Геофизические исследования и сейсмическое микрорайонирование территории Джубгинской ТЭС по материалам ЗАО "СевКав ТИСИЗ"

В результате расчетов в таблице 5 приводятся максимальные значения характеристик грунтов по спектральным особенностям.

Таблица 5 - Характеристики грунтов по спектральным особенностям [1]

№	Спектральные характеристики	Спектры реакций	Коэффициент динамичности	Расчетная акселеро- грамма
модели	Umax, ед.	T, с	RA max, cм/с2	Т,с	max, ед.	T,c	а max, cм/с2	Iмтс, балл
1	7.11	0.10	1204	0.10 - 0.30	3.40	0.10-0.30	354	-0.03
2	4.54	0.10	1158	0.30	3.15	0.30	367	0.02
3	6.37	0.10	1202	0.10 - 0.30	3.35	0.10 - 0.30	359	-0.01
4эт	6.30	0.10	1194	0.10 - 0.30	3.30	0.10 - 0.30	362	0
Примечания: Umax , RA max , аmax , max - максимальные амплитуды соответствующих графиков; Т - периоды максимумов; 4эт - эталонный разрез.

Расчет приращений сейсмической интенсивности по расчетным акселерограммам проводился по отношению к максимальному значению ускорения для эталонного разреза (модель 4эт), равному аmaxэ= 362 см/с2 - для объектов повышенного уровня ответственности. Полученные значения входят в интервал значений ускорений грунта, соответствующего 8 баллам по п.8.54, табл. 14 СНиП 2.05.06-85*, п. 2.2 СНиП II-7-81*, вып. 2000 [1].

Приращения сейсмической интенсивности рассчитаны относительно эталонного разреза, 4эт по формуле: Jмтс=3.3 lg аi/аэ.

Основные характеристики сейсмических воздействий на исследуемом объекте при возможных опасных землетрясениях в районе по данным расчетного метода имеют следующие значения для строительства объектов повышенного уровня ответственности: аmax=354 - 367 см/с2, Таmax= 0.10 - 0.30 с, при повторяемости события 1 раз в 1000 лет.

Коэффициент динамичности грунтов, слагающих площадку изысканий =3,15 - 3.40 [1].

Таким образом, полученные значения максимальных ускорений для расчетных типовых разрезов, по величине близки и находятся в пределах нормативных значений, рекомендуемых для грунтов II категории по сейсмическим свойствам [1].

2.2.4 Сейсмическая опасность

Грунты, слагающие площадку, считая от естественной поверхности, согласно табл.1 СНиП II-7-81*, вып. 2000 относятся ко II и III категориям по сейсмическим свойствам [1].

В основу оценки сейсмичности района работ положены следующие принципы:

1. Фоновая сейсмичность района в соответствии с работами по уточнению исходной сейсмичности (УИС) повышенного уровня ответственности - 7.7 баллов. Значения исходной сейсмичности относятся к грунтам со «средними» по сейсмическим свойствам, т.е. ко II категории.

2. В качестве эталонного приняты «средние» грунты, относящиеся ко II категории по сейсмическим свойствам согласно табл. 1 СНиП II-7-81* [1].

3. Приращения сейсмичности, рассчитанные для грунтов, слагающих площадку, относительно эталонного грунта с учетом их обводненности составили -0.51 - 0.52 балла.

4. Количественные характеристики прогнозируемых сейсмических воздействий: аmax=354 - 367 см/с2, Таmax= 0.10 - 0.30 с. Повторяемость такого сотрясения 1 раз в 1000 лет, что соответствует 5% вероятности превышения расчетной интенсивности в течении 50 лет [1].

По результатам совместного анализа всего комплекса данных (инженерно-геологических, инструментальных геофизических исследований) с учетом исходной сейсмичности, определенной по специализированным исследованиям по уточнению фоновой сейсмичности (УИС) для объектов массового строительства, площадка характеризуется сейсмической интенсивностью 7.7 баллов. Для объектов повышенного уровня ответственности с учетом исходной сейсмичности, определенной по специализированным исследованиям по уточнению фоновой сейсмичности (УИС), площадка характеризуется сейсмической интенсивностью 7 и 8 баллов. Причиной увеличения фоновой сейсмичности являются как низкоскоростные грунты, так и высокий уровень грунтовых вод. Возможность подтопления территории так же является неблагоприятным фактором.

При освоении таких участков нужно учитывать не только сейсмическую опасность, связанную с сейсмическими свойствами грунтов, но и влияние указанных неблагоприятных факторов.

При этом следует принимать дополнительные меры по укреплению и усилению оснований и конструкций сооружений.

В тех случаях, когда в процессе производства инженерных изысканий на площадках строительства конкретных сооружений, расположенных в границах объекта, будут выявлены не учтенные ранее факторы, способные повлиять на сейсмичность (наличие локальных неоднородностей, длительное воздействие техногенных факторов и т.п.) следует провести дополнительные работы по уточнению сейсмичности.

2.3 Выводы

1) Задачей геофизических исследований являлось уточнение сейсмичности участка работ по методу сейсмических жесткостей. Для решения поставленной задачи использовался корреляционный метод преломленных волн (КМПВ). В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась 24-канальная 24-разрядная цифровая сейсмостанция «Лакколит-24 XM2». Для регистрации сейсмических сигналов использовались сейсмическая коса СМ-24 и сейсмоприемники GS-20DX.

2) В результате исследований на участке «Джубгинская ТЭС» уточнена расчетная сейсмичность площадки проектируемого строительства с учетом уровня ответственности сооружений - СЕМЬ и ВОСЕМЬ баллов.

3) Метод КМПВ является эффективным, но его не достаточно для объективного изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий, в связи с чем возникает необходимость применения методов различной физической природы и их комплексирования.

3. Комплекс геофизических методов изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности

Изложенный в предыдущей главе комплекс геофизических методов является типовым. Здесь же будет предложен рациональный комплекс методов изучения инженерно-геологических и сейсмогеологических условий.

3.1 Комплекс методов изучения инженерно-геологических условий

3.1.1 Задачи, решаемые при изучении инженерно-геологических условий

Современное развитие геофизики позволяет решать довольно сложные задачи. За более чем полувековой период существования этой относительно молодой науки она вооружилась большими знаниями, позволяющими ей эффективно и с большой точностью решать эти задачи. Эффективность изучения геологической среды инженерно-геофизическими исследованиями во многом определяется грамотной постановкой задачи и правильным выбором комплекса геофизических методов.

