Авторы делятся опытом применения различных методов сейсмоакустических исследований для обнаружения и картирования опасных для производственных сооружений и добычи полезных ископаемых геологических объектов, таких как скопления газа в отложениях, подводные оползни и разломы. Рассматриваются также некоторые достижения зарубежных исследователей в этой области.
Все большее продвижение производственной активности человека на акватории сопровождается не только новыми успехами, но и все большим количеством разных аварий и потерь. Многие аварии можно было бы избежать, если бы мы лучше знали геологическое строение оснований под водой, существующие там разные опасности как для производства работ, так и долговременного нахождения производственных объектов.
При проведении инженерных изысканий под крупные сооружения на акваториях, для прогнозирования разного рода геологических опасностей привлекаются разные виды сейсмических иследований, начиная от сейсмологических наблюдений и сейсмического районирования до акустических исследований на образцах грунта. Непосредственно сейсмические исследования сейчас принято разделять на высокоразрешающую сейсморазведку, сейсмоакустические и акустические исследования. В англоязычной литературе их принято называть high resolution, very high resolution and ultra high resolution seismic.
Высокоразрешающая сейсморазведка проводится по технологии, подобной к обычной сейсморазведке, но так как цели исследований – верхняя часть разреза до глубин 0.5 – 1 км с разрешающей способностью не хуже 5 м, применяются более высокочастотные источники (пневмоисточники объемом 0.5 -1 дм3), относительно короткие многоканальные косы (длиной 0.5 – 1 км и шагом наблюдений около 5 м). Буксировка источников и косы осуществляется также на меньшей глубине – около 1 -2 м. В остальном все осуществляется как в обычной сейсморазведке МОВ ОГТ.
К акустическим исследованиям можно отнести работы с акустическими профилографами и гидролокаторами бокового обзора.
Сейсмоакустические исследования, которым в основном посвящена данная работа, занимают промежуточное положение между двумя группами методов исследований, и имеют целью исследование геологического разреза до глубин около 100 м с разрешающей способностью 0.5 – 5 м. Гидроакустические приборы не обеспечивают такой глубинности исследований из-за поглощающих свойств геологического разреза, а сейсморазведка, даже высокоразрешающая, не дает достаточной разрешающей способности. При сейсмоакустических исследованиях на акваториях применяются технологии, подобные сейсморазведочным, однако для достижения высокой разрешающей способности и детальности используют гораздо более высокочастотные импульсные источники упругих волн (спаркер и бумер), а также компактные буксируемые приемные системы с числом каналов от 1 до 16 – 48. Источник и приемная система обычно буксируются на глубине не более 0.2 – 1 м, что создает определенные проблемы в задании такой глубины буксировки, и позволяет работать лишь при достаточно благоприятных погодных условиях.
В работе на конкретных примерах рассмотрено применение различных технологий сейсмоакустических исследований для целей инженерных изысканий на акваториях, дается также обзор новых методов высокоразрешающих сейсмических исследований с примерами их использования при изысканиях под строительство разных сооружений. Рассматриваются достоинства и недостатки таких методов, как одноканальное и многоканальное сейсмоакустическое профилирование, профилирование с заглубленной расстановкой и с наклонной косой, трехмерные сейсмоакустические исследования, выполнение наблюдений с донными станциями.
Амплитудные аномалии на сейсмических разрезах, связанные с газонасыщением пород, и возможности выбора безопасной площадки для установки буровой платформы
Выбросы газа при попадании бурового инструмента даже в небольшие скопления в отложениях, могут приводить к разным аварийным ситуациям: если даже не произошел взрывной выброс с непосредственной аварией буровой платформы, как на приведенном на рис. 1 примерах, то постепенная утечка газа может привести к падению давления внутри пластов, и как следствие, к оседанию грунта. Если здесь окажется одна из опор буровой платформы, то авария неизбежна.
Скопления газа в геологическом разрезе могут иметь разный характер и могут по разному проявляться на сейсмических разрезах.
Чем вызваны «яркие пятна» на сейсмических временных разрезах? Всегда ли это отражения от скоплений газа? Для проверки этого предположения мы преобразовываем временные разрезы в разрезы огибающей амплитуд и разрезы полярностей сигнала. Обычно отражения от газовой залежи имеют отрицательную полярность, о чем свидетельствуют наши примеры (Гайнанов, 2008; Танер и Шериф, 1982).
Грязевые вулканы образуются при выбросе газонасыщенной грязевулканической брекчии с больших глубин (Иванов и др., 1989). «Яркие пятна» вблизи жерла этих вулканов свидетельствуют о скоплениях газа, образовавшихся в «карманах» горных пород при этом процессе. Распределение этих небольших скоплений газа в осадках на определенной глубине от дна водоема, по-видимому, является некоторым подобием BSR – Bottom Simulating Reflections, который обычно индицирует границу стабильности газогидратов. Наши расчеты термобарических условий на этих глубинах по данным бурения Гломар Челленджер также подтверждают это (Gainanov et all, 1998).
