Сейсмоакустические шумы. Применение геоакустического каротажа (стр. 2 из 5)

1.3. Техногенные сейсмические шумы.

Техногенные сейсмические шумы (ТСШ) рассматриваются как помехи при различного рода сейсмических исследованиях. Изучение характеристик ТСШ необходимо, прежде всего, для разработки методик исключения их влияния или учета в случае невозможности подавления шумов аппаратурными средствами.

Исследования микроколебаний грунта в районах индустриальных городов показывают, что основными факторами, определяющими параметры промышленных шумов, являются направленность сейсмического излучения энергоемких установок и геолого-геофизические параметры среды [[10]]. Наибольшие сейсмические сигналы наблюдаются от землетрясений, взрывов и промышленных установок, при этом, если первые два источника появляются эпизодически, то третий действует почти непрерывно.

Промышленные сейсмические помехи наиболее интенсивные, их уровень достигает 50 мкм. Механизмы, работающие в зданиях, создают фон в 5-10 мкм. Воздушные транспортные средства, как и наземные, вызывают сотрясения почвы амплитудой до I мкм и выше. Наблюдения в метро показали, что на глубинах 20 м сигнал ослабляется в 2-8 раз по сравнению с сейсмическим сигналом на поверхности на том же расстоянии от источника.

В этой же работе показано, что постоянный микросейсмический фон на расстоянии до 20 км от города имеет техногенным характер с максимумом на частотах 2-5 Гц.

Измерения сейсмических шумов в диапазоне частот 0,5-100 Гц в лабораторных помещениях, расположенных в различных районах города показали, что в дневные часы преобладают составляющие микросейсм с частотами 5-10 Гц и их амплитуда не превышает 1,5-2 мкм, в ночные часы снижается уровень шумов, изменяется их спектральный состав [[11]]. В течение суток уровень микросейсм может изменяться 6-10 раз (до 0,06-0,2 мкм). Спектр шумов в городе в 2-3 раза шире спектра, полученного на станциях, расположенных в пригороде, а его максимум смещен в область высоких частот (8-10 Гц). Для пригородных станций вдали от транспортных магистралей наибольшие значения шумов относятся к области 1,8-3,5 Гц. В (таблице 2)* приведены характеристики техногенных шумов в районе Новосибирска.

Таким образом, информация об амплитудных, частотных и временных характеристиках ТСШ, традиционно рассматриваемых как помехи, позволяет оценить не только уровень шумов экзогенного происхождения, но может использоваться при изучении природы сейсмоакустических шумов Земли.

1.4. Информативность сейсмоакустических шумов.

Актуальность проблемы изучения САШ Земли обусловлена получением принципиально новой информации о геологическом строении земной коры, характере протекающих в ней процессов и их активности, в также выявлением возможностей практического использования шумов при решении задач рудной и нефтяной геофизики.

Низкочастотные сейсмические шумы (НОШ) или микросейсмы обладают информативностью о геологическом строении и могут использоваться для изучения земной коры. Была выявлена четкая связь между величиной периодов микросейсм и мощностью мезозойско-кайнозойских отложений платформенного чехла. При мощности платформенного чехла от 0 до 400 м период микросейсм изменяется от 0,5 до 2,2 с, адекватно реагируя на локальные изменения мощности отложений. Период микросейсм увеличивался от 2,6 до 4,5 с, когда толща отложений плавно увеличивалась от 0,6 до 1,7 км. Эти данные послужили основой для разработки нового способа определения мощности покровных платформенных образований при площадном картировании погребенного фундамента на территории прогибов, впадин, депрессий, а также при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях.

Способность горных пород излучать акустические импульсы используются для получения информации о неоднородности, нарушенности, напряженном состоянием пород, а также о развивающихся в земной коре динамических процессах. На практике широко используется та часть ВСШ, природа которых обусловлена эмиссией упругих волн, возникающих в процессе разрушения объема геосреды. В горных породах при хрупком разрушении сейсмоакустическая эмиссия (САЭ) обусловлена развитием и микро- и макротрещин. По САЭ оценивают удароопасность пород[[12]], контролируют состояние массива пород и процессы разрушения. Данные САЭ массива пород используются для определения линейных размеров максимальных трещин и позволяют выявить момент перехода к макроразрушениям в исследуемом блоке породы. Метод на основе изучения спектра сигналов САЭ успешно применяется для прогноза обрушений на калийных рудниках [[13]]. Шахтные исследования САЭ соляного массива, после возбуждения среды исполнительным органом (шахтным комбайном) позволили выработать следующие рекомендации по оценке состояния кровли в калийных рудниках (табл. 3)*.