Так как объект «Джубгинская ТЭС» особо важный, он нуждается в детальных исследованиях. Ниже приведены задачи, требующие решения:

· детальное расчленение верхней части разреза;

· оценка физико-механических свойств горных пород;

· изучение трещиноватости и нарушенности массива;

· выявление пластичных грунтов;

· изучение гидрогеологических условий (условия залегания подземных вод);

· изучение геологических и инженерно-геологических процессов и явлений (карст, суффозия, оползни и др.)

Задачи, выше перечисленные, решаются при помощи использования рационального комплекса геофизических методов, который может включать методы сейсморазведки (МПВ,), электроразведки (ЕП, ВЭЗ, СЭЗ и др.), скважинной геофизики и др.

3.1.2 Комплекс геофизических методов изучения инженерно-геологических условий

С оптимальной точки зрения для изучения инженерно-геологических условий объекта помимо сейсморазведочных методов необходимо включать методы электроразведки. В комплексе с сейсмическими методами они повысят детальность исследований.

Сейсморазведку активно применяют при изучении инженерно-геологических условий, связанных с проектированием и строительством крупных инженерных сооружений.

Ввиду повышенных требований к детальности исследований при малоглубинной сейсморазведке точки регистрации колебаний располагают по профилям с небольшим шагом от 1-2 до 5-10 м. Для возбуждения колебаний часто используют удары механических устройств или ручной кувалды, в том числе - боковые удары для возбуждения поперечных волн типа SН. Отраженные волны этого типа позволяют изучать самые мелкие сейсмические границы, которые не удается прослеживать по продольным колебаниям из-за наложения сильных релеевских волн-помех.

При инженерно-геологических изысканиях ослабленные зоны в коренных породах могут быть выявлены по характеру распределения сейсмических скоростей и динамическим особенностям записей. Целесообразно изучать затухание как продольных, так и поперечных волн, поскольку последние обычно сильнее ослабляются в зонах трещиноватости. Совместное наблюдение волн обоих типов позволяет определять модули упругости пород. Вычисляемые по данным сейсморазведки, эти модули называются динамическими в отличие от статических модулей упругости, определяемых методами механики грунтов. В настоящее время достаточно подробно изучена связь между динамическими и статическими модулями упругости, что позволяет надежно прогнозировать механические параметры грунтов по сейсмическим наблюдениям.

При строительстве промышленных зданий и сооружений необходимо знать прочностные (деформационные) свойства грунта. МПВ является одним из основных геофизических методов инженерной геологии при определении глубины залегания коренных пород (мощности зоны выветривания) и их «сохранности» -- прочности. Начиная от дневной поверхности, с глубиной происходит нарастание скоростей распространения упругих волн в породах, часто в виде границ первого рода -- со скачком скорости, поэтому образуются преломленные волны и по ним можно найти значения скоростей распространения продольных и поперечных волн. По значениям скоростей рассчитываются прочностные свойства пород, в частности, модуль всестороннего сжатия, необходимые для выбора глубины заложения и конструкции фундамента. Получение динамических разрезов преломленных волн позволит определять некоторые детали изменения упругих свойств преломляющего пласта по амплитудам волн [8].

Также при изучении инженерно-геологических условий объекта неотъемлемым методом является вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП.) ВСП обеспечивает надежность привязки выделенных на сейсмограммах поверхностных наблюдений волн к конкретным отражающим и преломляющим границам. При ВСП регистрируется вся волновая картина.

Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) проводится при расположении источника и приемников сейсмических колебаний вдоль вертикального профиля, обычно по стволу скважины. При проведении ВСП глубоких скважин специальные зонды, чаще всего с трёхкомпонентными приемниками, помещаются в глубокую скважину, в возбуждение колебаний взрывами проводится в специально пробуренных мелких скважинах.

Вертикальное сейсмическое профилирование или сейсмический каротаж неглубоких скважин (до 100 м) может быть проведен с использованием аппаратуры и оборудования, применяемого для малоглубинных сейсмических исследований. Например: в скважину с жидкостью можно опускать специальный гидрофон (приемник волн давления в воде) подключенный к одному из каналов усиления сейсмостанции, а пункты ударов располагать у устья скважины. После каждого удара (или серии ударов) гидрофон поднимается на 1-2 м. При этом регистрируется вся волновая картина ВСП. В последующем строят вертикальный годограф первых вступлений и определяют средине и пластовые скорости.

Больше информации о разрезе может быть получено при применении трехкомпонентного зонда для приема, и возбуждении как продольных, так и поперечных волн.

Для сейсмического каротажа электроискровым источником излучатель на кабеле опускается в заполненную водой скважину, а прием осуществляется на сейсмоприемнике, установленный у устья скважины, или гидрофон, опускаемый в ту же скважину (обращенный сейсмический каротаж). При этом, перемещение вдоль ствола скважины как источника, так и приемника, а также их вместе, предоставляет широкие возможности для изучения волновой картины во внутренних точках среды. Электроискровой разряд в скважине возбуждает также гораздо более высокочастотные сейсмические колебаний, чем удары по поверхности земли, что тоже является преимуществом таких исследований [8].

В настоящее время разработаны специальные комплексы программ для обработки данных ВСП (например: RadExPro-VSP), позволяющие улучшать прослеживаемость тех или иных типов волн на записях определять средние, интервальные и пластовые скорости, поглощающие свойства пород, строить временные и глубинные разрезы (для прискважинного пространства - при выносных пунктах возбуждения).

Что касается электроразведочных методов, то для инженерно-геологических исследований достаточным будет применение: традиционного метода ВЭЗ, относительно нового метода СЭЗ.

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) - основано на изучении изменения удельного электрического сопротивления горных пород (по вертикали) на глубину. Метод ВЭЗ служит для вертикальной стратификации геологических и гидрогеологических разрезов. Глубина проникновения электрического тока регулируется расстоянием между источником тока и приемником. Она возрастает с увеличением разноса.

