МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КОМПЛЕКСНЫМ СЕИСМОГЕОЛОГИЧЕСКИМ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРТАТИВНЫХ СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХ УСТАНОВОК

ИЗДАНИЕ ВИА Москва — 1969

Кандидат технических наук Г. Н. НАЗАРОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КОМПЛЕКСНЫМ СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИМ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРТАТИВНЫХ СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХ УСТАНОВОК

Под редакцией доктора технических наук профессора А. К. СЫЧЕВА

ИЗДАНИЕ ВИА М о с к в а — 1969

В нижней среде подобная проходящая волна распространяется параллельно границе R по направлению луча ДЕ. Такой тип проходящей волны называется скользящей волной. Скользящая волна по мере своего распространения возбуждает в верхней среде вторичные волны, называемые преломленным и (или головными) волнами.

На поверхности земли преломленная волна регистрируется, начиная с точки М, называемой начальной точкой, образуе-мой пересечением первого луча ДМ преломленной волны с дневной поверхностью. Пространство в радиусе М от точки О, т. е. зона ОМ, для преломленной волны является мертвой зоной. На всех точках внутри нее первой регистрируется прямая волна. Она же продолжает приходить первой и еще на некотором протяжении профиля вправо от точки М, регистрируясь совместно с преломленной волной, приходящей в те же точки профиля с некоторым запаздыванием.

О волнах, приходящих в точку приема первыми, говорят, что они приходят в первых вступлениях. О волнах, приходящих вторыми и следующими, говорят, что они приходят в последующих вступлениях.

Итак, на поверхности земли наблюдаются три типа волн: прямые (ОА), отраженные (OBL и ОШ и др.) и преломленные [ОДЕР и др.). Прямые волны, распространяясь вдоль дневной поверхности, несут информацию о свойствах только верхней среды. В большинстве же случаев основной интерес представляет глубинная часть разреза. Для ее изучения могут использоваться отраженные и преломленные волны, проникающие в глубь исследуемой толщи горных пород.

В зависимости от типа используемых волн различают два основных метода сейморазведки: метод отраженных волн (МОВ) и метод преломленных волн (МПВ). Малогрубинная сейсморазведка с одноканальной аппаратурой, как правило, проводится по методу преломленных волн, так как такая аппаратура предназначена для регистрации времен первых вступлений.

Метод преломленных волн. Исследования с одноканальной сейсмической установкой обычно проводятся по следующей схеме. В заранее выбранной точке дневной поверхности, называемой пунктом возбуждения (ПВ), ударным способом возбуждаются упругие волны. Регистрируются времена пробега первых из них от ПВ до точек дневной поверхности, расположенных на заранее намеченном профиле. По значениям этих времен строится график зависимости времени пробега волн от расстояния вдоль дневной поверхности, называемый годографом. Годографы первых вступлений являются основным первичным материалом малоглубинной сейсмической съемки с одноканальной аппаратурой. Анализируя годографы, получают данные о строении исследуемого геологического разреза, а также о типе и состоянии слагающих его пород.

10

При наличии в разрезе нескольких преломляющих границ, годограф или, точнее — ветвь годографа, представляет собой ломаную линию, состоящую из отдельных отрезков (рис. 2), которые соединяются в точках, называемых точками перелома годографов (ТП).

Первый отрезок, выходящий из начала координат, является годографом прямой волны. Последующие отрезки — годографы волн преломленных на первой, второй и последующих преломляющих границах. В зависимости от мощностей слоев в исследуе-

Рис. 2. Вид годографа для разреза с несколькими преломляющими границами

мом геологическом разрезе, рельефа их кровли, величин скоростей распространения в них упругих волн изменяется вид годографа: длина отдельных отрезков, их форма, наклон, положение ТП и отрезков годографов.

Скорости сейсмических волн. С годографом тесно связаны такие понятия, как граничная, кажущаяся и средняя скорости.

Граничная скорость (и_г)—скорость распространения скользящей волны вдоль преломляющей границы Обычно v_v бывает выше скорости, измеренной поперек пласта, иначе говоря, в пласте имеет место анизотропия скоростей. Тем не менее, не делая большой ошибки, часто можно пренебречь анизотропией и рассматривать v_T, как скорость волны в слое, не зависящую от направления распространения волны.

Кажущаяся скорость (у*) — скорость перемещения фронта или какой-либо фазы упругой волны вдоль дневной поверхности. Для прямой волны кажущаяся скорость, очевидно, равна

11

истинной. Для преломленной волны кажущаяся скорость в случае, когда преломляющая граница параллельна поверхности наблюдений, равна граничной скорости.

