Description:

"Приповерхностные исследования области свалки доменного шлака с использованием поверхностных волн Релея (Near surface investigations over a disposal site for blast-furnace slag using Rayleigh surface waves) Dirk Orlowsky, Christoph Witte и Bodo Lehmann из DMT, Германия, описывают относительно простое применение приповерхностной сейсморазведки для определения потенциальной неустойчивости на строительной площадке некогда используемой для свалки доменного шлака. Оверхностные и каналовые волны используются для исследования латеральных изменений геологической среды в течение многих лет. Поверхностные волны распространяются по поверхности Земли, их амплитуда затухает с глубиной. Вследствие амплитудного затухания в одном пространственном измерении, распространение поверхностных волн ограничено двумя пространственными измерениями, и энергия фактически приурочена к поверхности Земли. Это ведет к тому, что форма сигнала характеризуется высокими амплитудами у поверхности, и поэтому поверхностные волны очень чувствительны к изменению приповерхностного строения среды. В упругих средах наблюдаются два различных типа поверхностных волн: волны Лява и волны Релея, характеризующиеся различными направлениями колебания частиц. Каналовые волны, которые наблюдаются в низкоскоростных слоях, очень похожи на поверхностные волны. Знания о поверхностных и каналовых волнах в прошлых четырех десятилетиях привели к разработке сейсморазведки на каналовых волнах (метод СКВ) (Dresden и Ruter, 1994) для обнаружения нарушений сплошности среды. В сейсмологии поверхностные волны использовались в течение многих десятилетий для исследования земной коры и строения верхней мантии (Seidl и Muller, 1997; Keilis-Borok, 1989; Nakanishi, 1993). Однако геофизики всего несколько лет назад начали приспосабливать методы сейсмологии на каналовых волнах и разрабатывать новые стандартные методы (Park, Miller и Xia, 1999) для исследования приповерхностного строения Земли на поверхностных волнах. Это привело к разработке сейсмического метода на поверхностных волнах (метод СПВ) для приповерхностных исследований. В этом контексте, выражение "приповерхностное" обозначает максимальные глубины исследования порядка 20 м. Рис. 1. Дисперсионные кривые групповой (U) и фазовой скорости (C) волн Релея (первая мода), рассчитанные для случая предполагаемого строения среды в области исследования. Распространение продольных и поперечных волн, мощности слоев и отношения плотностей. На рис. 1 приводятся три различных скоростных модели среды, ожидаемые в исследуемой области, а также соответствующие дисперсионные кривые групповой (U) и фазовой скорости (C) первой моды волн Релея. Все три модели описывают трехслойную среду, где скорости распространения продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн во втором слое намного выше, чем в первом и третьем слоях. В наших полевых наблюдениях данный слой определен как шлак. Кроме того, плотность шлака превышает плотность вмещающих пород. Рис. 2. В данной статье описан простой метод определения скорости волн Рэлея для описания приповерхностного строения среды. Скорость волн Рэлея является функцией частоты для слоистой среды и таким образом, волны характеризуются дисперсией. Существует необходимость выделения двух типов скорости - фазовой и групповой. Для низких частот в слоистой среде, скорость волны Релея примерно равна скорости распространения поперечной волны в полупространстве, в то время как для высоких частот, скорость примерно равна скорости распространения поперечных волн в первом слое. В "нормальных" условиях скорость распространения поперечной волны растет с ростом глубины. Таким образом, высокочастотные волны Релея имеют меньшую скорость распространения, чем низкочастотные (нормальная дисперсия). Однако в некоторых случаях наблюдается обратная дисперсия, когда в среде имеет место инверсия скорости объемных волн. В этом случае место свалки доменного шлака должно было быть восстановлено и использовано в качестве строительной площадки больших индустриальных складов. В течение периода свалки жидкий расплавленный шлак мог создать полости или включить в себя рыхлый материл, что может привести к неустойчивости почвы. Общая методика выявления и устранения этих полостей уплотнение всей области с использованием разгоняемых падающих грузов. Однако вследствие того, что этот метод как вреден для окружающей среды из-за высокого шумового воздействия, так и неэффективен в затратах, предпочтение было отдано геофизическим методам обнаружения возможных слабых зон. Из-за физических свойств холодного доменного шлака (низкое удельное электрическое сопротивление, высокое содержание металла, высокая плотность), для получения корректных результатов могут применяться только сейсмические методы. При исследовании области проводился анализ распространения и дисперсионных характеристик поверхностных волн Релея. Ожидалось, что скорости распространения продольных и поперечных волн в плотном шлаке будут примерно в два или три раза больше, чем в подстилающей почве. Таким образом, ожидалась обратная дисперсия фазовых скоростей поверхностных волн Релея. Расчет дисперсионных кривых Расчет дисперсионных кривых для фазовой скорости основан на алгоритме Thomson-Haskell (Haskell, 1953). В этом дисперсионном соотношении участвуют скорости. Модели отличаются друг от друга тем, что глубина залегания шлака уменьшается от первой модели к третьей. Можно заметить, что для различных глубин залегания шлака дисперсионные кривые показывают обратную дисперсию в различных частотных диапазонах как для фазовой, так и для групповой скорости, то есть скорость