На примере с Северного Каспия проектное положение буровой платформы как раз попадало на это большое «яркое пятно», после проведения сейсмоакустических исследований на этой площадке было рекомендовано сместить положение платформы в более безопасное место (Гайнанов и др., 2005).
Следующий пример, любезно представленный нам коллегами из Риги (Безродных и др; 2002), показывает, как в результате анализа данных сейсмоакустического профилирования первоначально выбранная площадка для установки буровой платформы была перенесена в новое место, где опасность попадания в скопления газа считается маловероятной.
Комплексные сейсмоакустические исследования площадок под установку буровых платформ в центральной части Каспийского моря
Среди методов исследований были: 1) многолучевой эхолот; 2) одноканальное сейсмоакустическое профилирование; 3) параметрический профилограф SES-96, и другие (Гайнанов и др., 2005).
Отработанный в самом начале исследований региональный профиль благодаря достаточно высокому разрешению и глубинности исследований дал много информации об особенностях геологического строения верхней части разреза (рис.5) – выделяются несколько струтурных этажей, разделенных четко выраженными несогласиями, хорошо видно строение «осадочных волн», характерных для этого места (Поляков и др., 2006), на увеличенных фрагментах можно наблюдать «яркие пятна», вызванные скоплениями газа.
К сожалению, для данных сейсмогеологических условий сверхвысокоразрешающий параметрический профилограф SES-96 оказался малоинформативным – на приведенном на рис. 6 сравнении разреза SES-96 с сейсмоакустическим разрезом, глубинность SES-96 оказывается в десятки раз меньше, и никакой новой инофрмации уже не дает. На сейсмоакустическом разрезе можно выделить несколько структурных несогласий, дифрагированные волны от неоднородностей, по-видимому, оползневых тел.
Инженерно-геологические изыскания в заливе Св. Петра под строительство портовых сооружений
В настоящее время все чаще используются многоканальные сейсмоакустические наблюдения. На приведенном ниже примере данные получены с использованием 16-канальной пьезокосы общей длиной 40 м (шаг между гидрофонами 2 м). Возбуждение колебаний осуществлялось источниками типа спаркер (частота излучаемых колебаний 100-1000 Гц) или бумер (частота 500-5000 Гц). Буксировка излучателя и приемной косы осуществлялась с использованием специального плотика на глубине 0,3 – 0,9 м от поверхности воды. Интервал между точками излучения составлял 1,5-2,5 м, при скорости судна 3 – 5 узлов. Полевые работы проводились по методике многократных перекрытий (МОГТ), с кратностью перекрытия в среднем 8 - 16 раз.
Обработка данных проводилась в системе «RadExPro» и включала основные процедуры способа ОГТ: частотную фильтрация, регулировку амплитуд, скоростной анализ, суммирование трасс ОГТ. По мере необходимости осуществлялся ввод и коррекция статических поправок, деконволюция и двухмерная фильтрация данных. Для более достоверного определения физической природы границ по отдельным участкам профилей вычислялись мгновенные амплитуды и полярности отражений (Гайнанов и др., 2007, 2008, 2008а, 2008б).
Исследования проводились в заливе Св. Петра вблизи Находки во время инженерно-геологических изысканий под строительство портовых сооружений. В задачи работ входило изучение верхней части разреза до глубины 30–100 м по грунту с разрешающей способностью 0,5–3 м. Требовалось расчленить разрез на верхнюю рыхлую толщу и коренные отложения, выделить разломы, зоны залегания рыхлых “полужидких” илов и газоносных отложений.
Коренные отложения представлены здесь в основном интрузивными и эффузивными породами, а также метаморфизированными осадочными образованиями, осадочная толща сложена песчано-глинистыми отложениями различного типа – от прибрежно-морских до морских. Так как район исследований тектонически активен, то конфигурации границ и мощности отложений сильно изменяются даже в пределах небольшого участка инженерных изысканий.
Во многих местах на сейсмоакустических разрезах выделяются отдельные сильные отражающие границы, интенсивность отражения от которых иногда даже превышает интенсивность отражения от дна (Рис. 7). Так как эти “яркие пятна” по их проявлению на временных разрезах напоминают упомянутые выше отражения от скоплений газа, был соблазн интерпретировать их именно так. Однако для более достоверной оценки физической природы этих “ярких пятен” по отдельным участкам профилей мы провели специальную углубленную обработку (Рис. 7, б–д).
