Header Image
Отразилось ли ослабление рубля на рынке строящегося жилья, а также следует ли ждать оттока покупателей на вторичный рынок, где отсутствует импортная составляющая - эти вопросы обсудили эксперты рынка недвижимости в рамках форума «Точки роста Северо-Запада».
Подробнее ...
Высокоразрешающая сейсморазведка на карстоопасных территориях Печать E-mail
09.12.2014 18:10

А.Г. Ярославцев, А.А. Жикин, И.Ю. Герасимова
614007, г. Пермь, ул. Сибирская 78-а, ГИ УрО РАН

Опыт геофизических исследований на карстоопасных территориях, накопленный в ГИ УрО РАН, позволяет рассматривать современные технологии инженерной сейсморазведки как наиболее информативно выгодные. Несмотря на удорожание общей стоимости инженерно-геологических изысканий, комплекс прямых методов и сейсморазведки ОГТ оказывается наиболее эффективным при оперативном прогнозе пространственных закономерностей распределения структурных и физических параметров породного массива, подверженного влиянию карстовых процессов. Кроме функции локализации карстовых полостей в пределах урбанизированных территорий, возможно решение других типов задач, как связанных с обеспечением безопасности жизнедеятельности, так и чисто научных (изучение карстовых пещер и поиск археологических артефактов).

Кроме объективных геологических предпосылок в пределах большинства крупных градопромышленных агломераций Пермского края отмечается интенсификация карстовых процессов за счет интенсивного техногенного влияния. К наиболее существенным техногенным факторам, можно отнести: утечки из разного рода коммуникаций, нарушения гидрогеологического режима за счет строительства шахт и изменения естественного положения водоемов. При этом наиболее опасные локальные проявления интенсификации карстообразования – катастрофические провалы земной поверхности (рис. 1), в конечном счете, определяются естественными инженерно-геологическими условиями.


Рис. 1. Карстово-суффозионный провал в пределах г. Березники

Изучение подобных территорий, наряду со структурными построениями и определением прочностных свойств геологического массива, требует выявления направлений и местоположения современных подземных водных потоков и учета всей совокупности антропогенного влияния на геологическую среду. Кроме того, в пределах карстоопасных территорий к моменту исследований уже действует режим ЧС и необходима структурно-формационная оценка состояния фундаментов и оснований поверхностных инженерных сооружений – жилых домов, промышленных зданий, транспортных коридоров. Решение такого круга инженерно-геологических задач возможно только при использовании разнородных геофизических полей. В связи с этим, для полномасштабного исследования карстовых процессов принято использовать комплекс следующих геофизических методов: сейсморазведка, электроразведка, многоканальная акустика, радиолокация [1].
Несмотря на существенные различия сейсмогеологических условий в тех или иных карстоопасных районах основные факторы выбора оптимальных параметров методик наблюдений и аппаратуры достаточно стандартизированы [3] и базируются на известных принципах. Максимальное удаление пункта возбуждения (ПВ) от пункта приема (ПП) сравнимо или меньше глубины нижней целевой границы. Минимальное удаление ПВ от ПП не превышает глубины верхней целевой границы. Шаг между ПП больше радиуса корреляции случайных шумов, но меньше 1/2 длины волны (λ). При этом следует учитывать предельные размеры поисковых объектов r = dφ/2, где dφ – диаметр первой зоны Френеля. Для получения идентифицируемых отражений необходимы как минимум четыре точки ОГТ в пределах dφ. Шаг между ПВ обычно выбирается кратным шагу ПП и определяется кратностью наблюдений n. Аппаратурная составляющая к настоящему времени практически сравнялась с техническими возможностями нефтегазовой геофизики.
Наиболее полномасштабные, как в методическом, так и в территориальном плане, высокоразрешающие сейсморазведочные исследования карстовых разрезов выполнены на территории г. Кунгура (рис. 2). Основной задачей здесь являлось ранжирование выявленных особенностей сейсмических изображений по реальной карстовой опасности. Для этого результирующие сейсмогеологические модели напрямую использовались для геомеханических оценок устойчивости городской территории.