Для выполнения ВЭЗ на каждой точке зондирований выполняют серию измерений при последовательном увеличении разноса АВ симметричной четырёхэлектродной установки AMNB (рисунок 12), при этом каждый последующий разнос отличается от предыдущего на 20-50%.

Рисунок 12 - Симметричная четырёхэлектродная установка Шлюмберже [9]

С увеличением разноса АВ плотность тока уменьшается, вследствие чего измеряемый сигнал убывает по амплитуде и может стать соизмеримым с порогом чувствительности аппаратуры. Поэтому технология работ ВЭЗ предусматривает периодическое увеличение разноса приёмной линии MN, которое для контроля качества полевого материала производится с перекрытием по двум точкам [9].

По результатам полевых измерений ВЭЗ строится кривая зависимости кажущегося сопротивления от разноса сk = f(AB/2) и выполняется её интерпретация. В зависимости от числа слоев геоэлектрического разреза и соотношения их удельного электрического сопротивления различают типы геологического разреза. Существует два типа двухслойных геологических разрезов, с проводящим основанием (с2 < с1) и непроводящим основанием (с2 > с1) и четыре типа трёхслойных разрезов, обозначаемых буквами латинского алфавита: A (с1< с2< с3), К (с1< с2> с3), Н (с1> с2< с3) и Q (с1>с2>с3) [9]. Характерные кривые ВЭЗ двухслойных и трёхслойных типов разрезов приведены на рисунке 13.

Рисунок 13 - Типы двухслойных (а) и трёхслойных (б) кривых ВЭЗ: 1, 2 - соответственно графики истинных и кажущихся сопротивлений [9]

Четырёхслойные разрезы по соотношению удельных электрических сопротивлений делятся на 8 типов, которые обозначаются двумя буквами последовательно составляющих их типов трёхслойных разрезов (1-3-й и 2-4-й слои): АА, АК, КН, KQ, НА, НК, QH, QQ. Пятислойные разрезы по соотношению удельных электрических сопротивлений делятся на 16 типов, которые обозначаются тремя буквами последовательно составляющих их типов трёхслойных разрезов (1-3 и 2-4 и 3-5 слои), например, НКН, шестислойные делятся на 32 типа и обозначаются четырьмя буквами последовательно составляющих их типов трёхслойных разрезов (1-3-й, 2-4-й, 3-5-й и 4-6-й слои), например, КНКН и т. д.

Исходя из физических и электрических свойств пород [10], слагающих участок исследований, мною были рассчитаны экспериментальные кривые ВЭЗ (рисунки 14, 15, 16, 17), разрез кажущегося удельного электрического сопротивления и геоэлектрический разрез в программе Ipi2win (рисунок 18). Также мною была дана геологическая интерпретация экспериментальных материалов ВЭЗ по территории «Джубгинская ТЭС»

Рисунок 14 - Кривая ВЭЗ №1 и значения УЭС



Рисунок 15 - Кривая ВЭЗ №2 и значения УЭС



Рисунок 16 - Кривая ВЭЗ №3 и значения УЭС

Рисунок 17 - Кривая ВЭЗ №4 и значения УЭС



Рисунок 18 - Разрез кажущегося удельного электрического сопротивления и геоэлектрический разрез

Геологическая интерпретация материалов ВЭЗ по территории «Джубгинская ТЭС»

ВЭЗ№1 - пятислойная модель. Тип кривой - НКН. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

1-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 0,816м, рк = 144 Ом-м.

2-й слой - отложения водонасыщенных глин. Мощность 0,75м, рк = 23,9 Ом-м.

3-й слой - отложения плотных песчаников. Мощность 1,71 м, рк = 613 Ом-м.

4-й слой - отложения глин. Мощность 2,67 м, рк = 15,3 Ом-м.

5-й слой - плотных песчаных отложений, рк = 370 Ом-м, нижняя граница которых по данным ВЭЗ не устанавливается.

ВЭЗ№2 - четырехслойная модель. Тип кривой - АК. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

1-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 0,436 м, рк = 52,2 Ом-м.

2-й слой - отложения рыхлых песчаников. Мощность 23,3 м, рк = 94,8 Ом-м.

3-й слой - отложения известняка. Мощность 8,33 м. рк = 2193 Ом-м

4-й слой - рк =5,96 Ом-м, нижняя граница которого по данным ВЭЗ не устанавливается, слой влажных глин.

ВЭЗ№3 - четырехслойная модель. Тип кривой - НКН. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

1-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 0,946 м. рк = 120 Ом-м.

2-й слой - слой плотных песчаных отложений. М-сть 0,465 м, рк = 10,8 Ом_м.

3-й слой - отложения мергеля. Мощность 1,68 м. рк = 329 Ом-м.

4-й слой - слой глинистых отложений. Мощность 2,09 м, рк = 12,7 Ом-м.

5-й слой - рк =250 Ом-м, нижняя граница которого по данным ВЭЗ не устанавливается, слой плотных песчаников.

ВЭЗ№4 - шестислойная модель. Тип кривой - НКНК. С геологической точки зрения данную кривую можно интерпретировать следующим образом.

1-й слой - почвенно-растительный слой. Мощность 1,12 м,рк = 38,1 Ом-м.

2-й слой - слой плотных глинистых отложений. М-сть 1,03 м, рк = 16,6 Ом-м.

3-й слой - слой плотных песчаных отложений. М-сть 0,515м, рк = 283 Ом-м.

4-й слой - слой плотных полутвердых глинистых отложений. Мощность 3,37 м, рк = 12,4 Ом-м.

5-й слой - слой кварцево-глауконитовых песчаников. Мощность 7,85 м. рк = 9957 Ом-м.

6-й слой - рк = Ом-м, нижняя граница которого по данным ВЭЗ не устанавливается, слой водонасыщенных песков.

Правая часть 3-й и 4-й кривых осложнена, вероятней всего, помехами. Поэтому, при наличии приповерхностных однородностей, ВЭЗ не всегда дает удовлетворительные результаты.

В простых геологических условиях горизонтально-слоистой среды хорошие результаты дает одномерная интерпретация ВЭЗ, для которой предназначены программы: IPIWin (кафедра геофизики МГУ), RESIX (Interpex) и другие.

Программа IPI2Win может решать одномерные прямую и обратную задачи ВЭЗ для часто применяемых установок на разрезах с контрастом сопротивлений, изменяющимся в широких пределах (от 0.0001 до 10000 для двухслойных моделей).

