3. Рекомендации по проектированию и выполнению вибросейсмических работ в районах широкого развития мерзлых толщ.

3.1. Проектирование работ, определение модели вчр.

3.1.1. Сбор материалов, определение модели ВЧР.

В первую очередь целесообразно опираясь на схему геокриологического районирования территории определить геокриологическую зону, область и район, в котором предполагается выполнить сейсморазведочные работы. Это позволит составить априорную модель ВЧР, оценить диапазон изменения параметров ВЧР и обосновать систему полевых наблюдений.

Большой объем важной информации можно почерпнуть из отчетов о результатах сейсморазведочных работ, проведенных на данной площади или на сопредельных территориях в прошедшие годы.

При анализе отчетных материалов следует обратить особое внимание на примеры характерных полевых сейсмограмм ОПВ.

Стабильная волновая картина и относительно низкий уровень поверхностных волн-помех свидетельствует о несущественном влиянии ЗМС, отсутствии чередования мерзлых и талых пород в непосредственной близости от дневной поверхности.

Резкие изменения частоты, наличие ревербераций, повышение уровня волн-помех сопровождающееся снижением частоты колебаний и снижение уровня помех с повышением частоты, свидетельствуют о значительном влиянии ЗМС, а так же о чередовании мерзлых и растепленных пород вблизи дневной поверхности.

Следует обращать внимание на величины кажущихся скоростей волн, регистрируемых в первых вступлениях сейсмограмм в диапазоне удалений от нуля до 1000 м, а так же на примерное значения to этих волн.

Относительно низкие скорости (1500-1800 м/с) и малые (до 100 мс) to характерны для головных волн, распространяющихся ниже подошвы ЗМС в растепленных породах. (рис.2.18.а)

Высокие (2500-3500 м/с) скорости при близком к нулю to - свидетельствуют о развитии приповерхностной (поверхностной) мерзлоты. (рис.2.18.б)

Высокие скорости при большем (100-150 мс) значении to характерны для головных волн от верхней границы реликтовой мерзлоты. (рис.2.18.в)

Кроме того, следует обратить внимание на качество прослеживания и величины эффективных скоростей отраженных волн на малых (150-300 мс) временах (если таковые волны обнаруживаются). (рис.2.18.г)

Эти волны могут быть связаны с верхней границей реликтовой мерзлоты.

Низкие эффективные скорости (1700-1800 м/с) упомянутых отраженных волн являются признаком либо отсутствия, либо малой мощности мерзлых пород в перекрывающей толще, высокие скорости (2000 м/с и более) - свидетельствуют о значительном влиянии поверхностной (приповерхностной) мерзлоты.

Признаки влияния мерзлой толщи можно обнаружить и на временных разрезах, в случае, если там сохранена информация о относительно мелких (150-300 мс) отражающих горизонтах.

Наличие локальных аномалий времен, амплитуда которых в ВЧР в 2-5 раз больше, чем на уровне глубинных горизонтов, свидетельствует о влиянии реликтовой мерзлоты. Совпадающие по амплитуде аномалии времен могут быть вызваны ЗМС или поверхностной (приповерхностной) мерзлотой.

В отчетах может быть приведена и другая информация, важная с точки зрения представления о ВЧР, например зонды волнового поля, результаты МСК, результаты опытных работ.

Дополнительная информация о строении мерзлой толщи может быть получена при изучении термограмм, полученных в пьезометрических, наблюдательных скважинах, а также в скважинах находящихся долгое время в консервации или в простое.

В результате обобщения всех данных можно получить вполне верное представление о строении ВЧР на проектном участке и сформулировать соответствующие требования к технологии полевых работ.

3.1.2. Обоснование для выбора систем полевых наблюдений.

В процессе выполнения полевых сейсморазведочных работ, наряду с целевыми отраженными волнами, несущими информацию о глубинных объектах, попутно регистрируются отраженные и головные преломленные волны, несущие информацию о строении толщи мерзлоты.