Рис. 2. Обзорная схема сейсморазведочных наблюдений в г. Кунгуре

Всего было выделено три типа карстовых форм (рис. 3), каждая из которых была заверена бурением.


Рис. 3. Временные разрезы ОГТ и геологические модели форм карстовой нарушенности массива в пределах территории г. Кунгура

Первый тип представляет наименьшую опасность для наземных сооружений и характеризует образование полости только в интервале гипсовых отложений.
Для второго типа характерно сдвижение негативных характеристик волнового поля вверх по разрезу. Часть полости наполовину или более уже заполнена продуктами разрушения гипсовой породы, но крыша из вышележащего известняка еще целая.
Третий тип характеризует конечный результат развития карста. Полость почти целиком заполнена продуктами разрушения гипса и вышележащих пород. В волновом поле внутри закарстованной области появляются устойчивые обрывки отражений связные с продуктами обрушения. Подобная ситуация может сопровождаться либо обрушением (провалом) на поверхности, либо медленной упругой деформацией перекрывающих грунтов, которые в свою очередь напрямую влияет на устойчивость сооружений на поверхности.
Результаты геофизических исследований являются параметрической базой для проведения геомеханических расчетов (рис. 4), направленных на выявление потенциально опасных участков в пределах всей территории. С учетом деформационных и прочностных характеристик пород исследуемого массива, геомеханические расчеты позволяют установить положение зон, в которых в ближайшей перспективе можно ожидать природно-техногенное «ослабление» пород.


Рис. 4. Геомеханический прогноз оседаний земной поверхности в центральной части г. Кунгура с учетом данных сейсморазведки

В общем итоге для территории г. Кунгура предложена методическая схема количественной оценки опасности воздействия карста на наземные объекты, базирующаяся на математическом моделировании изменения напряженно-деформированного состояния приповерхностной части геологического разреза вследствие развития карстовых процессов. Параметрическим обеспечением геомеханических расчетов служит локализация карстовых полостей методами площадной высокразрешающей сейсморазведки и определение по данным их интерпретации формы карстогенной нарушенности. Опасность воздействия карста на здания и сооружения основывается на определении отношения максимальных, в пределах зданий, расчетных горизонтальных деформаций земной поверхности к соответствующим предельным значениям. Предельные показатели деформирования земной поверхности под сооружениями вычисляются в зависимости от назначения зданий, этажности, формы, конструктивных особенностей (материал и толщина стен, тип перекрытий), износа и грунтовых условий [6]. Конкретная реализация данного подхода выполнена применительно к центральной части г. Кунгура.
Процесс развития карста обобщенно может быть представлен в виде следующей последовательности: образование полости; достижение ей предельных размеров; обрушение кровли; заполнение полости разрушенными и вышележащими (пластичными и сыпучими) породами. В результате реализации этого процесса развиваются карстовые деформации двух типов - динамические (провалы) и статические (оседания). Очевидно, что тип карстовых деформаций, их количественные показатели будут определяться конкретными геологическими условиями залегания карстующихся пород, в первую очередь, – мощностью и глубиной. Перекрывающие породы также оказывают влияние на характер проявлений карстовых процессов. Однако, для конкретных территорий с целью упрощения схемы районирования они могут быть типизированы.
Районирование целесообразно проводить на основе оценки максимального возможного воздействия карста на поверхностные объекты. Оно имеет место при достижении карстовыми полостями наибольших размеров, которые, в конечном счете, определяются геологическими условиями залегания карстующихся пород. Одним из основных этапов районирования закарстованных территорий по степени карстоопасности является оценка предельных устойчивых размеров полостей в конкретных геологических условиях.
Деформации динамического типа (провалы) реализуются при «выходе» карста на земную поверхность вследствие заполнения полости вмещающими породами. В противном случае имеют место статические деформации в виде оседаний.
Другим наиболее важным практическим приложением инженерной сейсморазведки на современном этапе ее развития является сейсмоакустический контроль различных видов неоднородностей в фундаментах и основаниях действующих сооружений. Актуальность подобных исследований обусловлена их непосредственной направленностью на обеспечении безопасности жизнедеятельности человека. Особое значение эти исследования имеют в пределах различных промышленных территорий Пермского края, подверженных активным природно-техногенным геодинамическим процессам.
К наиболее ответственным объектам можно отнести транспортные коридоры, прокладываемые по территориям с подповерхностными пустотами различного происхождения (подрабатываемые территории в зонах шахтного строительства, территории с карстовыми процессами).
На подобных территориях, как правило, проводятся противокарстовые мероприятия. В большинстве случаев на этапе эксплуатации ответственных сооружений они заключаются в цементном тампонаже нарушенных интервалов разреза. Проектирование необходимых объемов инъекционных растворов и контроль качества тампонажа осуществляется в основном по данным бурения. При этом площадная дискретность скважинных данных и их высокая стоимость не позволяет в достаточном объеме эффективно осуществлять подобный контроль. В таких случаях наиболее информативными оказываются сейсмоакустические методы [2]. Они позволяют не только выделить структурные элементы породного массива, но и количественно оценить объемы его закрепленной и нарушенной части в масштабах соизмеримых с размерами всего сооружения.
Продемонстрируем элементы сейсморазведочного контроля противокарстовой защиты на конкретном примере.
Поводом для проведения исследований на пикете 1520 СЖД Кунгурской дистанции пути в районе п. Шадейка послужили деформации железнодорожной насыпи и множественные поверхностные карстопроявления. Несмотря на проведенный тампонаж закарстованных областей породного массива, предполагаемых по данным прямых методов, признаки активного подповерхностного образования пустот сохранились. Таким образом, основной целью сейсморазведки, было выявление подземных полостей в пределах участка дороги с поверхностными формами.
Сейсмические исследования выполнены по методике невзрывной малоглубинной сейсморазведки высокого разрешения с использованием интерференционной системы наблюдений по общей глубинной точке (рис. 5). Параметры системы наблюдений соответствовали исследуемому интервалу глубин и размерам предполагаемых неоднородностей. Регистрация сейсмических колебаний осуществлялась с помощью цифровой компьютеризированной сейсмостанции IS-128, шаг дискретизации 0.1 мс.