Между о*, скоростью в покрывающей среде и_к, предельным углом i и углом наклона преломляющей границы ф имеются соотношения:

sin (i + <р)

* Sin (i - ср) ’

Средняя скорость (v)—чрезвычайно важное понятие в сейсморазведке. С целью упрощения расчетов в ряде случаев многослойную среду, покрывающую искомую преломляющую границу, можно рассматривать как однородную, характеризующуюся постоянной скоростью. Точное значение этой скорости, называемой средней скоростью, определяется формулой

- _ hy + К +----h h_n .    -

₊    +    к    ’

' ^V2

Для сейсморазведки является справедливым принцип взаимности, согласно которому минимальное время распространения упругой волны между двумя точками среды не зависит от направления распространения, т. е. от того, какая из точек взята как ПВ.

Истинные скорости могут быть уточнены на основании сейс-мокоротажных данных. С ОСУ-1 можно проводить не только наземную съемку, но и наблюдения в неглубоких скважинах — малоглубинный сейсмокаротаж. Полученный материал используется для изучения геологического строения разреза в окрестностях скважины и в качестве дополнительных параметрических характеристик для интерпретации данных, полученных методом преломленных волн.

§ 3. Геологические основы малоглубинной сейсморазведки (с таблицей величин продольных и поперечных скоростей в различных грунтах)

Одним из физических параметров горных пород является скорость распространения в них упругих колебаний. Определяя скорости распространения упругих волн в горных породах, можно получить представление об их литологии и состоянии, а также определить число, глубину и форму геологических границ, являющихся одновременно скоростными границами, проследить пло-12

щадное распространение тех или иных литологических разностей. Решение этих задач, опирающееся, в конечном счете, на величины и соотношения скоростей распространения упругих волн в горных породах, составляет основное содержание сейсморазведки и, в частности, малоглубинной сейсморазведки с одноканальной аппаратурой.

В очень рыхлом почвенном слое скорость может быть значительно меньшей, чем скорость звука в воздухе. На величину пористости пород, а следовательно, и на скорость упругих волн, большое влияние оказывает давление, с ростом которого уменьшается пористость и повышается скорость упругих волн. Эта зависимость особенно отчетливо проявляется в рыхлых породах, залегающих близко к поверхности.

В водонасыщенных рыхлых, породах скорость продольных упругих волн с ростом давления возрастает приблизительно в 4— 5 раз медленнее, чем в сухих и влажных. Скорость продольных упругих волн в рыхлых породах в зависимости от степени их во-донасыщенности может изменяться в очень широких пределах. В поверхностных слоях при переходе от сухого песка к полностью водонасыщенному скорость продольных волн в нем изменяется от 150—300 м/сек до 1500—1750 м/сек [28]. В породах скального типа( в карбонатных, метаморфических и изверженных) наиболее существенное влияние на скорость распространения упругих волн оказывает их трещиноватость и выветренность.

Если на геологической границе выполняется условие ^>^_к» то она одновременно является и преломляющей границей, что позволяет применить сейсмический метод для выявления геологических границ.

Успех применения малоглубинной сейсмической съемки определяется также протяженностью (не менее 10 м), мощностью преломляющих горизонтов и соотношением соответствующих им скоростей распространения упругих волн. Слишком маломощный преломляющий горизонт (#<Д2Я, где Я—видимая длина волны, Н — мощность преломляющего горизонта) даже при выполнении условия v_t > v_K на его кровле может оказаться пропущенным либо вследствие «выпадения пласта» (см. гл. Ill § 1), либо из-за слишком малой интенсивности образующихся на нем скользящих волн.

Методом первых вступлений при использовании одноканальных сейсмических установок достаточно уверенно выделяются границы между песками и подстилающими их глинами, между суглинками и глинами, между сухими и водонасыщенными песками, между водонасыщенными суглинками или песками и подстилающими глинами.

Скальные породы по значениям скоростей, как правило, могут быть разделены на разрушенные и монолитные.

Есть предпосылки для определения уровня грунтовых вод в трещиноватых скальных породах. В частности, УГВ может быть

13

определен, если без воды скорости продольных волн в них не превышают 2000—2400 м/сек.

Обычно очень хорошо производится картирование кровли скальных коренных пород, перекрытых чехлом четвертичных отложений. При этом можно установить относительную характеристику степени их разрушенности.

При наличии общих данных о литологии исследуемого разреза с помощью малоглубинной сейсморазведки можно уточнить положение слоев тех или иных пород в разрезе, а также проследить их развитие по площади.

По скоростям распространения упругих волн можно давать приблизительную литологическую характеристику отдельных слоев геологического разреза.