В процессе многолетних исследований установлено, что для учета искажающего влияния мерзлоты основной интерес представляют волны, образующиеся на ее верхней границе.

Для оценки возможностей той или иной методики полевых работ важно знать, на какой диапазон прослеживания отраженных и преломленных волн от границ мерзлоты, вне зоны интерференции с другими волнами, можно рассчитывать при различных глубинах залегания мерзлых слоев.

К

(1)

ажущаяся скорость головной преломленной волны описывается выражением:

Vк = V1 / sin (i ± ) ,

где i - критический угол, sin(i)=V1/V2;

 - угол наклона преломляющей границы в плоскости профиля;

V1 - скорость в верхнем слое;

V2 - скорость в нижнем слое.

Для горизонтальной преломляющей границы раздела Vк = V2.

В нашем случае, V2 - скорость распространения волн в криогенной толще, изменяющаяся в пределах от 2000 до 4000 м/с.

Н

(2)

ачальная абсцисса годографа преломленных волн:

Хн = 2* Н * sin (i) / cos (i ± ) ,

здесь Н - мощность покрывающего слоя.

При = 0

(3)

Т

(4)

очка выхода преломленной от кровли мерзлого слоя волны в первые вступления:

В таблице 3.1. приведены значения Хн (числитель) и Х1 (знаменатель) для реального диапазона изменений мощности покрывающего слоя Н и скорости в криогенной толще, при скорости в покрывающем слое V1 = 1700 м/с.

Таблица 3.1.

V2,			Н, м.
м/с	50	75	100	150	200	250
2200 2400 2600 2800 3000	122 / 279 100 / 242 86 / 219 76 / 202 69 / 190	183 / 419 150 / 363 130 / 328 115 / 303 103 / 285	243 / 559 201 / 484 173 / 437 153 / 405 138 / 380	365 / 838 301 / 726 259 / 656 229 / 607 206 / 570	487 / 1117 401 / 968 346 / 874 306 / 809 275 / 761	609 / 1396 502 / 1210 432 / 1093 382 / 1011 344 / 951
			Хн / Х1

Из анализа данных таблицы 3.1. можно сделать вывод, что традиционно применяемые в настоящее время методики МОГТ способны обеспечить регистрацию преломленных волн от верхней границы реликтового мерзлого слоя. При этом может быть достигнута кратность суммирования по общей глубинной площадке, соизмеримая с кратностью прослеживания глубинных отражающих горизонтов.

Годограф общей глубинной точки отраженных волн от верхней границы мерзлого слоя имеет форму гиперболы:

(5)

где L - удаление взрыв-прибор.

Для горизонтальной границы = 0:

(6)

Для того, чтобы обеспечить фазовую корреляцию отраженной от верхней границы мерзлого слоя волны по профилю, необходимо, чтобы несколько (желательно не менее 15) трасс сейсмограммы ОПВ содержали отраженную волну вне зоны интерференции с прямой волной, распространяющейся вдоль поверхности водоносного горизонта, т.е. отраженная волна должна отставать от прямой волны на некоторое заданное время.

Для определения расстояния от пункта возбуждения до точки, в которой годограф отраженной волны сойдется с годографом прямой волны до заданного отставания, необходимо решить уравнение (6) относительно уравнения прямой волны -

t

(7)

= L / Vп + dt ,

где dt - заданное отставание, Vп - скорость прямой волны.

Если принять Vп = V1, результатом совместного решения является уравнение:

(8)

L = 2* Н²/ (V1 * dt) - V1* dt / 2 .

В таблице 3.2. даны результаты расчетов L для различных глубин залегания кровли криогенной толщи и различных заданных величин отставания отраженной волны для характерной ситуации V1 = Vп =1700 м/с.

Таблица 3.2.

dt,			Н, м.
мс	50	75	100	150	200	250
20 30 40 50 60	130 72 40 16 0	314 195 131 90 59	571 367 260 193 145	1306 857 627 487 390	2336 1543 1142 899 733	3659 2425 1804 1428 1174
			L, м.