Прямая задача решается с использованием алгоритма линейной фильтрации. Фильтры получены в лаборатории малоглубинной электроразведки кафедры геофизик Геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Тщательно проверенные фильтры и способ реализация алгоритма обеспечивают быстрое и точное решение прямой задачи для широкого диапазона моделей, пригодных для подавляющего большинства возможных геологических ситуаций.

Для решения обратной задачи используется принцип минимального числа слоев или вариант метода Ньютона минимизации невязки с использованием Тихоновского подхода к регуляризации решения некорректных задач. При регуляризации может использоваться априорная информация о глубинах границ и сопротивлениях слоев. Обратная задача решается независимо для каждой точки ВЭЗ.

Ни в одном методе геофизики неоднозначность количественного решения обратных задач не проявляется так наглядно, как в методе ВЭЗ. Теоретически доказывается, что эквивалентность геоэлектрических разрезов имеет место только в случаях, когда промежуточные пласты обладают весьма малой мощностью, а сопротивления их либо чрезвычайно высоки, либо очень низки. При этом мощность и сопротивление пласта сравниваются с соответствующими параметрами перекрывающих и подстилающих пород.

Однако гораздо большее значение имеет практическая эквивалентность, которая определяется реальной погрешностью полевых измерений сk (около ±5%) и погрешностями при сравнении полевых кривых ВЭЗ с теоретическими. Как показывает опыт, по кривым вертикального электрического зондирования обычно можно найти лишь отношение мощности i-го слоя (hi), входящего в геоэлектрический разрез, к его сопротивлению сk ( продольная проводимость Si=hi/pi) либо их произведение (поперечное сопротивление Ti=hipi), а не сами величины hi и pi раздельно.

Таким образом, для изменяющихся в некоторых пределах значений кривые ВЭЗ практически неразличимы, если соблюдается, в зависимости от типа кривой, одно из условий Si= const или Ti=const. Для второго слоя разрезов типов A и H устойчиво определяется продольная проводимость, в этом случае говорят об S-эквивалентности. Для второго слоя разрезов K и Q устойчиво определяется поперечное сопротивление, T-эквивалентность.

Физически (чисто качественно) эта эквивалентность может быть объяснена следующим образом. При переходе из одного пласта в другой ток стремиться течь в последнем либо вдоль напластования (когда с1>с2<с3), либо вкрест ему (когда с1<с2>с3).Следовательно, в первом случае на распространение тока в промежуточном пласте основное влияние оказывает продольная проводимость, а во втором случае - поперечное сопротивление. Это позволяет утверждать, что допустимо некоторое пропорциональное изменение параметров пласта h2 и с2, если величины S2 или T2 остаются неизменными и не нарушают электрическое поле у земной поверхности, а значит формы кривых ск.

Пределы применимости практической эквивалентности, казалось бы, можно сузить повышением точности наблюдений. Так, если бы средняя погрешность измерений ск при ВЭЗ была тем или иным способом уменьшена от ±(3-5) до ±1%, то можно было бы предположить, что по крайней мере, некоторые геоэлектрические разрезы и отвечающие им кривые сk=f(AB/2), в настоящее время считающиеся эквивалентными, могут быть разрешены. В результате могла появиться возможность раздельного и однозначного определения обоих параметров слоя мощности и сопротивления. Однако такое предположение носит чисто академический характер, так как сколько-нибудь значительному повышению реальной (а не фиктивной) точности измерений будут препятствовать неизбежные искажения, обусловленные помехами.

После 1991 г. во многих странах на смену традиционным ВЭЗ пришла новая методика, "сплошных электрических зондирований" - СЭЗ. Методика СЭЗ возникла, когда стало ясно, что при наличии приповерхностных неоднородностей в разрезе применение методики ВЭЗ дает неудовлетворительные результаты. Все неоднородности можно разделить, на приповерхностные и глубинные. Приповерхностные неоднородности (ППН) обычно не представляют интереса и являются геологической помехой. Глубинные неоднородности, как правило, являются объектом поиска. Однако влияние ППН во много раз сильнее глубинных, так как они расположены ближе к точкам возбуждения и измерения поля, и поэтому аномалии от ППН необходимо удалить перед, интерпретацией.

Искажающее влияние ППН может быть двух типов - искажение неоднородностями, расположенными вблизи измерительных электродов (Р-эффект) и вблизи питающих электродов (С-эффект) [11].

Р-эффект проявляется как вертикальный сдвиг всей кривой и ее сегментов по оси сопротивлений без изменения формы (рисунок 19).

Р-эффект возникает за счет изменения плотности тока jMN над неоднородностью (вблизи приемных электродов) по сравнению с плотностью тока в горизонтально-слоистом разрезе j0 . Сопротивление сk в разрезе выражается формулой:

(1)

где К - коэффициент установки, ?U - напряжение, I - сила тока, сMN - сопротивление измерительной линии, jMN - плотность тока в реальном разрезе; j0 - плотность тока в горизонтально слоистом разрезе. В результате происходит изменение сk на всей кривой ВЭЗ при положении линии МN над неоднородностью.

Рисунок 19 - Р-эффект - вся кривая ВЭЗ над неоднородностью параллельно смещается без изменения формы [11].

Особенности этого эффекта состоят в следующем:

1. Кривая сдвигается вверх или вниз, причем значения увеличиваются или уменьшаются в k раз в зависимости от локального изменения плотности тока вблизи ППН. На разрезе сk Р-эффект проявляется как вертикальная аномалия;

2. Значения кажущегося сопротивления сk теряют связь сист.;

3. С увеличением разноса кажущееся сопротивление не достигает сопротивления нижнего слоя сk (r>?) ? с3.

С-эффект проявляется в виде заметного искажения кривой ВЭЗ на 1-2 разносах (когда питающий электрод попадает на неоднородность) за счет резкого перераспределения плотности тока в разрезе jMN ( рисунок 20).