Рис. 5. Обзорная схема сейсморазведочных исследований

Основные результаты проведенных сейсморазведочных исследований сводятся к следующему.
В интервале исследований до глубин в 50 м выделено четыре отражающих горизонта. Все отражающие горизонты находятся в пределах карстующихся нижнепермских отложений: Sh-кровля шалашнинской сульфатной пачки, Nev-кровля неволинской карбонатной пачки, Lp-кровля людяно-пещерской сульфатной пачки, Phil- условная кровля филипповских доломитов. Первый отражающий горизонт отмечен на глубине 10-15 м, второй на глубине 20-25 м, третий на глубине около 36-40 м, четвертый на глубине 50-55 м.
По особенностям волновой картины (рис. 6) ее амплитудной и скоростной характеристик в различных интервалах геологического разреза (0-50 м) по всем профильным линиям выделяются локальные участки. Они характеризуются нарушенной регулярностью волновой картины, пониженными значениями амплитуд и скоростей. Данные изменения перечисленных сейсморазведочных параметров обычно являются признаками нарушений в структуре геологического разреза, которые в данном случае вероятней всего вызваны карстовыми процессами [5].
Участки, выделенные на профилях, можно объединить в виде «полос» аномалий волнового поля, проходящих под полотном железной дороги. Данные аномалии нанесены на схемы интервальных скоростей (рис. 7) для тех интервалов, в которых они установлены. Их положение согласуется с пространственными закономерностями в рельефе отражающих границ. Разуплотнение отложений, выражающееся в уменьшении значений скоростей упругих волн, отмечается в пределах всех выделенных зон волновых аномалий. Следует отметить, что разуплотнение в пределах отдельных участков выделенных зон носит сквозной характер, т.е. отмечается для всех исследуемых интервалов – от поверхности земли до подошвы ледянопещерской пачки.