растет с ростом частоты в различных частотных диапазонах. Для модели 3 весь частотный диапазон от 0 до 100 Гц показывает обратную дисперсию. Поэтому по результатам расчета дисперсионных кривых для модели 3 ожидается, что измерения скоростей волн Релея непосредственно над шлаком приведут к получению высоких скоростей для высоких частот. Если в шлаке присутствуют полости или рыхлый материал, то характеристика дисперсии изменится и скорости для некоторых частот упадут. Таким образом, неоднородности могут быть обнаружены расчетом карт скоростей волн Релея для различных частот. Это позволит получить информацию о различных интервалах глубин, а глубины неоднородностей могут быть оценены с точностью до половины длины волны Рэлея. Кроме того, из-за изменений скорости и плотности на неоднородностях можно предположить, что поверхностные волны отражаются непосредственно на местах локализации неоднородностей. Поэтому обнаружение отражений поверхностной волны также выполнено для ряда выбранных частот. Рис. 3. Пример полевых данных: регистрация и возбуждение производились непосредственно в области свалки доменного шлака. Рис. 4. Карта фазовой скорости поверхностных волн Релея в исследуемой области для центральной частоты 75 Гц. Высокие скорости в шлаке могут быть легко отделены от низких скоростей в других образованиях. Рис. 5. Карта неоднородности поверхностных волн Релея в исследуемой области для центральной частоты 35 Гц. Высокие значения относительных амплитуд неоднородностей соответствуют главным образом тем областям, где шлак отделен от остальных образований и это есть границы области свалки. Полевые работы Перед сейсморазведочными работами проводилась геодезическая съемка с использованием дифференциальной системы спутниковой навигации Trimble по выбранным 55 профилям длиной 80 м. Расстояние между профилями составляло 5 м, шаг между источниками и приемниками был выбран 2 м. Источник: сейсмическая кувалда (8 кг); накапливание - 4 удара. Регистрация: система summit, 41 канал, центральная расстановка на каждом профиле. Шаг между приемниками: 2 м. На рис. 6 приведена фотография полевых измерений, для которых были выбраны следующие параметры: Шаг возбуждения: Интервала дискретизации: 4 м. 0.125 мс. Длина трассы: 80 м. Рис. 6. Карта разностей фазовой скорости поверхностных волн Релея в исследуемой области для частот от 35 и 55 Гц. Синие участки соответствуют областям с нормальной дисперсией, желтые и красные участки - областям с обратной дисперсии. Зеленые участки соответствуют областям с почти отсутствующей дисперсия для частот от 35 Гц до 55 Гц. Контроль качества данных выполнялся в процессе измерений: наблюдались амплитуды поверхностных и продольных волн на экране компьютера. Качество данных поверхностных волн, которые были подробно исследованы, оказалось очень высоким, а данные продольных волн P-волны, которые не использовались для обработки и интерпретации, коррелируют не очень хорошо (рис. 3). При сейсмических наблюдениях в области свалки доменного шлака для возбуждения мощных поверхностных волн использовалась кувалда (8 кг). Желтые коробки представляют систему summit, которая в каждой коробке включает два канала. Обработка данных Для получения карт скоростей поверхностных волн в исследуемой области использовался следующий граф обработки данных: • Редактирование и фильтрация (узкополосная фильтрация по трем заданным частотам) • Пикирование фаз поверхностной волны для различных частот и выносов • Определение фазовых скоростей для различных частотных диапазонов • Определение средних значений скорости • Расчет карт скоростей с привязкой координат • Определение скоростных разностей для различных частот Характеристики распространения фаз поверхностной волны также были исследованы в нескольких частотных диапазонах. Были определены и отмечены места отражения поверхностных волн и места сильного поглощения." Ключевые слова: август, экологический инженерный, отсутствие дисперсия, неоднородность, геофизик, специальный раздеть, нормальный, жёлтый, низкий соответствующий, сравнение, нормальный дисперсия, участок соответствовать, диапазон, участок, дисперсионный кривая, продольный волна, значение, break, плотность, результат, распространение, обратный дисперсия, проверка результат, интервал глубина, значение скорость, свалка, eage, материал, поверхностный волна, релей, волна, область свалка, область использоваться, ожидаться, шлак отделенный, дисперсия, surface, исследуемый область, xia, соответствовать область, каналов волна, профиль, образ, красный, seismic, образование, наблюдаться, данный, определение, раздеть, расчёт, желтый участок, карта, зависимость, geophysics, гц, карта скорость, инженерный геофизик, использоваться, амплитуда, привести, волна релей, скорость распространение, рыхлый, кривая, использование, break август, exploration, частота, среда, частотный, соответствовать, синий участок, дать, исследовать, характеризоваться, поверхностный, поперечный, поверхность земля, скорость, август специальный, отражение поверхностный, oxford, заметить, метод, строительный щебень, раздеть экологический, скорость поверхностный, доменный, шлак, область, высокий, отражение, предел, низкий, обратный, фазовый скорость, синий, оцененный, свалка доменный, центральный, скорость волна, рыхлый материал, строительный, разность, измерение, приповерхностный, seidl, глубина, частотный диапазон, haskell, строение, специальный, исследованный, экологический, дисперсионный, фазовый, данный область, релей исследовать, исследование, желтый, слой, место, модель, доменный шлак, инженерный, центральный частота, поперечный волна, канал, исследовать область