Опыт применения сейсмических методов для решения гидрогеологических задач
logo1-color


Опыт применения сейсмических методов для решения гидрогеологических задач

Выполнен анализ эффективности сейсморазведки на конкретных примерах при определении глубины до УГВ, оценки изменения положения УГВ во времени, отображении кровли скальных пород и литологическом расчленении разреза на малых глубинах. Показано, что при изучении малых глубин наиболее эффективно применение поперечных отраженных волн.

Ключевые слова: малоглубинная сейсморазведка, детальное картирование УГВ, отражённые поперечные волны

В последние годы использование сейсмических методов в практике гидрогеологических исследований приобретает всё большее значение, что связано со значительным усовершенствованием и в то же время упрощением аппаратурно-технической базы, а также с усложнением ставящихся перед геофизикой задач.

Несмотря на то, что сейсморазведка остаётся достаточно трудоёмкой и не может соперничать в производительности с электроразведочными методами, особенно на начальных стадиях поисково-разведочных работ, возможности сейсморазведки делают её удобным инструментом для решения гидрогеологических задач с высокой детальностью.

Результативность применения геофизических методов определяется в первую очередь ясностью физических предпосылок. Самыми очевидными задачами для сейсморазведки при выполнении гидрогеологических исследований являются определение положения уровня грунтовых вод и глубины залегания кровли коренных пород. Описанные в данной статье методы и варианты их использования были выбраны, прежде всего, исходя из соображений эффективности их использования, быстроты производства работ, высокой достоверности получаемых данных и наглядности результатов.

Детальное определение положения уровня грунтовых вод и оценка его изменения во времени. Задача определения положения уровня грунтовых вод (УГВ) в рыхлых породах решается с помощью сейсморазведки наиболее часто. Это обусловлено высокой контрастностью границы для скоростей продольных волн и вытекающей отсюда простотой применяемой методики работ, обработки и интерпретации данных. Для определения положения УГВ обычно используется метод преломлённых волн (МПВ) в простейшей модификации – первых вступлений; обработка и представление данных не требуют использования специального программного обеспечения.

Одно из достоинств сейсморазведки заключается в возможности прослеживания границ с высокой детальностью (фактически можно говорить о непрерывном прослеживании границ). Использование этой возможности при детальном картировании уровня подземных вод позволяет получать подробную информацию для решения некоторых задач геофильтрационного моделирования. К таким задачам относятся определение условий взаимосвязи поверхностных и подземных вод, оценка условий восполнения запасов подземных вод, картирование депрессионных воронок в зоне действующих водозаборов и другие. При этом подразумевается при необходимости изучение динамики уровня грунтовых вод с помощью сейсморазведки, т. е. проведение повторных (режимных) наблюдений при изменяющихся условиях питания и дренирования.

Приведём пример работ, выполненных в Адлерском районе г. Сочи, в долине р. Мзымта. Водоносный горизонт здесь представлен аллювиальными валунно-галечными отложениями, выполняющими переуглубление долины р. Мзымта, мощностью до 50 м. Отработанный участок занимает часть долины протяжённостью около 6 км, в южной части захватывает территорию Адлерского левобережного водозабора, в северной части практически достигает водозабора «Племенной форелеводческий завод Адлер» (Ахштырский водозабор). Перед исследованиями были поставлены задачи оценки условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод и определения характера влияния на уровень подземных вод действующих водозаборов. Для картирования УГВ было выполнено 26 профилей МПВ длиной от 46 до 142 м. Результаты представлены на рис. 1 в виде схематической карты глубины залегания УГВ. Для наглядности изображения использовались глубины, приведённые относительно уровня воды в реке.

statia-9-ris-1

По результатам выполненных работ установлено, что глубина отрыва уровней от реки на участке Адлерского водозабора составляет 4-10 м, в северной части исследованной территории вблизи Ахштырского водозабора – более 6 м. Между водозаборами выделяется участок протяжённостью не более 1 км, на котором можно предположить взаимосвязь подземных вод с рекой, близкую к естественной. Таким образом, размеры зон влияния Адлерского и Ахштырского водозаборов на условия связи подземных вод с рекой превышают 1 км.