Отмечается корреляционная связь между скоростью упругих волн в горных породах и их удельным электрическим сопротивлением, поскольку оба эти параметра зависят от пористости и плотности пород. Изучив эту связь для конкретного района работ, можно успешно комплексировать электрический и сейсмический методы исследования, например экстраполировать данные сейсморазведки на глубину и по площади, вести контроль и привязку сейсмических разрезов по электрокаротажным диаграммам и т. д.

Литологическая привязка скоростных сейсмических разрезов часто затрудняется из-за существенных изменений скоростей распространения упругих волн в грунтах с глубиной (подробно этот вопрос рассматривается в главе IV), тем более, что приведенные в курсах сейсморазведки скоростные характеристики пород обычно получены для толщ, залегающих на больших глубинах.

В таблице 1 характеристики основных грунтов и пород по скоростям распространения упругих продольных v_p и поперечных v_s волн даются для глубин от 2 до 20 ж¹. Эти глуоины наиболее часто используются при инженерно-геологических изысканиях и сейсмическом микрорайонировании. Исследование этих глубин почти всегда может быть выполнено с ударным возбуждением колебаний.

Вследствие большого скачка в значениях скоростей распространения продольных волн при насыщении водой рыхлых и полу-скальных грунтов, их величины в таблице даются раздельно для не насыщенных водой и для водонасыщенных пород, расположенных ниже уровня грунтовых вод (УГВ).

Наиболее характерные пределы скоростей даны в виде минимальных (для глубин 2—5 м) и максимальных (для глубин 15—

20 м) величин. На практике могут иметь место случаи выхода значений v_p и v_s за указанные пределы.

Из представленных данных следует, что даже в пределах указанного узкого интервала глубин характеристика грунтов по скоростям, а следовательно, и литологическая привязка сейсмометрических данных, может быть существенно уточнена за счет приведения имеющихся данных о скоростях распространения упругих волн к определенным характерным глубинам (см. гл. IV, § 1, 2). При сейсмическом микрорайонировании, например, скорости v_p выгодно приводить к глубинам 5 м. Эти значения в таблице даются в скобках.

Следует учитывать, что скорости распространения упругих волн, хорошо коррелируются с показателями крепости и разрабатываемое™ пород. Наличие этих данных позволяет резко сужать пределы значений v_p или v_s, характеризующих тот или иной грунт. В таблице грунты расположены в порядке возрастания их упругих свойств. При этом в качестве предварительной основы для расположения использовалась таблица М. М. Протодьяконова [44], в которой породы расположены по коэффициентам крепости

(/кр) •

Важным физико-механическим параметром грунтов и характеристикой, облегчающей и расширяющей инженерно-геологическую интерпретацию сейсмометрических данных, является величина от-

ношения-, определяющая динамический коэффициент Пуассона

породы р. Из данных, представленных в таблице 1 видно, что совместная интерпретация скоростей v_p и v_s с учетом их соотношения позволяет, например, отличить водонасыщенные рыхлые грунты от скальных и полуокальных.

В целом скорости поперечных волн в рыхлых грунтах в значительной степени определяются их пористостью (см. гл. IV) и хорошо характеризуют жесткость грунтов. Скорости же продольных волн зависят не только от пористости, но и от влажности. Таким образом, по значениям v_p и v_s и их соотношениям можно также судить о жесткости, пористости и влажности грунтов.

Наиболее низкие значения коэффициента Пуассона, а следовало

тельно, и отношения-- характерны для сухих пород. В сухих

^s

и слабо влажных породах значения этих характеристик не снижаются ( как в водонасыщенных^, а повышаются с уменьшением по-

V

ристости и трещиноватости. Отношение — для большинства су-

хих и слабо влажных рыхлых пород и полускальных пород, а также скальных пород любой увлажненности близко к двум. Как сухие (ц=0,25), так и полностью водонасыщенные (р^-0,48) пески

15

Скорости распространения упругих волн и плотности грунтов на глубинах от 2 до 20 м (в скобках даны средние значения на глубине 5 м)

