first break том 24, Август 2006
Специальный раздел
Экологическая и инженерная геофизика
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.
П оверхностные и каналовые волны используются для исследования латеральных изменений геологической среды в течение многих лет.
Поверхностные волны распространяются по
поверхности Земли и их амплитуда затухает с глубиной.
Вследствие амплитудного затухания в одном
пространственном
измерении,
распространение
поверхностных
волн
ограничено
двумя
пространственными измерениям, 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.
69
© 2006 EAGE
first break том 24, Август 2006
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
© 2006 EAGE
Специальный раздел
Экологическая и инженерная геофизика
распространения 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.
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.
70
first break том 24, Август 2006
Специальный раздел
Экологическая и инженерная геофизика
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 проведением сейсморазведочных работ 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 сейсмоприемниками был выбран 2 м.
На рис. 2 приведена фотография полевых измерений, для которых были выбраны следующие параметры:
■ Источник:
■ Регистрация:
■ Шаг между приемниками: ■ Приемники: ■ Шаг возбуждения: ■ Интервала дискретизации: ■ Длина трассы:
сейсмическая кувалда (8 кг); накапливание — 4 удара. система summit, 41 канал, центральная расстановка на каждом профиле. 2 м.
28 Гц. 4 м.
0.125 мс.
500 мс.
71
© 2006 EAGE
first break том 24, Август 2006
Специальный раздел
Экологическая и инженерная геофизика
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 — области с обратной дисперсией. Зеленые участки соответствуют областям с почти отсутствующей дисперсией 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, коррелируются 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. В зависимости от спада относительной амплитуды или амплитуд отражения эти места были подразделены в категории 1, 2 и 3 (слабый, средний, сильный). Например, неоднородность категории 2 на 23 канале рис. 3 очень наглядна. Используя значения 1, 2 и 3, неоднородности были нанесены на карту исследуемой области.
© 2006 EAGE
Результаты анализа поверхностных волн
На рис. 4 приведен пример карты фазовой скорости поверхностных волн Релея после полосовой фильтрации с центральной частотой 75 Гц. Значения скорости отображаются с использованием цветовой шкалы в зависимости от профиля и номера сейсмоприемника на данной позиции. Также показаны точные координаты. Эта карта скоростей является прогнозирующей моделью верхних 3 м среды. Также были рассчитаны дополнительные карты с использованием центральных частот 55 Гц и 35 Гц, которые дали информацию о первых 6 и 9 м среды (рис. 8 и 9). Глубины были оценены с помощью половины длины волны для центральной частоты, которая изменяется в пределах исследуемой области, из условия, что можно дать только оценку.
Рис. 7. Фотография синего участка с рис. 6 после проверки результатов. Можно заметить, что эта область использовалась для свалки не шлака, а строительного щебня.
72
first break том 24, Август 2006
Специальный раздел
Экологическая и инженерная геофизика
Рис. 8. Карта фазовой скорости поверхностных волн Релея в исследуемой области для центральной частоты 35 Гц. Высокие значения скорости в шлаке легко различимы от более низких, соответствующих другим образованиям.
Можно заметить, что в средней части исследуемой области фазовые скорости поверхностных волн относительно высоки (более 300 м/с) по сравнению с теми, которые наблюдаются в естественных условиях, и центральная часть области характеризуется значениями скорости более 500 м/с (красные и желтые участки). Также центральная часть исследуемой области относительно однородна, здесь наблюдается только несколькими скоростных аномалий. Однако одна область в пределах центральной части (профили 16-23; приемники 13-24), характеризуется очень низкими значениями скорости по сравнению с окружающей областью. На границах данной области можно выделить большое количество сильных отражений поверхностной волны (рис. 5). Кроме того, карта разности скоростей (рис. 6, синий участок) дает дополнительное подтверждение наличия неоднородностей в данной области.
На этой карте зеленые участки соответствуют областям, где дисперсия почти отсутствует для частот от 35 до 55 Гц. Красные или желтые участки соответствуют областям с обратной дисперсией, а синие участки соответствуют областям с нормальной дисперсией. Таким образом, красные и желтые участки рис. 4 соответствуют красным и желтым участкам рис. 6, который описывает характеристики обратной дисперсии, которые ожидаются в случае «шлаковой среды». Шлак окружен «нормальным материалом» и поэтому синий участок рис. 6 «должен» соответствовать другому материалу, а не доменному шлаку. Карта отражений поверхностной волны (рис. 5) отображает те участки, где шлак отделен от других материалов, т. е. границы свалки. Дальнейшая информация о различных интервалах глубин может быть найдена на картах разностей фазовой скорости для 75 Гц и 35 Гц, и для 75 Гц и 55 Гц (рис. 10 и 11).