Исследования проводились в полноводный период (в мае). Повторные наблюдения по той же системе профилей были выполнены в период межени (в ноябре) и показали ещё более значительный отрыв уровней подземных вод от реки. Пример изменения положения УГВ по одному из профилей приведён на рис. 2.

statia-9-ris-2

Следует сказать, что в ходе выполнения работ отмечалось некоторое расхождение в определяемых глубинах залегания УГВ по сейсморазведке с измерениями уровня в наблюдательных скважинах и пьезометрах. Сейсмическая граница фиксировалась иногда несколько ниже установившегося уровня в скважине, и наиболее значительные расхождения наблюдались в непосредственной близости от реки. Данное обстоятельство не является ошибкой сейсмических измерений, а определяется тем, что резкая скоростная граница для продольных волн возникает только при переходе породы в полностью водонасыщенное состояние. Как показывают некоторые исследования, даже в хорошо проницаемых породах сейсмическая граница при действии активных фильтрационных процессов может регистрироваться значительно ниже уровня грунтовых вод, устанавливающегося в скважине, в течение довольно длительного времени [3].

Отображение кровли коренных пород. В гидрогеологии необходимость детального изучения строения кровли коренных пород сейсмическими методами возникает при решении таких задач, как картирование погребённых палеодолин, выделение в коренных породах тектонических разломов и зон повышенной трещиноватости.

МПВ не всегда позволяет решать такие задачи с достаточной степенью достоверности, так как информация, получаемая с помощью преломлённых волн, представляет собой сильно осреднённые характеристики среды, и не всегда интерпретируется однозначно. Кроме того, без применения специальных мощных источников возбуждения колебаний возникают определённые трудности с регистрацией преломлённых волн от границ, залегающих на глубинах свыше 50 м.

Применение метода отражённых волн (МОВ) при решении структурно-геологических задач часто позволяет получить более точную, детальную и информативную картину, наглядную и простую для интерпретации. К достоинствам метода также относится высокая помехоустойчивость, достигаемая применением технологии многократных перекрытий, что позволяет использовать его в условиях значительных помех. В отличие от МПВ, работы на отражённых волнах не требуют получения длинных годографов для достижения большей глубины исследований, поэтому используемые расстановки при необходимости могут быть весьма компактными. Указанные факторы позволяют успешно использовать метод на территории промышленных и жилых застроек.

Напомним, что сейсморазведка отражёнными волнами – основной геофизический метод при разведке углеводородов, однако при разведке малых глубин его применение сопряжено с определёнными трудностями.

Основной проблемой для широкого применения МОВ в исследованиях верхней части разреза является разделение на сейсмических записях полезных отражённых волн и волн, которые в данном случае рассматриваются как помехи – прямых, преломлённых и поверхностных. Эта проблема напрямую связана с недостаточной разрешающей способностью метода при актуальном на сегодняшний день уровне развития доступных для широкого применения сейсморазведочных технологий. При использовании обычных источников колебаний видимые частоты волн, распространяющихся в верхней части разреза, составляют чаще всего 40-60 Гц. Отсюда преобладающие длины продольных волн в рыхлых водонасыщенных породах составляют несколько десятков метров, что и является в данном случае их пределом по разрешающей способности.

Другой проблемой продольных волн является высокая контрастность границы зоны полного водонасыщения, на которой образуются интенсивные отражённые и преломлённые волн, накладывающиеся на отражения от нижележащих горизонтов. Таким образом, эффективное использование МОВ на продольных волнах для решения структурно-геологических задач возможно только в условиях некоторых «благоприятных» геологических разрезов, например, характеризующихся неглубоким УГВ (первые метры) и достаточно глубоким (от 80-100 м) залеганием целевой границы.

Использование поперечных волн позволяет повысить разрешающую способность МОВ вследствие меньших значений скоростей поперечных волн по сравнению с продольными. Меньшие скорости также обуславливают большие времена регистрации отражённых поперечных волн, что повышает вероятность и точность их выделения. Наконец, граница зоны полного водонасыщения не является отражающей и преломляющей для поперечных волн.

В свою очередь, ограничения в применении поперечных волн связаны с присутствием в регистрируемом волновом поле интенсивных поверхностных волн Лява, вступающих в интерференцию с отражёнными волнами от неглубоко залегающих границ. Интенсивность волн Лява и временной диапазон их присутствия на сейсмических записях тем больше, чем меньше плотность пород приповерхностного слоя исследуемого разреза. В самых неблагоприятных случаях, при выполнении работ на заболоченных участках или по рыхлому почвенно-растительному слою, помехи могут подавлять полезный сигнал с весьма значительных глубин. В обычных условиях уверенное выделение отражений от достаточно контрастных границ возможно начиная с глубин около 40-50 м.

Как известно, волны Лява образуются в структуре упругий слой на упругом полупространстве, и только при условии, что скорость в слое меньше, чем в полупространстве. Такая структура характерна для верхней части разреза, где присутствует низкоскоростной приповерхностный слой, и скорость обычно увеличивается с глубиной. Однако при наличии на поверхности слоя с высокой скоростью распространения упругих волн (таким может быть слой сезонного промерзания грунтов) поперечные поверхностные волны Лява не образуются.