Таблица 1

№ Плотность (объем- Продольные волны, м/сек Поперечные вол Грунты пп. ный вес), т/м3 выше УГВ ниже УГВ ны, м/сек 1 Насыпные грунты, почвенный слой, 1 пески сыпучие, торф (выше УГВ сухие и слабо влажные, /кр-^0,5) 1,25-1,5 150-400 1350-1650 80-200 (1,3-1,45) (250-300) (1450—1500) (135-165) 2 Пески, супеси, разуплотненные лес- сы (выше УГВ слабо влажные, /кр~0,6)....... 1,35-1,6 200-500 1450 • 1700 110-320 (1,4-1.6) (400-500) (1600) (215-250) 3 Пески и супеси плотные (выше УГВ влажные, Ар = 0,6) .... 1,4-1,7 250-750 1500-1800 160-420 (450-550) (1650) (240-300) 4 Суглинки делювиальные и аллюви альные, лессы плотные (выше УГВ влажные, Ар ~~ 0,8) .... 1,5-1,8 400-900 1550-1850 170-400 (550-650) (1700) (240-310) 5 Сильно выветренные и разрушенные скальные породы, мелкий гравий и щебень (Ар'- 1*0) 1,6-2,0 400-1000 1600-1900 200-600 (600- 700) (1750) (300-400) 6 Суглинки моренные, глины (выше УГВ влажные, Ар ~ 1,0) 1,7-2,0 600-1200 1650-2000 200-500 (850-1000) (1900) (300—430) 7 Галечник с неплотным цементирующим заполнителем .... 1,8-2,1 700-1300 1700-2200 400—650 (2000) (500-600) 8 Глины плотные (выше УГВ влажные Ар~ Ь0) . „ . 1,8-2,2 800-1500 1700—2100 350-600 (1050-1200) (1950) (400-500)

Зак. 446

9 Аргиллиты и алевролиты, сланцы и мергели слабые (/кр~1»5) 2,0-2,4 10 Гравийно-галечные грунты плотно-сцементированные (/Кр^2,0) . . 1,9-2,5 11 Ракушечники, туфы пористые, мел, трепел (/кр~2,0) - 1,6-2,4 12 Аргиллиты, алевролиты средней плотности, мергель (/Кр~2,0). . 2,1-2,5 13 Отвердевший (древний) лесс, опоки, известняки, слабые песчаники (ЛР~2,0—3)0) ... ..... 2,0-2,6 14 Мерзлые рыхлые грунты, некрепкие сланцы, плотный мергель (ЛР - 2-3)........... 1,8-2,5 15 Лед (на ледниках, /кр~3,0) . . . . 0,75-0,92 16 Известняки, доломиты, песчаники, конгломераты и брекчии плотные, мрамор (/кр — 6—8) ....... 2,4-2,8 17 Слюдистые, хлоритовые и другие кристаллические сланцы (/кр~Ю) 2,5-2,7 18 Ангидрит, соль каменная 1,9-2,3 19 Граниты, гнейсы, диориты и кремнистые известняки, песчаники, сланцы слаботрещиноватые (невывет-ренные /Кр—Ю-15)......• 2,5—2,8 20 Габбро, базальт и диабаз слабо-трещиноватые (/Кр~ 15-20) . . . 2,65-3,0 21 Кварциты слаботрещиноватые (/кр20) . .......... 2,6-2,9

900-1600 (1150-1300)	1800-2250 (2000)	400-650 (500-600)
1500-2000 (1500-1800)	2100-2500 (2300)	550-1000 (800—900)
1400 - 2200 (1700—1900)	2250-2500 (2350)	750-1100 (900-1000)
1400—2400 (1800-2000)	2050—2500 (2400)	500-950 (700-850)
1500-2600 (1900—2200)	2100-2700 (2400)	800-1400 (ЮСО-1100)
1800-3000 (2100—3400)	—	800-1600 (1000-1300)
2200—3700 (2600-3000)		1000-1800 (1200- 1500)
2400-4000 (2800-3200)	—	1100—2000 (1400-1600)
2600-4500 (3200 -3800)	—	1300-2400 (1600-2000)
2700 - 4700 (3300-4000)		1400-2500 (1650—2100)
3500-5500 (4000-5000)	—	1800-3100 (2500-3000)
4000—6000 (4600- 5200)	—	2100—3500 (2500-3000)
5000- 6500 (5500-60.00)	—	2500—4000 (2800-3600)

и глины характеризуются практически одинаковыми значениями

V

отношений-. Однако выше УГВ глины вследствие своей гигро-

скопичности увлажнены намного сильнее, чем пески, и поэтому

v

характеризуются обычно гораздо большими отношениями -.

По сравнению с приведенными в таблице 1 отмечаются [28] случаи значительного снижения скоростей v_v в водонасыщенных болотистых и песчано-глинистых грунтах. По Г. М. Ляхову [71] скорости в воде и водонасыщеиных грунтах могут снижаться до 2—5 раз и более при наличии в этих средах пузырьков защемленного газа в объемах от 0,01 до 2%. Низкие значения скоростей ниже УГВ в геологических разрезах нами отмечались в пределах зон недавнего повышения УГВ. В связи с этим уровень грунтовых вод по сейсморазведочным данным нередко на 1—2,5 -м оказывается более глубоким, чем наблюдаемый по геологическим выработкам. При наличии глинистых толщ скачок скоростей v_p довольно часто отмечается не на пьезометрическом уровне первого от поверхности водоносного горизонта, а вблизи подошвы глинистой толщи, перекрывающей этот водоносный горизонт. Отмеченные особенности необходимо учитывать как при сейсморазведочных исследованиях верхних водоносных толщ, так и при оценке скоростей v_p в них по табличным данным.