При исследовании сейсмоакустического критерия выбросоопасности на угольных шахтах было отмечено, что в периоды формирования выбросоопасной ситуации частота спектрального максимума сигналов снижается [[14]]. Эти и другие примеры, показывающие возможности регистрации САЭ для решения горно-геологических задач, представлены во многих сборниках научных трудов и монографиях.

В настоящее время в ведущих геофизических службах мира получил распространение шумовой каротаж, основанный на регистрации акустических шумов в полосе частот 20-2000 Гц, создаваемых потоками флюида и газа в условиях перепада давления, вызванного технологическими процессами при эксплуатации скважин. Разработаны методики, скважинная аппаратура и ведутся исследования с целью контроля за разработкой газовых и нефтяных месторождений.

2. Физические основы применения геоакустического каротажа

2.1. Модель акустически активной геосреды

Земная кора является открытой термодинамической системой с иерархически блочным строением и находится в напряженном состоянии под действием внешних и внутренних сил [[15]] распределение напряжений зависит не только от действующих нагрузок, но и от степени неоднородности, трещиноватости массивов пород; изменение напряженного состояния пород вызывает их деформацию, приводит к перестройке в контактных поверхностях в системе трещин, к появлению новых дефектов, что сопровождается акустической эмиссией. Такова общая схема процессов.

По существу, это механизм рассеянных разрывов своеобразных наноземлетрясений, который функционирует геологически длительное время даже в тектонически стабильных областях. Но что приводит в действие подобный механизм, почему его эффективность выше в зонах большой нагруженности пород, почему он не подавляется значительным литостатическим давлением на больших глубинах?

Для получения некоторых оценок рассмотрим блочную модель массива горной породы.

По известным критериям прочность тела зависит от числа и размеров дефектов. А эти характеристики в ряде случаев можно определить. Воспользуемся, например, условием Гриффитса для разрывного напряжения при сдвиге:

где G – модуль сдвига;

W – плотность поверхностной энергии;

1 – критическая длина трещины;

μ – коэффициент Пуассона.

Во многих случаях по экспериментальным данным известно распределение трещин по размерам. Часто оно имеет нормальное распределение [[16]].

Количество вновь появившихся дефектов определяется формулой:

Отсюда можно оценить число трещин, возникающих в единицу времени:

Тем самым определяется интенсивность акустической эмиссии, сопровождающей образование дефектов.

Т.к. интенсивность акустической эмиссии пропорциональна числу связей или дефектов N в объеме, зависит экспоненциально от энергии активации разрывов при постоянной нагрузке а0 и от отношения действующего переменного напряжения к среднему значению разрывного напряжения, которое в данном случае определено как отношение энергии активации разрывов к структурному параметру, характеризующему перенапряжения на неоднородностях среды

.

Этот вывод имеет и практическую значимость. Например, если толща пород охвачена одним режимом нагружения, то зоны с повышенными значениями трещиноватости будут выделяться аномалиями ГАШ, что и наблюдается на практике (рис.1)Ó. Конечно, возможны случаи, когда трещиноватость увеличивается, а уровень шума не меняется. Согласно предыдущей формуле соответствующая компенсация в потере прочности может осуществляться за счет повышения разрывного напряжения. Наблюдения подтверждают этот вывод (рис.2)Ó.

Эксперименты на образцах горных пород показывают, что с возрастанием всестороннего давления число трещин уменьшается, повышается прочность пород. В реальных условиях в верхней части земной коры наблюдаются существенные отклонения от этих закономерностей, что обусловлено рядом причин, в том числе непрерывными физико-химическими процессами в проницаемых, заполненных флюидами и газами горных массивах. Это проявляется во временных вариациях ГАШ, в том числе и на больших глубинах. Прочность хрупких пород хорошо апроксимируется модифицированным условием Кулона-Мора [[17]]:

где

- сцепление пород, f - коэффициент трения при сдвиге, - нормальное напряжение и давление в жидкости, заполняющей трещину.