Рисунок 20 - С-эффект - локальная аномалия при пересечении неоднородности питающим электродом [11]

С-эффект обладает рядом особенностей, которые делают его еще более опасным, чем Р-эффект:

1. Изменяется форма кривой и кажущееся число слоев на ней;

2. На серии кривых ВЭЗ по профилю он проявляется на разрезе сk как слой, наклоненный под углом 45°;

3. При стандартной методике зондирований с 4-х электродной установкой Шлюмберже и логарифмическим увеличения разносов, С-эффект может возникать то от электрода А, то от В. При этом на соседних кривых по профилю этот эффект может проявляться нерегулярно, при попадании питающего электрода на неоднородность;

4. Так как амплитуда С-эффекта меньше амплитуды Р-эффекта, то на разрезах сk он выглядит менее заметным, и, наоборот, хорошо проявляется на псевдоразрезах V-трансформации как наклонная под углом 45° аномалия.

Из анализа искажений кривых вытекает идея сплошных электрических зондирований (СЭЗ), которая состоит в следующем. Так как приповерхностные неоднородности вносят искажения в измерения, то следует минимизировать число попаданий питающих и приемных электродов в эти неоднородности. А поскольку расположение неоднородностей неизвестно, то зондирования выполняют, увеличивая разносы с арифметическим шагом, равным расстоянию между точками измерения на профиле. Это делается для того, чтобы на разных точках ВЭЗ питающие электроды попадали в одни и те же места. Хотя арифметический шаг разносов не согласуется с принципами зондирования горизонтально слоистых сред, в данном случае он необходим для выявления приповерхностных неоднородностей, так как при таком способе измерений искажений от ППН проявляются в поле сk как регулярная помеха.

Полная модель исследования в методе СЭЗ; включает три основных: горизонтально-слоистую среду (сkгсс) и трендовые изменения по профилю (сkРег.гсс), глубинные (сkглуб) и приповерхностные неоднородности в виде Р- и С-эффектов (сkР, сkС), а также некоррелируемый геологический и промышленный шум (сkшум) [11]

сkAMN = сkгсс + сkРег.гсс + сkглуб + сkР + сkС + сkшум (2)

При измерениях СЭЗ можно использовать практически любую аппаратуру постоянного тока. На практике используется электроразведочная станция ЭРА.

Цифровой измеритель может работать на частоте 4,88 Гц (клавишей F устанавливается значение Входное сопротивление измерителя 80 МОм. Измеритель позволяет измерять, разницу напряжений в диапазона от 0,3 мкВ до 2 В при температуре от -10 до +50°С Вес прибора составляет З кг.

Аналоговый генератор напряжения ЭРА или цифровой микропроцессорный генератор ИКИ, работают на частоте 4,88 Гц. Генератор ЭРА позволяет возбуждать стабилизированный ток в виде меандра амплитудой от 2 до 200 мА (выходная мощность 15 Вт). Вес генератора ЭРА 3,7 кг. Генератор ИКИ возбуждает стабилизированный гармонический сигнал с амплитудой в максимуме от 1 до 100 мА.

Кроме этого, для проведения работ используются 20 стальных электродов для питающих линий А и В, 2 латунных электрода для измерительной линии MN, a соединительные провода, катушка для устройства «бесконечности С», 2 кувалды, мерная лента.

При проведении работ по методике сплошных электрических зондирований используют трехэлектродную комбинированную установку AMN+MNB (рисунок 21).

Рисунок 21 - Схема полевой установки сплошных электрических зондирований с неподвижной линией MN и двумя косами А и В [11].

Она предпочтительнее, других установок, так как позволяет разделить, аномалий С-эффекта установки АМN и MNB. Комбинированная установка дает два изображения, в которых горизонтально-слоистый разрез проявляется одинаково, а глубинные неоднородности проявляются по-разному. На каждой точке зондирования приемные электроды MN неподвижны, питающие электроды А и В движутся одновременно в разных направлениях с линейным шагом. Шаг установки по профилю равен шагу по разносам и обычно составляет 3-10м.

В ряде случаев .измерений используются две электроразведочных косы А и В, которые подсоединяются к генератору через специальный коммутатор. Косы укладываются вдоль, профиля наблюдений. Коса А устанавливается сзади на малых пикетах, коса В впереди на больших. «Головы» кос (разъемы) раскатаются в центре всей установки, там, где находится оператор. Измерения начинаются с дальних электродов косы А. После отработки самого дальнего разноса, 10-й электрод передается вперед на косу В. Как только коса А отработана, начинаются замеры с косой В, а голова косы А перетягивается на следующий пикет вперед по профилю. К моменту, когда отработан последний 10-й электрод В, коса А уже должна стоять на новом месте. При этом питающие электроды, кроме последнего на косе А, не переустанавливаются, а процесс укладки кос идет практически непрерывно, независимо от режима работы оператора. Такая технология дает высокую производительность и отличное качество полевых данных. Для обеспечения такой работы требуется четыре человека (оператор, его помощник и два рабочих на косах).

Кривая ВЭЗ изображается как зависимость сk = f(r), так как это удобно для анализа зондирования горизонтально-слоистое структуры. Модель, изучаемая методикой СЭЗ, более сложная. Для каждого ее элемента (глубинных и поверхностных неоднородностей, Р- и С-эффектов и слоистой структуры) должен иметься свой способ визуализации. Для этой цели был создан программный комплекс IPI-2D, позволяющий изображать данные зондирования в разных видах.

1. Разрезы сk для AMN и MNB дают общее представление о разрезе, степени его горизонтальной неоднородности и проявлении Р-эффекта.

2. Производная по разносу (V-трансформация) - эффективна для выявления С-эффекта. Дополнительным приёмом является перенос точки записи от середины MN к питающему электроду А или В, когда шаг по разносам совпадает с шагом по точкам ВЭЗ. В этом режиме С-эффект проявляется в виде строго вертикальных аномалий.