Глава II

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА МАЛОГЛУБИННОИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ

§ 1, Аппаратура и оборудование

В настоящее время для малоглубинной сейсморазведки в основном используется установка ОСУ-1.

Одноканальная сейсмическая установка ОСУ-1 состоит из приспособлений для возбуждения упругих волн, катушки с проводом, сейсмоприемника и регистрирующего устройства.

Возбуждение упругих волн в грунте производится в большинстве случаев ударами тампера — деревянной кувалды с контактным прерывателем на рукоятке. Разрыхление грунта под действием ударов вызывает уменьшение сейсмической эффективности удара. Для повышения эффективности удара могут применяться специальные подставки, которые должны иметь или равный с кувалдой вес или быть несколько (на 10—20%) тяжелее ее.

Электротехническим преобразователем — датчиком, регистрирующим упругие волны, является какой-либо из серийно выпускаемых нашей промышленностью сейсмоприемников (СПЭД-62, СПЗД-56, СПМ-16, СПЭД-56М и др.). Хороший механический контакт сейсмоприемника с мягким грунтом достигается с помощью штыкового наконечника. На твердых грунтах под сейсмоприемник со снятым наконечником рекомендуется помещать тонкий слой увлажненной глины или песка. Следует изолировать сейсмоприемник от сильных порывов ветра, раскачивающих его корпус и присоединенный к нему кабель, так как это создает сильные помехи. С этой целью сейсмоприемник помещают в лунку глубиной 0,2—0,4 м, а выводы проводов с зажимами жестко закрепляют в губчатой резиновой прокладке. Если по условиям работы сейсмоприемник должен перемещаться по профилю, то, во избежание трудоемкой работы по созданию лунок, его можно изолировать каким-либо экраном.

Сейсмическая коса, используемая для связи укрепленного на рукоятке кувалды вибрационного контактного прерывателя с регистрирующим устройством, свивается из двух проводов марки ПВР-0,35 длиной 150—250 м. Коса размечается метками, изготовляемыми обычно из изоляционной ленты или лейкопдасты-2*    19

В работе излагаются нетрудоемкие методы полевых исследований и приемы их камеральной обработки, используемые с целью получения данных о сейсмо-геологических и инженерно-геологических условиях на площадках строительства. Для этого предусматривается комплексирование сейсморазведочных исследований (с применением портативных установок типа ОСУ-1 и ударных способов возбуждения колебаний) с инженерно-геологическими, а также с электроразведкой и ландшафтными методами.

Работа рассчитана как на техников и инженеров-изыскателей, осваивающих инженерную сейсморазведку и принципы комплексирования, так и на инженеров-геофизиков, выполняющих специальную обработку материалов по оценке сейсмических и инженерно-геологических условий.

ря. Метки целесообразно размещать ,на расстояниях: 1, 2, 3, 5, 7, 10, 13, 16, 20 ж от начала косы, далее через 5 ж до 50 ж, а затем чфез 10 ж. При сложных разрезах количество меток может удваиваться или производится их сгущение в местах переломов годографов (ТП).

Регистрирующее устройство ОСУ-1 сконструировано по принципу однолучевого катодного осциллографа с трубкой длительного послесвечения. Устройство приспособлено для целен малоглубинной сейсмической разведки. Его основные технические характеристики даны в прилагаемой к ОСУ-1 инструкции.

В качестве электролита для разрядки аккумуляторов применяется составной электролит-раствор едкого калия ГОСТ 9285—59 марки А или В, плотности 1,19—1,21, с добавкой моногидрата лития — 20 граммов на 1 литр. На этом электролите можно работать в пределах температур от —15° до +35° С. Составной электролит обеспечивает наиболее длительный срок службы аккумуляторов (порядка 750 циклов заряд-разряд). При температуре ниже—15° С аккумуляторы должны работать на растворе едкого калия повышенной плотности: 1,25—1,27.

При зарядке все банки аккумулятора соединяют последовательно. Заряд производят от источника постоянного тока. Нормальный ток заряда: 5,5 ампер вначале в течение 6 часов, затем 2,5—3 ампер в течение последующих 6 часов.