На разрезе полярности отражений (Рис. 7, д) видно, что часть “ярких пятен” характеризуется отрицательной полярностью отражений, а другая, хотя и меньшая часть, – положительной полярностью. Отрицательная полярность отражений свидетельствует об уменьшении акустической жесткости среды под границей, в данном случае – о значительном уменьшении, что, по всей видимости, обусловлено газонасыщением этих осадков. О том, что это скопления газа, говорит также распределение их в разрезе – кулисообразное расположение на разных уровнях и в форме “факелов”. Интенсивные отражения положительной полярности, по-видимому, образованы от поверхности коренных пород или от поверхности крупнообломочных отложений, состоящих по большей части из обломков коренных пород.
Относительно высокие значения пластовых скоростей (2200–2400 м/с), полученные для этих интервалов разреза по результатам скоростного анализа многоканальных данных, подтверждают этот вариант интерпретации (Рис. 7, г).
На разрезе мгновенных амплитуд (Рис. 7, г) можно заметить, что интенсивность отражений от дна вдоль профиля меняется. Действительно, на графике (Рис. 7, в) видны существенные изменения амплитуды отраженной от дна волны: в центральной части профиля – на опущенном участке дна амплитуда ниже, чем в начале и конце профиля на приподнятых участках дна. Это позволяет утверждать, что опущенный участок дна сложен акустически менее плотными отложениями, чем приподнятые участки. Конфигурация границ на сейсмическом временном разрезе (Рис. 7, a, б) показывает, что здесь на дне залегают наиболее молодые отложения, что также говорит в пользу этого утверждения. И, наконец, ровная и почти горизонтальная поверхность дна может быть обусловлена рыхлостью и “полужидким” состоянием этих осадков.
Данные о пластовых скоростях также подтверждают такой вариант интерпретации изменения коэффициента отражения от дна в центральной наиболее глубоководной части профиля (Рис. 7, г) – здесь пластовая скорость в придонных отложениях падает до 1540 м/с, в то время как скорость в приподнятых участках дна имеет значения 1630–1800 м/с.
Таким образом, комплексная интерпретация динамических и кинематических параметров сейсмоакустической записи на данном примере позволяет вполне достоверно идентифицировать разные по литологии и физико-механическим характеристикам отложения даже при отсутствии прямых скважинных данных.
Сейсмоакустические исследования при инженерных изысканиях для трубопроводных переходов и мостов через реки
На рис. 8 представлен сейсмоакустический разрез через русло большой реки, у которой на правом берегу обнажаются известняки, а левый берег является аккумулятивным и болотистым (Гайнанов и др., 2008). На разрезе четко выделяется подошва аллювиальных отложений, накопленных у левого берега реки. На профиле, пройденном вдоль реки, наблюдаются песчаные валы, накопленные в русле (Рис. 8, а). Распространение песчаных валов в плане хорошо видно на мозаике ГЛБО (Рис. 8, б).
Результаты скоростного анализа многоканальных данных использовались при интерпретации для перестроения временного разреза в глубинный, а также для более достоверной идентификации литологии и физических свойств выделенных типов отложений. Например, известняки, залегающие у правого берега и глубоководной части русла реки выделяются достаточно большими значениями пластовых скоростей – 2000 - 2200 м/с (Рис. 10 -1), в то время как аллювиальные отложения характеризуются значениями около 1600-1700 м/с (Рис. 10-2). Следует заметить, что, хотя известняки отличаются от аллювиальных отложений более высокими значениями сейсмических скоростей, но эти значения очень низкие для известняков. Это свидетельствует о разрушенности и рыхлости известняков, так что их несущая способность должна быть низкая.
Новые технологии сейсмических исследований при инженерных изысканиях на акваториях
Все большее расширение строительных и производственных работ на акваториях, возрастающая опасность от аварий на таких объектах, и в то же время растущие технические возможности для сейсмических исследований, привели к разработке новых технологий таких исследований в попытках получить больше информации об исследуемых геологических объектах - большей глубинности исследований, более высокой разрешающей способности, возможности оценки литологии и физико-механических характеристик грунта (Токарев и Гайнанов, 2016).
Далее мы даем краткий обзор таких технологий, некоторые из которых мы разработали сами, или совместно с нашими коллегами, а также те, которые мы знаем по опубликованным данным, и можем оценить адекватно.
Сейсмоакустическое профилирование с заглубленной расстановкой
Первые разработчики метода сейсмоакустического профилирования на акваториях исходили из предпосылки обеспечения максимальной амплитуды посылаемого в среду сигнала и оптимальных условий его приема. При одноканальном приеме и без возможности последующей обработки данных это требовало буксировки источника и приемника на глубине, равной 1/4 преобладающей длины волны. При этом отраженная от поверхности воды волна синфазно суммируется с первоначальной, и тем самым амплитуда суммарного сигнала кратно возрастает (Гайнанов, 2019; Шалаева и Старовойтов, 2010). Однако волнение моря и постоянно меняющаяся глубина буксировки приводят к изменениям амплитуды и формы суммарного сигнала и делают невозможными точную оценку отражательной способности границ.