Рис. 9. Карта фазовой скорости поверхностных волн Релея в исследуемой области для центральной частоты 75 Гц. Высокие значения скорости в шлаке легко различимы от более низких, соответствующих другим образованиям.
73
© 2006 EAGE
first break том 24, Август 2006
Специальный раздел
Экологическая и инженерная геофизика
Рис. 10. Карта разностей фазовой скорости поверхностных волн Релея в исследуемой области для частотного диапазона от 35 до 75 Гц. Синие участки соответствуют областям с нормальной дисперсией, а желтые и красные участки — областям с обратной дисперсией. Зеленые участки соответствуют областям с отсутствием дисперсии для частот от 35 до 75 Гц.
Рис. 11. Карта разностей фазовой скорости поверхностных волн Релея в исследуемой области для частотного диапазона от 55 до 75 Гц. Синие участки соответствуют областям с нормальной дисперсией, а желтые и красные участки — областям с обратной дисперсией. Зеленые участки соответствуют областям с отсутствием дисперсии для частот от 55 до 75 Гц.
Синий участок рис. 6, который был признан самой важной аномалией в пределах исследуемой области, был вскрыт экскаватором, чтобы понять материальные условия данного антропогенного участка. На рис. 7 приведена фотография данной области после проверки результатов. Можно заметить, что эта область использовалась для свалки не шлака, а старого строительного щебня. Отражения поверхностных волн (рис. 5) в пределах данной области обоснованы сменой типа данного строительного щебня.
Некоторые другие небольшие неоднородности в пределах шлака (отражения, локальные зоны низкой скорости и области нормальной дисперсии) могут быть обнаружены с использованием карт с рис. 4, 5 и 6. Некоторые из них соответствуют полостям, рыхлым материалам или обводненным пустотам.
© 2006 EAGE
Заключение
Свалка доменного шлака была исследована с использованием поверхностных волн Релея. Цель исследований заключалась в обнаружении областей, включающих рыхлый материал или пустоты. Вследствие того, что волны Релея характеризуются дисперсией и различные частотные части фаз дают информацию о различных глубинах, можно было рассчитать карты различных частот фазовых скоростей и, следовательно, различных глубин. Также была рассчитана карта отражений поверхностных волн Релея, которая сравнивалась с результатами карт скорости. Комплекс всех результатов дал хорошую оценку подземных условий исследуемой области. Исследуемая область была разделена на две части. В центральной области была расположена основная часть доменного шлака, тогда как в остальной части среды были отложены другие материалы.
74
first break том 24, Август 2006
Специальный раздел
Экологическая и инженерная геофизика
Была выявлена большая область свалки старого строительного щебня и области с локальными аномалиями, соответствующими пустотам и рыхлому материалу в пределах шлака.
Хотя ожидалось, что область доменного шлака окажется очень сложной для исследования с помощью поверхностных волн из-за характера обратной дисперсии волн Релея, относительно простой метод расчета карт скорости и карт отражений удовлетворил запросы клиента. Уплотнение области свалки шлака с использованием разгоняемых падающих грузов применялось только в областях, где были выявлены пустоты или наличие рыхлого материала, следовательно, шумовое воздействие на окружающую среду было сведено к минимуму.
Ссылки на литературу
Dresen, L. and Rtiter, H. [1994] Seismic Coal Exploration Part B: In-Seam Seismics. In Helbig, K. and Treitel, S. (Eds) Handbook of Geophysical Exploration Section I. Seismic Exploration, vol. 16B. Pergamon Press, Oxford. Haskell, N.A. [1953] The dispersion of surface waves in multilayered media. Bulletin of the Seismological Society of America, 43, 17-43. Keilis-Borok, V.I. [1989] Seismic Surface Waves. In Laterally Inhomogeneous Earth, Modern Approaches in Geophysics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. Nakanishi, I. [1993] Surface Wave Tomography: Velocity and Q. 5, 92-132. In: Iyer, H.M. and Hirahara, K. (Eds) Seismic Tomography. Chapman & Hall. Oxford. Park, С. В., Miller, R. D., and Xia, J. [1999] Multichannel analysis of surface waves (MASW), Geophysics, 64, 800-8008. Seidl, D. and Mtiller, S. [1977] Seismische Oberflachenwellen. Journal of Geophysics, 42, 283-328.
75
© 2006 EAGE