После зарядки необходимо проверить вольтметром напряжение на каждой из банок. При отсутствии напряжения на какой-либо из банок — подзаряжать ее еще несколько часов. Если напряжение не появится — банку необходимо заменить.

§ 2. Регистрация сейсмических колебаний при наблюдениях с ОСУ-1

При работе на установке ОСУ-1 сейсмический сигнал, регистрируемый сейсмоприемником, наблюдается в виде вертикальных отклонений луча на экране электронно-лучевой трубки с длительным послесвечением люминофора. Горизонтальная (временная) развертка этого луча с заданной скоростью начинается непосредственно в момент удара кувалды, возбуждающего упругие колебания в грунте. Для этой цели на рукоятке кувалды установлен специальный прерыватель, соединенный проводом с устройством ждущей развертки осциллоскопа.

Время прихода сигнала отсчитывается на экране на основании измерения расстояния между началом развертки луча (ударом) и изображением этого сигнала. Для этого предусмотрено специальное устройство отсчета времени в виде потенциометра со шкалой, при повороте ручки которого луч на экране осциллоскопа перемещается в точку начала координат.

Поскольку при работе с ОСУ-1 четко наблюдаются преимущественно первые вступления, то обычно регистрируются прямая и 20

ВВЕДЕНИЕ

В работе излагается методика сейсмогеологических и инженерно-геологических исследований с портативными сейсморазведочными установками в комплексе с различными геофизическими и ландшафтными методами. В методике учтены задачи изысканий, проводящихся на участках строительства сооружений, рассчитываемых на действие динамических нагрузок.

В первых главах рассматриваются вопросы сейсмической съемки малых глубин с применением простейших средств сейсмической разведки, а также методика обработки полевых материалов и их геологической интерпретации. При этом в качестве примера рассматривается работа с одноканальной сейсмической установкой типа ОСУ-1. В сжатой форме изложены физические и геологические основы сейсморазведки. При освещении этих общих для сейсморазведки малых глубин вопросов (гл. II, III и отчасти гл. I) использованы материалы, содержащиеся в «Методических указаниях по применению сейсмических методов...» ВНИИТС [68] и в другой литературе по сейсморазведке [14, 16]. В новом аспекте изложены лишь отдельные вопросы этих глав (о скоростных характеристиках грунтов, о сейсмологических задачах, решаемых с помощью методов малоглубинной сейсморазведки, об исследованиях с использованием поперечных волн).

В главах IV—VI рассматриваются вопросы взаимосвязи различных физических параметров грунтов и принципы комплексиро-вания сейсморазведки, включая глубинную сейсморазведку, с другими методами геологических исследований, таких как инженерногеологические, электрометрические и ландшафтные. Такая комплексная методика позволяет получать наиболее детальные представления о сейсмогеологических и инженерно-геологических условиях района при наименьших затратах труда и времени.

Отмеченные новые методические положения разработаны на основании результатов опытно-производственных исследований, проводившихся сотрудниками М. П. Климова, часть из которых выполнена с участием ВИА им. В. В. Куйбышева. Рассматривае-

3

мые в «Указаниях» закономерности изменений скоростей распространения упругих волн с глубиной, способы их оценки по упругим инженерно-геологическим параметрам и некоторые вопросы сейсмического районирования излагаются впервые. На основании этих новых положений даются некоторые рекомендации по расширению роли малоглубинной сейсморазведки при получении сейсмо-геологических и инженерно-геологических данных.

Решение этих вопросов позволяет более широко внедрять малоглубинную сейсморазведку с ее недорогостоящей, простой в эксплуатации портативной аппаратурой в производство. Комплекси-руя этот метод с другими высокопроизводительными методами инженерно-геологической разведки, представляется возможным существенно сократить значительные объемы трудоемких исследований, выполняемых с применением бурения и сейсморазведки с многоканальными станциями и взрывными способами возбуждения колебаний.

В рекомендуемом комплексе методов большое значение имеет использование данных электроразведки и ландшафтных методов. Применение электроразведки позволяет до минимума сократить основной недостаток сейсморазведки с ударным возбуждением колебаний — ее малую глубинность исследований. Применение ландшафтных методов значительно повышает возможности экстраполяции по площади данных о скоростях упругих волн и данных о других физико-механических параметрах грунтов.

Применение сейсморазведки с многоканальными станциями и взрывным способом возбуждения колебаний «Указаниями» предусматривается в сокращенных объемах и при сложной сейсмогео-логической обстановке. Методика, этих исследований не рассматривается, поскольку она достаточно детально описывается в «Инструкции по проведению инженерной сейсмической разведки участков строительства объектов МО» [69] и, кроме того, содержится в общеизвестных инструкциях и работах [14, 16, 37, 63, 64].