Как видно из таблицы, при глубине залегания 50-75 м. возможности картирования верхней границы реликтовой мерзлоты методом отраженных волн крайне ограничены.

При глубине залегания 100 м. и более может возникнуть ситуация, когда на полевых сейсмограммах будут надежно прослеживаются как отраженные, так и преломленные волны от кровли мерзлого слоя.

Аналогичными расчетами можно определить диапазон прослеживания волн для зоны малых скоростей.

Анализ проведенных расчетов позволяет сделать вывод о том, что применяемые в настоящее время системы полевых наблюдений (шаг пунктов приема 50 м., шаг пунктов возбуждения 50-100 м.) обеспечивают немалый объем информации для изучения ВЧР.

Поэтому рекомендуется рассматривать три направления работ по изучению ВЧР: одно направление - совершенствование системы на основе обычно применяемых средств, второе - применение дополнительных систем приема сигналов, третье - отдельное независимое от основного процесса изучение ВЧР.

Для выбора системы приема необходимо на основании анализа априорной модели ВЧР оценить ожидаемые искажения волнового поля и произвести, пользуясь приведенными соображениями, расчет приемной системы, обеспечивающей выделение и прослеживание отраженных и преломленных волн, характеризующих строение ВЧР.

3.1.3. Система полевых наблюдений без дополнительной приемной системы.

В обычно используемой системе наблюдений с применением вибрационных источников шаг приемных каналов 50 м., база группы приемников (источников) от 22 до 45 м., шаг пунктов возбуждения 50-100 м.

Система может обеспечить учет влияния реликтовой мерзлоты в южной геокриологической зоне и в южных районах центральной геокриологической зоны методом отраженных волн при глубине кровли ММП более 100 м. и методом преломленных волн при глубине кровли ММП менее 100 м.

Возможен учет толщи ММП путем замены слоя с использованием времен и эффективных скоростей отражающего горизонта, залегающего в непосредственной близости от нижней границы мерзлоты.

Поправки за ЗМС могут быть оценены по головной волне, распространяющейся в породах подстилающих ЗМС.

Скорость в ЗМС не определяется.

Для повышения точности вибросейсмических работ без применения дополнительной приемной системы рекомендуются следующие мероприятия, каждое из которых может быть выполнено независимо от других:

• уменьшение баз группирования приемников и вибраторов до 22-26 м. с целью уменьшений искажений параметров волн, характеризующих ВЧР;

• шаг пунктов возбуждения 50 м. для обеспечения высокой кратности прослеживания волн ВЧР;

• уменьшение шага приемных каналов до 25-30 м. с целью повышения надежности и точности прослеживания волн и оценки параметров ВЧР;

• отказ от продольных выносов пункта возбуждения с целью повышения информативности ближнего диапазона удалений;

• повышение точности и достоверности контроля боковых выносов пунктов возбуждения от линии приема сигналов с целью повышения точности определения кинематических параметров волн.

3.1.4. Системы полевых наблюдений с применением дополнительных приемных систем.

Основная цель применения дополнительных приемных систем - повышение точности оценки параметров ВЧР.

Наиболее простым и доступным решением является дополнительная приемная система, обеспечивающая повсеместное определение скорости прямой волны в самом верхнем слое (в слое ЗМС) и скорости головной волны в подстилающем ЗМС слое.

Такая система решается изобретением по заявке № 2000101328 от 11 апреля 2000 г. “Генератор сейсмических волн”.

Суть изобретения состоит в том, что сейсмический вибратор снабжается сейсмоприемниками подвижно соединенными с транспортным средством вибратора и автоматическим устройством приема сигналов, информационные входы которого соединены с сейсмоприемниками, а вход управления соединен с устройством управления вибратором.

В зависимости от решаемых задач выбирается набор расстояний для установки сейсмоприемников.

