Определение скоростей распространения поперечных волн методом MASW

В инженерной сейсморазведке при использовании простейших поверхностных источников упругих колебаний свыше 85 процентов энергии удара уходит на формирование низкочастотных и низкоскоростных поверхностных волн. Приведенная ниже сейсмограмма, полученная на асфальтовом покрытии набережной с возбуждением импульса кувалдой весом 8 кГ, иллюстрирует доминирование на записи низкоскоростных поверхностных волн по отношению к рефрагированным и отраженным волнам.  Являясь наиболее сильными помехами для метода отраженных волн, поверхностные волны Рэлея, в то же время, содержат весьма ценную для изучения свойств грунтов информацию о скоростях распространения поперечных волн.

Сейсмограмма с записями поверхностных волн

Наиболее передовая и быстро развивающаяся в настоящее время в малоглубинной сейсмике методика обработки, основанная на многоканальном анализе поверхностных волн (MASW), позволяет получать достаточно детальные одно- и двухмерные модели распределения скоростей поперечных волн Vs в массиве грунтов. Естественным ограничением методики MASW является небольшая глубина проникновения энергии поверхностных волн в толщу грунтового массива. Существенным фактором для увеличения глубинности метода является возможность привлечения для совместного анализа с полученными в активном режиме записями пассивных низкочастотных шумов транспорта и работающих механизмов.

Основными предпосылками для многоканального частотного анализа является преобладание энергии компоненты поперечных смещений при распространении колебаний вдоль поверхности раздела сред и частотная дисперсия фазовых скоростей – увеличение видимого периода и, соответственно, увеличение глубины проникновения энергии поверхностной волны в толщу грунтового массива с возрастанием скорости распространения поперечных смещений. Ниже показана матрица фазовых скоростей нескольких гармоник поверхностной волны Рэлея, характеризующая сильную частотную дисперсию фазовых скоростей. В расчете модели скоростей поперечных волн использованы дисперсионные кривые  нулевой, первой и второй гармоник поверхностной волны. 

Выделение дисперсионных кривых фазовых скоростей поверхностных волн Рэлея и построение одномерной модели скоростей распространения поперечных волн

Приведенные выше результаты многоканального анализа поверхностных волн получены с использованием программного комплекса RadExPro (Deco-геофизика, Москва).

Оценка физических свойств грунтов на основе комплексной интерпретации скоростей продольных и поперечных волн

Приведенные на рисунке разрезы характеризуют типичное соотношение  представительности геотехнических методов, бурения и геофизики при оценке физических свойств грунтового массива. Несмотря на достаточно высокую плотность точек бурения и динамического зондирования, они не обеспечивают пространственного построения границ инженерно-геологических элементов внутри  относительно однородного массива моренных суглинков.  В то же время скорости поперечных волн, характеризующие, в первую очередь, свойства скелета грунта, дают наглядную пространственную картину распределения в моренных суглинках скоплений крупнообломочной фракции (моренных гряд) с повышенными скоростями распространения поперечных волн.

При инженерных изысканиях для оценки состояния и свойств грунтового массива и насыщающих его флюидов обычно используются несколько типов волн: продольные отраженные, рефрагированные и поверхностные. На приведенном рисунке показаны разновидности сейсмических разрезов по одному из профилей в центральной части Латвии. В верхней части разреза до 35 м моренных суглинков, затем около 20 м плявиньских доломитов, ниже – аматско-гауйские песчаники. На глубине 160 м (оба разреза в масштабе глубин) на разрезе ОГТ следится достаточно выдержанная граница, возможно подошва аматско-гауйских песчаников.
Эти материалы получены с использованием кувалды весом 8 кГ и единой 64-х канальной приемной расстановки геофонов с шагом 2 м. Однако трудоемкость полевых работ и обработки данных для получения этих разрезов существенно различается. Так, если для получения разреза ОГТ по отраженным волнам интервал между пунктами возбуждения был 2 м, то для получения разрезов по рефрагированным и поверхностным волнам были использованы только сейсмограммы, полученные с шагом пунктов возбуждения по профилю 16 м.

Расчет разрезов физических свойств грунтов высокогорного месторождения россыпного золота Chucapaca (Перу)

Примеры определения скоростей распространения поперечных волн по данным MASW и прогноза физико-механических свойств грунтов с привлечением метода рефрагированных волн вдоль одной из линий разработки золотоносного поля на юге Перу показаны на следующем рисунке.

На основе разрезов скоростей распространения продольных волн по первым вступлениям рефрагированных волн и поперечных волн по методу MASW рассчитаны  разрезы  прогнозной плотности по скоростям продольных волн, коэффициента Пуассона и модуля упругости по профилю разработки  месторождения россыпного золота Chucapaca ( Перу).