Вопросы организации комплексных сейсмологических и инженерно-геологических изысканий с применением портативных установок и требования к таким изысканиям изложены в отдельном инструктивном документе [70] и в настоящей работе рассматриваются лишь в самых общих чертах.

Работа предназначена для техников и инженеров-геофизиков, а также для геологов, участвующих в комплексных геолого-геофизических исследованиях, т. е. для специалистов различных направлений и различного уровня квалификации по сейсморазведке. Поэтому наряду с новыми методическими положениями, необходимыми для геофизиков, в ней рассматриваются основы сейсморазведки, а также простейшие приемы полевых исследований и интерпретации результатов.

Параграф 2 главы VI написан автором совместно с инженером-геоботаником Н. В. Беляевой. В обобщении материалов полевых наблюдений и техническом оформлении указаний принимал уча-4

стие руководитель группы Ю. А. Козлов и другие сотрудники геологического отдела М. П. Климова.

Автор приносит глубокую благодарность профессору доктору геолого-минералогических наук В. В. Попову и доктору географических наук С. В. Викторову за рецензирование работы и ценные указания по изложению вопросов комплексирования сейсмогеоло-гических исследований с инженерно-геологическими и ландшафтными методами, а также главному специалисту Центрального треста инженерно-строительных изысканий В. А. Шемшурину за тщательное научное редактирование предварительного варианта настоящей работы.

Глава I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ,

ЕЕ ЗАДАЧАХ И ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВАХ

§ 1. Общие сведения о сейсморазведке и решаемых ею задачах

Сейсмические методы разведки основаны на изучении особен-ностей распространения в Земле искусственно возбуждаемых уп-руп4х волн. Эти методы нашли широкое применение при поисках и разведке месторождений нефти и газа, приуроченных обычно к геологическим толщам, залегающим на больших глубинах. Для решения этих вопросов применяются смонтированные на автомашинах многоканальные сейсмические станции, сложные по устройству и требующие для обслуживания высококвалифицированного персонала. Упругие волны в исследуемом геологическом разрезе при этом возбуждаются при помощи взрывов.

Разведка малых глубин с помощью многоканальных сейсмических станций и взрывного возбуждения колебаний экономически невыгодна. Этим можно объяснить сравнительно небольшие объемы малоглубинных сейсморазведочных работ, проводящихся, в частности, для решения вопросов инженерной геологии. Такое положение в существенной степени может быть исправлено с появлением недорогой и простой в эксплуатации портативной сейсморазведочной аппаратуры.

За последние годы завод Казгеофизприбор освоил разработанную МГУ и ВСЕГИНГЕО одноканальную сейсмическую установку ОСУ-1 и приступил к ее серийному выпуску.

По сравнению с другими инженерно-геологическими и тем более сейсморазведочными методами производительность малоглубинной сейсморазведки с ОСУ-1 очень велика. Не менее заманчивой является простота полевых наблюдений и интерпретации получаемых данных. Сейсморазведка с одноканальной аппаратурой, кроме этого, является одним из дополнительных элементов комплекса методов инженерно-геологических исследований, базирующимся на динамических упруго-жесткостных параметрах грунтовых толщ. Получаемые с помощью сейсморазведки сведения об этих параметрах являются исходными для расчетов сейсмического воздействия на сооружения и позволяют оценивать несущую способность и другие важные инженерно-геологические характеристики оснований сооружений.

6

С помощью малоглубинной сейсморазведки представляется возможным решить следующие инженерно-геологические задачи:

а)    определение геометрии верхних слоев геологического разреза с выделением кровли коренных пород под рыхлыми отложениями [2, 16];

б)    расчленение толщи слоев по величине скоростей упругих волн с оценкой мощностей выделяемых слоев и прослоев и установлением характеристики их литологии с прослеживанием границ, на которых происходит возрастание скоростей упругих волн;

в)    определение глубины уровня подземных вод в рыхлых отложениях и оконтуривание области распространения водоносной толщи, включая верховодку [1, 28];

г)    выявление и прослеживание разрывных дислокаций и зон трещиноватости под покровом наносов с оценкой их преобладающего направления;

д)    определение положения границы раздела между выветренными и неразрушенными скальными породами [37];

е)    поиски и разведка месторождений строительных материалов с предварительной оценкой некоторыхсвойств этих материалов;

ж)    выполнение быстрой оценки динамических модулей упругости и других физико-механических характеристик грунтов и месторождений строительных материалов, включая разрабаты-ваемость и сопротивление раздавливанию [37, 59];

з)    изучение сейсмогеологического строения местности с определением скоростных характеристик грунтов для сейсмического микрорайонирования [25, 29];

и)    изучение оползней с выявлением поверхностей скольжения, зон переувлажнения грунтов и др.;

к)    поиски погребенных русел древних рек [16];

л)    выявление талых зон в многолетнемерзлых породах [7].

