановки, имеет первостепенное значение для геофизика – сейсморазведчика.

Амплитуды регистрируемых волн.

Рассмотрим влияние водонасыщенности грунтов, как наиболее распространенного свойства грунтов, на амплитуды упругих волн.

При сейсмических исследованиях нередко встречаются условия, когда источники либо приемники, а иногда те и другие одновременно, приходится размещать в весьма неустойчивых водонасыщенных грунтах. Естественно ожидать, что чем выше содержание влаги в грунте, тем он по своим упругим свойствам все более приближается к вязкой жидкости, где сдвиговые волны сейсмического диапазона либо не будут генерироваться и распространяться, либо резко изменят свои параметры. Однако, было замечено, что поперечные волны

122

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

свободно распространяются через такие среды, как торфяные болота, где пористость не менее 70%. При этом величины Сs в подобных средах уменьшаются до 30—50 м/с. Вместе с тем, болота не приводят к заметным изменениям формы записи и видимого периода колебаний. Что касается амплитуды сдвиговых волн, то при расположении сейсмоприемников на болотах она в основном больше, чем на участках с плотными грунтами. В первую очередь было важно выяснить особенности волновой картины при размещении регистрирующих приборов на поверхности водонасыщенных отложений по сравнению с таковыми, расположенными на участке с консолидированными песчано-глинистыми грунтами. Трехкомпонентная расстановка приборов своей протяженности находилась на поверхности сухого грунта, а оставшаяся часть — на поверхности мелкодисперсного и сильно увлажненного грунта при постепенно увеличивающемся водосодержании и мощностью этих отложений. На рис.20, представлены сейсмограммы у, z, х компонент при + Y воздействии. На y-компоненте отмечается отчетливая головная волна с кажущейся скоростью около 1200 м/с. На записях от противоположно направленного воздействия эта волна однозначно меняет фазу на 180°. При анализе записей прежде всего обращает на себя внимание резкое различие в амплитудах поперечных волн при размещении сейсмоприемников на суше и на водонасыщенных отложениях. На последних амплитуды волны SH (у-составляющая) в 2,5—3 раза больше, чем на первых. Аналогичное соотношение наблюдается на z-компоненте.

123

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Рис.20. Трехкомпонентная запись поперечных волн в условиях постепенно возрастающей влажности грунтов от ПК 050(W=4%) до ПК -100(W=50%).

Возбуждение S волн. Наиболее существенное отличие механического воздействия во влажных грунтах от сухих заключается в резком падении отношения Asy/Apz, которое составляет всего лишь 0,25. Коэффициент фазовой инверсии оказывается много меньшим единицы, а обращение фаз при ± Y- воздействиях не отмечается. Кроме того, поперечная волна в этом опыте имеет в 2 раза большую амплитуду на побочной компоненте х, чем на у, что свидетельствует о том, что в данном случае фактически реализуется источник типа вертикальной силы (рис.21). Особенность сильно водонасыщенных грунтов в том, что они обладают достаточно высокой пластичностью и одновременно большой вязкостью и податливостью. Вязкость грунта дала возможность предположить, что достаточно жесткую связь источника со средой может обеспечить сила трения между излучателем и частицами, составляющими скелетную основу. С использованием такого излучателя был изучен характер формирования поперечной SH волны в сильно увлажненных грунтах. Оказалось, что в этом случае генерируются интенсивные SH колебания в грунтах с водонасыщенностью более 50%. При этом отмечается высокий показатель Asy/Apz> 10 при практически полном отсутствии других волн, кроме SH (рис. 22). В частности, уровень записи на x составляющей в 5—6 раз меньше, чем на y компоненте.

124

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Рис.21. Трехкомпонентные записи x, z, y при расположении источника в сухих (а) и водонасыщенных грунтах (W=25%), б.

Рис.22. Трехкомпонентные записи x, z, y при расположении источника в грунтах W>50%

Влияние крепости грунта (консолидированности) особенно резко проявляется при сравнении эффективности работы источников в грунтах одного и того же типа, подверженных климатическим воздействиям (талые и сезонно мерзлые). Из формул главы III cледует, что амплитуда поперечной волны обратно пропорциональна показателю сдвиговой жесткости среды

125

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

(произведение плотности на квадрат скорости распространения поперечных волн). При достаточно глубоком промерзании грунта его сдвиговая жесткость изменяется не менее чем в 10 раз.

Частотный состав поперечных волн изучен по спектрам поперечных SH

волн как регистрируемых	на	поверхности,	так	и	генерируемых
поверхностными источниками	в	грунтах с	постепенно		возрастающей

влажностью. Наиболее высокочастотные сдвиговые колебания зарегистрированы при расположении как источника, так и приемников в сухих крепких суглинках (влажность грунта не более 4%). В этом случае максимум спектра SSSH- волны соответствует частоте 40 Гц. Постепенное увеличение влаги в грунте сопровождается медленным падением основной частоты в спектре поперечных колебаний. Для наиболее водонасыщенных вязких грунтов (влажность более 50%) доминирующая частота поперечных волн падает в 2 раза, а максимум спектра сдвиговых колебаний смещается влево на уровень 20 Гц. Кривые зависимости частотного состава поперечных волн от параметров жесткости грунтов, приведены на рис. 23, г. Наиболее низкочастотные поперечные волны наблюдались при размещении источников и приемников в илистом влагонасыщенном грунте (при влажности >50 %), а также на болотах. Самые высокие частоты (около 80 Гц) получены на льду. При этом частота поперечной волны монотонно зависит от жесткости грунта, а для продольной волны имеется минимум.

При применении взрывных источников часть энергии воздействия всегда затрачивается на возбуждение продольных волн, доля которых быстро растет по мере увеличения влажности грунта; показатели AS и П = AS/Ap источника оказываются в тесной взаимной связи. Влияние влажности грунта W на амплитуды одновременно возбуждаемых источником продольных и поперечных волн количественно отображено на рис. 20 и 23. В этом опыте траншейный взрывной источник перемещался на том же участке с изменяющейся влажностью (и скоростью) грунта вокруг скважины, в которой были размещены регистрирующие приборы, т. е. условия регистрации сохранялись постоянными.

126