Рис. 6. Пример результатов обработки


Рис. 7. Площадные построения: а – структурная схема ОГ Sch, б – схема скоростей в интервале Sch-Nev и результаты качественной интерпретации

Таким образом, в пределах зон с предполагаемой по особенностям волновой картины карстогенной нарушенностью, отмечается: 1) разуплотнение отложений, как карстующихся, так и перекрывающих их, 2) наличие форм подземного рельефа выступающих относительными водоупорами неволинских карбонатов и филлиповских доломитов, благоприятных для гидрогеологического развития карстовых процессов. Сочетание всех отмеченных факторов и интенсивность их проявления позволяет выделить восточную часть района работ, как наиболее карстоопасную, а западную, как потенциально опасную.
Сопоставление результатов сейсморазведочных исследований с данными заверочного бурения и прогнозными результатами проведенной ранее противокарстовой защиты показало, что последняя выполнена в недостаточных объемах или частично разрушена. Даже в самом оптимистичном варианте, распределения объемов тампонажного раствора в массиве может быть не достаточно для предотвращения деформаций земной поверхности в результате продолжающихся карстовых процессов.
Представленные результаты показывают, что высокоразрешающие сейсморазведочные технологии на современном этапе позволяют производить квазинепрерывную разведку массива с точностью до первых десятков сантиметров.
Наиболее эффективным в условиях быстроменяющейся геодинамической обстановки характерной для градопромышленных агломераций является многократное повторение наблюдений, которое позволяют не только локализовать карстовые полости и контролировать качество противокарстовых мероприятий, но и прогнозировать развитие локальных катастрофических ситуаций.
Кроме представленных результатов за рамками остался достаточно большой круг актуальных задач решаемых на карстоопасных территориях с использованием инженерной сейсморазведки на отраженных волнах. В частности: прогноз карстовых образования в теле техногенных соляных накоплений (солеотвалов), мониторинг развития и засыпки карстово- суффозионных провалов в пределах затопленного рудника (рис. 8) на Верхнекамском месторождении калийных солей, выявление источников загрязнения пресных поверхностных и подземных вод на Кокуйском нефтяном месторождении, выявление затопленных ходов в Ординской пещере и другие.


Рис. 8. Волновое поле после засыпки карстово-суффозионного провала в г. Березники

По совокупным результатам данных работ разработаны отдельные главы Методических рекомендаций по проведению инженерно-геологических изысканий на карстоопасных территориях (на примере Пермского края) [4].

Литература
1. Санфиров И.А., Степанов Ю.И., Прийма Г.Ю., Чугаев А.В., Ярославцев А.Г. Комплексирование инженерно-геофизических методов при исследованиях фундаментов.
2. Санфиров И.А., Фатькин К.Б., Ярославцев А.Г. Возможности сейсморазведочных исследований при обследовании зданий и сооружений на закарстованных территориях // Карстоведение – XXI век: теоретическое и практическое значение: Тезисы докладов международного симпозиума / Пермский ун-т. – Пермь, 2004. – С. 46-47.
3. Ярославцев А.Г., Санфиров И.А. Опыт применения сейсморазведки ОГТ для решения инженерно-геологических задач / Геофизика № 3. 2004. – ЕАГО,2004. – С. 27-30.
4. Методические рекомендации по проведению инженерно-геологических изысканий на карстоопасных территориях (на примере Пермского края). – М.: ГИ УрО РАН, ОАО «ПНИИИС», 2009. – 154 с.
5. Sanfirov I. Seismic wave images for different stages of the karst process development / Sanfirov I., Yaroslavtsev A., Babkin A., Prima G., Prigara A. // Extended abstracts book. EAGE 67th Conference and Exhibition. – Madrid, Spain, 2005.
6. Sanfirov I., Baryakh A., Yaroslavtsev A., Hronusov V., Devyatkov S. Geological and geomechanical estimation of karst danger for city area // Studia Geotechnica et Maechanica, Vol. XXXI, No. 1, 2009.

 
Free template "Frozen New Year" by [ Anch ] Gorsk.net Studio. Please, don't remove this hidden copyleft! You have got this template gratis, so don't become a freak.