Комплексное применение малоглубинной сейсморазведки с

другими методами, как будет показано, позволяет значительно расширить ее возможности для оценки скоростей распространения упругих волн в геологических толщах на более значительных площадях и глубинах и решать достаточно сложные вопросы сейсмического микрорайонирования [13, 25, 35].

§ 2. Сейсмические волны и особенности их распространения (с таблицей величин продольных и поперечных скоростей в различных грунтах)

Сейсмические волны. Если в какой-либо точке поверхности Земли произвести удар или взрыв, то от точки приложения такого механического импульса во все стороны начнут распространяться упругие колебания, называемые сейсмическими волнами. В зависимости от характера колебания частиц породы различают несколько типов сейсмических волн:

а) продольные объемные волны или волны сжатия — растяжения;

7

б)    поперечные объемные волны или волны сдвига;

в)    поверхностные волны, возникающие на границах разделов сред с различными упругими свойствами.

Каждый из этих типов волн обладает своей скоростью распространения, различной для разных пород. Вся совокупность волн от данного механического импульса, если они не резделены, образует так называемый цуг колебаний. Так же называется совокупность колебаний от каждого отдельного типа волн.

В малоглубинной сейсморазведке используются в основном объемные продольные, реже поперечные волны.

Поверхность, отделяющая область колебаний от области, где колебания еще не начались, называется передним фронтом сейсмической волны. Поверхность, отделяющая область колебаний от области, где колебательный процесс уже кончился, называется задним фронтом волны. Направление, перпендикулярное фронту волны, называется сейсмическим лучом. Лучи представляют собой линии, вдоль которых происходит распространение волн.

Видимым, или преобладающим периодом сейсмической волны Т называется промежуток времени, разделяющий два ближних экстремума одинаковой полярности.

Видимая частота f связана с видимым периодом колебаний Соотношением

и измеряется в герцах (гц), т. е. числом периодов в секунду.

Видимой, или преобладающей длиной волны % называется произведение скорости распространения упругой волны в данной среде v на видимый период 7\

l =    (2)

Поверхности, с которыми совпадает фронт волны в различные моменты времени, называются изохронами. Совокупность изохрон, принадлежащих данной волне, называется семейством изохрон. Область среды, в каждой точке которой определено время прихода волны, называется полем времен.

При одновременном распространении двух или нескольких волн в пределах одной и той же области среды имеет место наложение, или интерференция волн. При интерференции величина смещения каждой точки среды в каком-либо направлении является равнодействующей смещений, вызываемых каждой из волн в отдельности. В условиях интерференции соблюдается принцип суперпозиции; каждая из волн распространяется независимо от других.

При описании процессов распространения сейсмических волн пользуются понятиями как сейсмических фронтов, так и сейсмиче-8

ских лучей. Предпочтение отдают сейсмическим лучам из-за простоты их изображения.

Возникшая при взрыве или ударе упругая волна распространяется во все стороны от пункта возбуждения О (рис. 1). Среди ее лучей есть луч, направленный вдоль дневной поверхности (О А), а также лучи, падающие на границу R под разными углами: (ОВ)₇ (ОД), {01). Луч О А указывает направление распространения прямой волны вдоль дневной поверхности. Луч ОВ, падающий на границу R под углом г, дает два новых луча: ВС и BL. Это означает, что падающая волна при встрече с границей преобразуется

в две новые волны:    проходящую    и    отраженную.    На

правление луча ВС, указывающего путь проходящей волны в нижней среде, определяется известным законом преломления

sin i __ v_x sin a v_t

где i —угол падения луча;

а — угол преломления; v_t и v₂ — скорость распространения упругих волн в верхней и нижней средах.

Лучи 01 и /Я с углами падения Я указывают путь падающей и отраженной волн.

Луч ОД, имеющий особо важное значение в сейсморазведке, падает на границу R под углом i_np, называемым предельным, или критическим углом. При таком угле падения угол преломления а=90° и закон преломления принимает вид

sin /_пр = — = — sin й,₂.    (4)

Vo

9

1

Здесь и ниже скорость распространения упругих продольных и поперечных волн, как это принято обычно в сейсморазведочной литературе, обозначается как Vp и v_s. Эти обозначения следует отождествлять с ао и Ьц, принятыми в специальной литературе по вопросам сейсмического воздействия [9, 69, 70], не смешивая их со скоростями упруго-пластических волн, обозначаемыми как а\ и Ь\.

14