Для определения лишь скорости в ЗМС достаточно установки приемников с шагом 1-3 метра на расстояниях от 1 до 40 м. от плиты вибратора. Для корреляционного прослеживания головной волны общая длина приемной линии увеличивается с шагом приемных каналов 4-6 м. на величину удвоенного шага пунктов возбуждения и может составлять 120-140 м. для шага ПВ 50 м.

Для установки и транспортировки приемников может быть использована буксируемая сейсмическая коса по патентам РФ № 2096811 и № 2092873.

В качестве автоматического регистратора может быть использован блок регистрации в герметичном амортизированном корпусе, работающим при температуре от - 40 до + 50 град. С. (предлагается ООО “Специальные сейсмические системы”, г. Саратов)

Дополнительная система устанавливается на последнем по ходу вибраторе.

Для более сложных поверхностных условий, а также для выполнения работ 3D, рекомендуется применение двух разобщенных дополнительных приемных систем. Одна из них, связанная с вибратором, служит для повсеместного определения скорости прямой волны в верхнем слое. Длина приемной линии этой установки не превышает 80 м., наиболее вероятная длина 40-50 м. с шагом каналов 1-2 м. Регистратор 24-канальный. Вторая дополнительная приемно-регистрирующая система базируется на отдельном транспортном средстве и служит для регистрации прямых и отраженных волн ВЧР.

Вторая приемная система располагается на оптимальных для обозначенных целей расстояниях от пунктов возбуждения (150-350 м.) Она должна быть снабжена автоматическим регистратором, аналогичным первому, и генератором сигнала развертки, работающим синхронно с генераторами вибраторов.

Длина приемной линии должна быть не менее удвоенного шага пунктов возбуждения, что обеспечивает однократное прослеживание волн ВЧР.

Дополнительная приемная система может располагаться как впереди вибраторов, так и позади, в зависимости от условий.

При расположении дополнительной приемной системы впереди предоставляется возможность по визуальной оценке записи первых вступлений и отражений прогнозировать характер поверхностных условий и оперативно корректировать работу группы вибраторов.

Применение двух разобщенных приемных систем ограниченной длины обеспечит оперативное маневрирование при выполнении работ 3D и повышение точности определения параметров ВЧР за счет оптимального размещения дополнительной приемной системы.

3.1.5. Изучение параметров ВЧР независимо от основного процесса сейсморазведки.

Независимое изучение параметров ВЧР является общеизвестным.

Преимущество независимой технологии состоит в том, что исключается влияние на производительность основного дорогостоящего процесса, обусловленное необходимостью согласованной работы нескольких регистрирующих устройств и транспортных средств, а также обеспечивается возможность предварительного изучения и учета параметров ВЧР.

Однако, имеется и ряд недостатков, включающих:

• необходимость дополнительного источника для возбуждения сигналов;

• возможность появления ошибок совмещения данных, получаемых независимыми аппаратурными средствами.

При независимом изучении параметров ВЧР может быть использован как вибрационный, так и импульсный невзрывной источник. Импульсный источник предпочтительней, т.к. в отсутствии корреляционных помех обеспечивается более надежное прослеживание волн в первых вступлениях.

Схема работ и состав комплекса зависят от поставленной задачи. Например, для изучения ЗМС достаточно одной приемной системы длиной 150-250 м. в зависимости от шага ПВ и требований к кратности прослеживания головной волны.

Если кроме ЗМС необходимо изучить строение мерзлой толщи, то приемная система должна состоять из двух частей. Первая часть, связанная с источником, служит для изучения параметров ЗМС. Длина приемной линии - до 140 м. Вторая часть, независимая от источника, базируется на отдельном транспортном средстве и располагается на оптимальном от источника расстоянии для регистрации головных и отраженных волн от границ ВЧР. На второй части целесообразно применить группирование приемников на базе равной шагу приемных каналов. Длина приемной линии второй части может быть близкой к половине максимальной глубины исследований, что составляет около 250 м. При длине косы 250 м. и шаге ПВ 25 м. можно получить 5-кратное прослеживание волн от границ ВЧР.