В настоящее время основным инструментом исключения: искажений, вызванных приповерхностными неоднородностями, является программа MEDIAN. Алгоритм построен на принципе статистического разложения (декомпозиции) исходного поля на составляющие его аномалии. На первом шаге для каждой строки таблицы находится ее медиана, и затем она вычитается из каждого значения в строке. На втором шаге та же операция применяется к столбцам таблицы. Затем эти шаги периодически повторяются. В результате мы имеем разложение первоначальных данных на три составляющих "эффекты" строк, столбцов и остатки. Применение алгоритма для обработки данных ВЭЗ имеет свои особенности. Эффект горизонтально-слоистого разреза будет одинаков для всех точек и соответствует "эффекту" строк. Р-эффект будет одинаков для всех разносов в данной точке и проявится в виде "эффекта" столбцов. И, наконец, С-эффект проявляется, в виде линий, наклоненных под углом 450 влево или вправо, в зависимости от типа установки и технологии зондирований. Кроме "эффектов", строк и столбцов в процесс вычислений включили и наклонные линии, соответствующие С-эффекту. Результатом работы алгоритма является разложение исходного поля на несколько составляющих: а) Р- и С-компоненты связаны с положением подвижных и неподвижных элементов установки; б) HL-компонента - отражают влияние горизонтально-слоистой среды; в) некоторые остатки.

Процедура сглаживания заключается в отбрасывании аномалий приповерхностных Р- и С-эффектов, а также случайных ураганных и локальных отскоков. Этап реконструкции состоит в объединении аномалий горизонтально-слоистого разреза и глубинных неоднородностей.

В подавляющем большинстве случаев после MEDIAN можно проводить обычную послойную интерпретацию, предварительно объединив с помощью программы IPI_2D разрезы AMN и MNB в один разрез кажущегося сопротивления для симметричной установки AMNB

сk = Ѕ(сkAMN + сkMNB) (3)

В случае, если в разрезе кажущегося сопротивления наблюдается влияние глубинных неоднородностей, их изображения могут быть получены с помощью D- и R- трансформаций в программе IPI_2D. D-трансформация по сути является разностью между разрезом сkAMN и сkMNB. R-трансформация является производной D-трансформации по координате Х. R-трансформация построена таким образом, что проводникам соответствуют отрицательные, а для высокоомных тел положительные R-аномалии, горизонтальные размеры которых хорошо совпадают с горизонтальными размерами неоднородностей.

В настоящее время сплошные электрические зондирования применяются при решении разнообразных инженерно-геологических задач. Результаты, полученные с помощью СЭЗ, доказали высокую эффективность метода при детальном изучении сложно-построенных геологических разрезов, когда требуется высокая степень ответственности при принятии проектных и инженерных решений. Чисто из технологических ограничений вытекает, что масштаб съемки, при которой достаточно эффективны СЭЗ, составляет от 1:100 до 1:2000. Максимальная глубинность метода не превышает 100 м.

3.2 Комплекс методов изучения сейсмогеологических условий

3.2.1 Задачи, решаемые при изучении сейсмогеологических условий

Землетрясения по своим разрушительным последствиям, числу жертв и деструктивному воздействию на среду обитания человека занимают одно из первых мест среди других природных катастроф.

Предотвратить землетрясения невозможно, однако их разрушительные последствия и количество человеческих жертв могут быть уменьшены путем создания достоверных карт сейсмического районирования, применения адекватных норм сейсмостойкого строительства и проведения в сейсмоактивных районах долгосрочной политики, основанной на повышении уровня осведомленности населения и федеральных органов об угрозе землетрясений и умении противостоять подземной стихии.

При детальном изучении сейсмогеологических условий требуют решения следующие задачи:

· детальное литолого-фациальное расчленение отложений верхней части разреза;

· выявление тектонических трещиноватых и разуплотненных зон;

· оценка модулей упругости горных пород в их естественном залегании;

· идентификация сейсмоактивных структур

· сейсмомикрорайонирование территорий для установления уровня их сейсмической опасности;

· вероятностный расчет и картирование сейсмической опасности.

Решать поставленные задачи необходимо при помощи комплексирования геофизических методов разведки.

Также как и при изучении инженерно-геологических условий, изучать сейсмогеологические условия необходимо посредством сейсморазведки, электроразведки и др.

3.2.2 Комплекс геофизических методов изучения сейсмогеологических условий

При изучении сейсмогеологических условий из сейсмических методов наибольшее значение имеет метод преломленных волн в своей корреляционной модификации. Регистрируемым параметром является скорость продольных Vp и поперечных Vs волн и реже соответственные коэффициенты затухания (ар и as). Метод основан на использовании волн, преломленных на границах горизонтально-слоистой (квазигоризонтальной) среды. Преломление волн возникает, когда Vi+1>Vi, где Vi -- скорость в верхней среде, а Vi+1 -- в нижней. При этом они превращаются в так называемые скользящие волны. Их фронт, продвигаясь быстрее, чем фронт волн в верхней среде, будет, согласно закону Гюйгенса, непрерывно возбуждать упругие колебания в верхней среде. Эти колебания поступают на поверхность земли. Расстояние от пункта взрыва (удара) до места первого выхода преломленной волны на поверхность земли строго определенно. Оно является функцией глубины залегания данной границы раздела и соотношения скоростей в контактирующих средах. Помимо геометрии границ раздела, метод преломленных волн позволяет определять скорости сейсмических волн, распространяющихся вдоль выделяемых границ.

Наблюдение продольных волн проводят по системе Z--Z (вертикальное возбуждение колебаний и вертикальное расположение сейсмоприемника). Схема У--У (горизонтальное возбуждение колебаний и горизонтальный сейсмоприемник, расположенный перпендикулярно к линии профиля X--X) дает возможность регистрировать поперечные волны. При преломлении и отражении возникают не только чисто продольные и чисто поперечные волны, но и разнообразные типы обменных волн. При этом буквами Р и S обозначаются соответственно продольные и поперечные волны, а индексами при них -- среды, в которых они распространяются [12].

В неоднородной среде с постепенно меняющимися свойствами (градиентной среде) образуются рефрагированные волны. Лучи этих волн криволинейны, причем их траектория зависит от закона изменения скоростей распространения упругих колебаний с глубиной. Благоприятные условия возникновения рефрагированных волн существуют в зоне выветривания скальных пород.

В методе преломленных волн наблюдения в большинстве случаев выполняются по продольным прямолинейным профилям. Сейсмоприемники располагаются по профилю с интервалом ?х, зависящим от требуемой детальности изучения разреза и сейсмогеологических условий. При детальном изучении верхних 15--20 м разреза сейсмоприемники, как правило, расставляются с интервалом 1--2 м. В случае прослеживания кровли скальных пород на глубинах, превышающих 50--100 м, величина ?х может достигать

10 м. Получаемые данные позволяют строить годографы, выражающие зависимость t = f(x), где х -- расстояние от точки возбуждения колебаний до точки наблюдений; t -- время. Годографы используются для решения обратной задачи сейсмометрии -- определения положения и формы границ раздела и скоростей распространения колебаний в пласте, т. е. для интерпретации получаемых данных.