Данный факт открывает перспективы регистрации отражённых поперечных волн с самых малых глуби. Исследования на эту тему являются развитием идей А.Г. Скворцова [4]. В сущности, при отсутствии поверхностных волн верхний предел глубины исследований ограничен только возможностью разделения на сейсмограммах целевой отражённой волны и прямой волны, распространяющейся в высокоскоростном поверхностном слое.

Пример изменения характера сейсмической записи при наличии на поверхности наблюдений высокоскоростного слоя представлен на рис. 3. Профиль исследований отработан дважды с одинаковыми параметрами наблюдений, первый раз летом (рис. 3, а), второй раз зимой в условиях промерзания приповерхностного слоя (рис. 3, б). Волну со временем прихода 150 мс, отражённую от кровли известняков на глубине около 20 м, хорошо видно на сейсмограмме, записанной зимой, и видно лишь частично в небольшом окне, свободном от интерференции с волнами Лява, на записи, сделанной летом. Сравнение фрагментов суммированных временных разрезов (ниже на рисунке) показывает значительно более высокое отношение сигнал/помеха для данных, полученных в зимних условиях.

statia-9-ris-3

В ЗАО «ГИДЭК» накоплен обширный опыт использования сейсморазведки при изучении литологических границ, показывающий высокую эффективность МОВ на поперечных волнах при наличии на поверхности наблюдений высокоскоростного слоя. Функции такого слоя, кроме слоя сезонного промерзания, может выполнять асфальтовое или бетонное покрытие, либо плотно утрамбованный грунт.

На рис. 3 представлены примеры использования МОВ в ходе проведения поисково-разведочных работ. Задача определения положения кровли коренных пород решалась в первом примере с целью картирования погребённой речной палеодолины (рис. 4, а), во втором примере – выхода коренных пород (гранитов) на дневную поверхность (рис. 4, б). Приведённые сейсмические разрезы наглядно демонстрируют способность МОВ детально отображать сложные формы рельефа скальных пород, возможность уверенно прослеживать границы на весьма малых глубинах.

statia-9-ris-4

Пример оценки степени нарушенности коренных пород по некоторым характерным признакам волновой картины на разрезах отражённых волн приведён на рис. 5. В правой части профиля (от ПК 140 до ПК 286) наблюдается заметное ослабление интенсивности волны, отражённой от кровли известняков, по сравнению с весьма контрастной границей в левой части профиля. Строение кровли известняков в этом интервале неровное, местами наблюдается дислоцированное залегание (ПК 140 - ПК 190) и практически полная потеря корреляции отражённой волны. Данные признаки свидетельствуют о разрушенности известняков и наличии в них зон повышенной трещиноватости.

statia-9-ris-5

Таким образом, опыт выполненных нами работ позволяет сделать следующие выводы:

1. Представляется целесообразным применение сейсмических методов для высокодетального определения положения УГВ, включая оценку его положения во времени.

2. В сложных гидрогеологических условиях сейсморазведка может оказаться единственным геофизическим методом, позволяющим достаточно достоверно решать поставленные задачи (например, отображение коренного ложа узких палеодолин, прослеживание субвертикальных маломощных зон повышенной трещиноватости в скальных породах). Наиболее широкие возможности при решении таких задач, как по глубинности исследований, так и по точности и детальности получаемых результатов, имеет МОВ на поперечных волнах при выполнении работ в условиях высокоскоростного поверхностного слоя (слоя промерзания, асфальтового-бетонного или плотного грунтового покрытия). При отсутствии такого слоя применение МОВ возможно при залегании целевых границ глубже 40-50 м. Использование поперечных волн в этом случае предпочтительнее ввиду большей разрешающей способности и возможности регистрировать отражения с меньших глубин. При необходимости исследования границ, залегающих на глубинах первых десятков метров, достаточно надёжные результаты могут быть получены с помощью МПВ с использованием продольных и поперечных волн.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сейсморазведка: Учебник для вузов. – Тверь: Издательство АИС, 2006.

2. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии / Под ред. Н.Н. Горяинова. – М.: Недра, 1992.

3. Bachrach R., Dvorkin J., and Nur A. High-resolution shallow-seismic experiments in sand, Part I: Water table, fluid flow, and saturation // Geophysics. – 1998. – V. 63, № 4. – P. 1225-1233.

4. Скворцов А.Г. Высокоразрешающая сейсморазведка на поперечных волнах при изучении верхней части геологической среды // Инженерная геофизика: Сб. материалов междунар. конф. – М.: Из-во Московского университета. – 2005. – с. 16–18.