Процесс интерпретации заключается в определении двух основных величин: глубины залегания сейсмических границ (или мощностей пластов) и скоростей распространения в них сейсмических волн. Для определения положения границ вдоль профилей на всем их протяжении необходимо иметь системы встречных годографов. В благоприятных сейсмогеологических условиях приближенные вычисления глубин могут быть выполнены по одиночным годографам. На практике широко применяется наиболее простой способ интерпретации (способ t0). Для вычислений глубин используется формула

(4)

где t0 -- время, определяемое продолжением годографа преломленной волны на оси времени; V1, V2 -- скорости упругих колебаний в верхнем и нижнем пластах [13].

В случае многослойных разрезов верхняя часть разреза заменяется одним пластом мощностью, равной суммарной мощности вышележащей толщи и характеризующейся некоторой средней скоростью, определяемой по данным каротажа или вертикального сейсмического профилирования (ВСП):

(5)

где h1, h2,..., hn -- мощности отдельных пластов; V1, V2, ..., Vn -- скорости распространения в них упругих колебаний. Условием правомерности замены является равенство по вертикали времен пробега волны в слоистой и заменяющей ее однородной средах [13].

По ряду причин, интерпретация по методу t0 оказывается иногда ненадежной. Поэтому разработан ряд более сложных приемов обработки годографов, дающих повышенную точность результатов (метод пластовых скоростей, комбинированный метод и др.). Интенсивно развиваются и машинные методы интерпретации материалов инженерной сейсмометрии. Составлены программы для обработки годографов преломленных волн при использовании метода разностного годографа, t0, сопряженных точек и др. Получил практическое применение набор программ ВСЕГИНГЕО, предназначенных специально для нужд, инженерной сейсмики. Он включает в себя управляющую программу, служебные программы, обрабатывающие процедуры и автономные программы. Использование этого комплекта дает возможность решать обратные задачи для головных, рефрагированных и преломлено-рефрагированных волн с построением сейсмических границ и определением модулей упругости. [14].

При прослеживании преломленных волн применяется многократное перекрытие, обеспечивающие получение детальных временных разрезов. По материалам интерпретации строят сейсмические разрезы. На них наносят положение и форму преломляющих границ и значения граничных скоростей. Следующим этапом является инженерно-геологическое истолкование полученных результатов. Сейсмические границы отождествляются с геологическими и гидрогеологическими, а каждому пласту приписываются инженерно-геологические параметры, найденные с помощью сейсмометрических наблюдений. Результаты площадной сейсмической съемки при прослеживании кровли коренных пород, скрытой под чехлом рыхлых отложений, оформляют в виде карт граничных скоростей или модулей упругости. При этом объединяются в пределах одних участков или зон значения скоростей, попадающие в выбранный заранее интервал. Для литологически однородных пород подобная карта позволяет судить об их относительной сохранности.

В инженерной геофизике метод преломленных волн используется для расчленения геологического разреза вдоль заданного направления как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Применяется он для выделения сейсмических границ в коренных породах и (в меньшей степени) в четвертичных отложениях, нахождения мощности рыхлых отложений, залегающих на более плотных, изучения древних погребенных долин, картирования зон разломов и трещиноватости, определения уровня грунтовых вод и т. д.

Возможности МПВ резко снижаются в случае инверсии скоростного разреза (Vi+1<Vi). При использовании в качестве источника упругих колебаний ударов ручным молотом глубина исследований не превышает 10--15 м. Увеличение ее путем применения взрывов связано с трудностями технического и организационного характера и большими материальными затратами.

Не смотря на то, что метод КМПВ весьма эффективен и высокопроизводителен, он не дает пластовых скоростей, поэтому комплекс методов изучения сейсмогеологических условий должен включать метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП).

В комплекс должны входить, непосредственно, и электроразведочные методы, прежде всего ВЭЗ и СЭЗ, а также электропрофилирование в одной из модификаций, например, ЭП-СГ.

Так как настоящее время характеризуется бурным развитием геофизических методов, комплекс методов изучения сейсмогеологических условий может включать в себя такой метод как электротомография.

Электротомография - это современная модификация метода сопротивлений (ВЭЗ) и вызванной поляризации (ВП). Она состоит из оптимизированной методики полевых наблюдений и соответствующих технологий обработки и интерпретации полевых данных.

Электротомография - это целый комплекс, включающий в себя как методику полевых наблюдений, так и технологию обработки и интерпретации полевых данных. Ее особенностью является многократное использование в качестве питающих и измерительных одни и те же фиксированные на профиле наблюдений положения электродов. Это приводит к уменьшению общего числа рабочих положений электродов при существенном увеличении плотности измерений по сравнению с обычным методом вертикальных электрических зондирований. Такой подход позволяет с одной стороны, работать с современной высокопроизводительной аппаратурой, а с другой стороны, применять эффективные алгоритмы моделирования и инверсии. Интерпретацию данных электротомографии можно проводить в рамках двумерных и трехмерных моделей. Это принципиально расширяет круг решаемых электроразведкой задач, за счет исследования сред, значительно отличающихся от «классических» горизонтально-слоистых. Благодаря электротомографии и использованию алгоритмов подавления искажающего влияния верхней части разреза, можно повысить качество и одномерной интерпретации [15].

Электротомография основана на применении многоэлектродных электроразведочных кос, подключаемых к аппаратуре, способной коммутировать токовые и измерительные электроды на произвольные выводы кос.

В многоэлектродной аппаратуре (рисунок 22) тоже используется большой набор электродов (обычно от 48 до 96 штук), соединенных в виде электроразведочной косы. В отличие от многоканальных систем каждый электрод может использоваться не только как приемный, но и как питающий. Таким образом, один раз установив и подключив электроды можно провести весь комплекс профильных измерений.

Рисунок 22 - Схема многоэлектродной аппаратуры [16]

Такая технология на порядок увеличивает производительность и разрешающую способность исследований методом сопротивлений, особенно если аппаратура имеет несколько измерительных каналов, позволяющих измерять разность потенциалов одновременно с нескольких приемных линий.

К настоящему времени аппаратурная база и методические аспекты электротомографии хорошо развиты. Серьезно проработана теоретическая основа метода, опубликованы методические приемы и созданы программы для многомерного моделирования и инверсии данных.

Для электротомографии используют разные установки: трехэлектродную, дипольную, установку Венера и др. (рисунок 23).



Рисунок 23 - Стандартные установки, применяемые в электротомографии: а)двухэлектродная, б) Веннера, в) гамма-типа, г)трехэлектродная, д)Шлюмберже, е)Веннера в-типа, ж)дипольная осевая, з)градиентная, и)градиентная срединная [17]

Электроды располагают на поверхности земли и/или в скважинах. Число электродов может быть разным, например, 16, 32, 64, 128 и т.д. Электроды соединяют косами с измерительной аппаратурой и генератором. В соответствии с протоколом измерений в дальнейшем электроды попарно коммутируются для создания электрического поля и измерения напряжения.

Простейшая и недорогая реализация электротомографии основана на использовании серийной одноканальной электроразведочной аппаратуры, например ЭРА, МЭРИ, АНЧ-3. При этом перестановка токовых электродов осуществляется вручную, а коммутация измерительных электродов либо вручную, либо с помощью специального электронного коммутатора, который предварительно программируется. Стоимость кос, коммутатора и программного обеспечения составляет около 200 тыс. рублей. Полная автоматическая коммутация приемных и токовых электродов реализована в электроразведочной аппаратуре компаний IRIS, ABEM и других производителей [18].

Для работ методом электротомографии используются следующий комплекс программ:

1. Подготовка протоколов с описанием методики измерений. Обычно такие программы входят в комплект поставки многоэлектродной аппаратуры. Часто эти программы не обладают достаточной гибкостью, поэтому совместно с ними используется программа «x2ipi» [15];

2. Программы визуализации, предварительной обработки полевых данных и подавления эффектов приповерхностных неоднородностей [16]. На этом этапе также используются программы, поставляемые с аппаратурой и разработки Московского университета: “MEDIAN”, “MPC”, “x2ipi”;

3. Программы автоматической двумерной инверсии, прежде всего в рамках “гладких” моделей [17]. Использование моделей с плавным изменением удельного сопротивления является стандартным способом регуляризации алгоритмов инверсии и позволяет во многих случаях оперативно, без учета априорной информации и даже при минимальной квалификации пользователя получать удовлетворительную интерпретацию данных электротомографии. Такой подход за последние 10 лет получил на западе повсеместное распространение. Наиболее распространенной программой инверсии является программа “Res2dInv” (Geotomo, Малайзия). Отметим также российскую разработку - “ZondRes2D” (СПбГУ, Санкт-Петербург);

4. Очевидно, что полностью автоматическая инверсия не всегда удовлетворяет квалифицированного интерпретатора. Поэтому на базе результатов автоматической инверсии рекомендуется проводить подбор в рамках одномерных и двумерных моделей с использованием программ двумерного моделирования: “Res2dMod” (Geotomo, Малайзия), “ie2dp” (МГУ). Такой подбор позволяет наиболее полно учесть априорные данные.

В традиционном методе ВЭЗ работают с кривыми кажущегося сопротивления, которые удобно представлять в виде псевдоразреза кажущегося сопротивлений. В электротомографии часто используют измерения с различными типами установок. Кажущееся сопротивление будет функцией, зависящей не от разноса и пикета, а от положения всех четырех рабочих электродов. Соответственно, все программное обеспечение для электротомографии должно уметь работать с такими типами данных.

Применение двумерной электроразведки целесообразно при всех детальных (масштаб 1:2000 и крупнее) геофизических исследованиях - при инженерно-геологических изысканиях, изучении геологического разреза на малых и средних глубинах.

Несмотря на многочисленное число геофизических методов направленных на изучение сейсмогеологических условий проблема предсказания землетрясений остается одной из сложнейших и трудно разрешимых.

Проблема прогноза сильных землетрясений имеет важное научное и социальное значение. При этом негативные последствия может иметь не только отсутствие прогноза, но и неверный прогноз (ложная тревога). Осуществляются обычно следующие виды прогноза землетрясений: предварительный (прогноз места без указания времени), долгосрочный (годы), среднесрочный (месяцы) и краткосрочный (дни-часы) [18].

Действовавшая до недавнего времени карта уровня прогнозируемой сейсмичности ОСР-78, вошедшая в 1981 г. в строительные нормы и правила, страдает существенными недостатками. Практика показывает, что в пределах России и стран СНГ ежегодно возникают землетрясения, балльность которых на 2-3 единицы превышает уровень сейсмичности, прогнозируемой по карте. Недостатки карты ОСР-78, прежде всего, связаны с неоднородностью сейсмологических, геологических и геофизических данных, использованных при ее создании. Огромные потенциально опасные районы Европейской части России и Сибири фактически не районированы должным образом и в последней карте ОСР-97 [19].

3.3 Выводы и рекомендации

1. Ограниченность и недостаточность инженерно-геологических исследований на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации гражданских и промышленных объектов приводит к неблагоприятным последствиям, в том числе - предаварийного и критического состояния зданий и сооружений вследствие провалов, оползней, землетрясений и пр. Все это требует значительных экономических затрат на восстановление, а в ряде случаев и ликвидацию их.

2. На участке исследований ВЧР имеет сложное геологическое строение, характеризующееся резкой вертикальной и горизонтальной изменчивостью физико-механических свойств пород и их анизотропией, а также невыдержанностью геологических границ, что требует оптимизации комплекса геофизических методов его изучения.

3. Обоснование рациональности комплекса геолого-геофизических методов исследования инженерно-геологических и сейсмогеологических условий объектов повышенного уровня ответственности, к которым относится Джубгинская ТЭС, заключается в следующем: а) совместно с сейсморазведкой КМПВ должно применяться ВСП, что позволит оптимизировать интерпретационную сейсмогеологическую модель; б) совместно с ВЭЗ должно применяться СЭЗ, которое учитывает латеральную изменчивость геологической среды; в) совместно с ВЭЗ и СЭЗ должна применяться электротомография, которая позволит проводить интерпретацию в рамках двумерных и трехмерных моделей.