ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА БАМе Согласованы с Главтранспроектом МОСКВА 1977 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕВ настоящей работе приводятся рекомендации по применению сейсмоакустических методов при инженерно-геологических изысканиях в условиях Байкало-Амурской магистрали. Она выполнена на основе исследований ЦНИИСа, проведенных на некоторых характерных участках трассы БАМа, и опыта работы ряда организаций в районах распространения вечной мерзлоты. Исследования проводила лаборатория инженерной геологии и геофизики в содружестве с Ленгипротрансом. В Рекомендациях указаны объекты и типы разрезов, благоприятные для изучения сейсмоакустическими методами, необходимые аппаратуре, оборудование, описаны методика наблюдений и приемы интерпретации получаемых материалов. В дальнейшем, по мере накопления экспериментального материала, Рекомендации будут дополнены. Работа предназначена для геофизиков проектно-изыскательских институтов, ведущих инженерно-геологические изыскания на трассе БАМa. Авторы: О.П. Аникин (гл. 2, 3, 4 и приложения) и Ю.В. Горшенин (гл. 1 и 5). Зам. директора института Н.Б. СОКОЛОВ Руководитель отделения изысканий и проектирования железных дорог Д.М. КОЗЛОВ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1.1. При проектировании сейсмоакустических работ в качестве ориентировочных можно принимать скорости распространения упругих волн в мерзлых породах, указанные в таблице [1-8].
Из таблицы видно, что одни и те же скорости могут быть присущи различным породам, находящимся в различных температурных условиях. Однако если брать сравниваемые мерзлые породы при одинаковой температуре, тo имеющиеся различия в скоростях распространения упругих волн в разных горных породах заметно увеличиваются (рис. 1) [6]. Рис. 1. Диаграмма скорости распространения упругих волн в мерзлых горных породах при одинаковых температуpaх 1.2. Наиболее сильно на скорости распространения упругих волн в горных породах влияют температура и влажность (рис. 2 и 3). В области положительных температур скорость при понижении температуры не изменяется, в области отрицательных (ниже минус 5°С) она медленно возрастает с понижением температуры. В переходной области (от 0 до минус 2-5°С) скорость претерпевает резкие изменения (в 2-3 раза). При этом наиболее быстро она нарастает в рыхлых несвязных и скальных породах при падании температуры от 0 до минус 2°С, более плавно - в глинистых при падении температуры от 0 до минус 16°С. Это объясняется различным характером фазовых переходов вода-лед в породах разной дисперсности и литологии. В сухих песках и трещиноватых скальных породах скорость распространения упругих волн с переходом в область отрицательных температур повышается незначительно (на 6-10 %) [7, 8]. О степени влияния влажности на скорость paспpocтpaнения Рис. 2. Зависимость скорости распространения ультразвуковых волн VP от температуры t и типа скальных пород Прибайкалья: а - в воздушно-сухом состоянии; упругих волн дают представление графики на рис. 2 и 3. В рыхлых породах скорость в области отрицательных температур резко вoзpaстает при увеличении влажности. Рис. 3. Зависимость скорости распространения сейсмических волн Vp в мерзлых песчано-глинистых грунтов от их весовой льдистости W и температуры t: а - песок крупнозернистый; б - песок мелкозернистый; в - супесь; г - суглинок; - твердомерзлые; - пластичномерзлые; - сыпучемерзлые грунты; цифры 1-10 номера кривых Пороговое значение влажности, начиная с которого ее рост сопровождается заметным увеличением скорости, для песков составляет 0,2-0,3 %, для супеси - 2.5 %, для суглинков -5,5%, Для скальных пород пороговое значение влажности в области отрицательных температур достигает в зависимости от типа пород 1,5-3,5 % Приведенные выше данные рекомендуется использовать при изучения мерзлых разрезов сейсмоакустическими методами. 1.3. В зависимости от наличия многолетнемерзлых по род и характера их расположения все геологические разрезы в районах трассы БАМа можно разделить на несколько типов (рис. 4). В каждом из типов имеется слой сезонного оттаивания-замерзания мощностью 1-4 м. В талых рыхлых грунтах может быть еще и граница, соответствующая уровню грунтовых надмерзлотных вод. Особой разновидностью мерзлотных разрезов являются зоны таликов, имеющие крутопадающие боковые границы, а также включения подземных льдов различной формы. 1.4. На БАМе можно выделить следующие объекты, благоприятные для изучения сейсмоакустическими методами: мостовые переходы искусственные сооружения через водотоки; выемки и полувыемки; осыпи, курумы и другие глыбовые образования; подземные льды и массивы высокольдистых рыхлых пород. На данных объектах решаются следующие инженерно-геологические задачи: определение глубины залегания кровли коренных пород, мерзлых и рыхлых отложений; выделение в мерзлых рыхлых толщах литологических границ; выявление и оконтуривание таликов, подземных льдов и массивов сильнольдистых рыхлых пород; определение объемной льдистости рыхлых пород, уровня грунтовых вод; выявление зоны разрушенных скальных пород и определение ее мощности.
Рис. 4. Геокриологические разрезы (I-VII - типы разрезов) 2. УЧАСТКИ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ И ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ2.1. При проектировании работ следует учитывать, что по своему строению геологические разрезы, наблюдаемые на участках, довольно однотипны. Сверху залегают рыхлые грунты, представленные валунно-, гравийно-галечными и песчано-глинистыми отложениями, которые подстилаются коренными, обычно скальными и полускальными породами. Разрез характеризуется относителъно большой мощностью рыхлой толщи (до 50 м) и значительным диапазоном ее изменения, высокой степенью влажности (льдистости) грунтов и, как следствие, повышенными скоростями распространения упругих волн. 2.2. Различие разрезов на участках переходов обусловлено в основном мерзлотным фактором. На БАМе встречаются практически все типы разрезов, отмеченные на рис. 4. Разрезы типов I, III, IV наиболее распространены в западной и восточной зонах, где нет сплошного развития вечномерзлых грунтов и мощность их относительно невелика. В центральной части БАМа такие разрезы приурочены к гидрогенным та ликам крупных рек и озер, а также к зонам тектонических нарушений. Разрезы типов II и VII характерны для центральной зоны БАМа, где мерзлота имеет сплошное распространение. На выделенных разрезах с помощью сейсморазведки можно решать следующие задачи: определение глубины залегания коренных пород; расчленение толщи рыхлых пород; определение глубины залегания кровли толщи мерзлых пород; оконтуривание таликов (участков мерзлоты); определение глубины уровня грунтовых вод. 2.3. Сеть профилей на участке наблюдений выбирают в зависимости от поверхностных условий, строения разреза, характера распространения мерзлоты в нем и решаемых задач. Профили наблюдений располагают по простиранию долины, поперек трассы. При наличии буровых скважин желательно, чтобы профили проходили через них. Если позволяют условия, поперечные профили увязывают между собой продольным профилем, проходящим по трассе или вблизи нее. Длина профилей определяется глубиной залегания коренных пород и типом разреза. При глубине исследований 10-15м длина профиля составляет 40-70 м и при максимальных глубинах (до 50 м) достигать 200-300 м. При одинаковой глубине исследований наименьшая длина профиля необходима для разрезов типов I и IV, наибольшая для разрезов типов II и VI. Разница в их длине может достигать двух и более раз. Необходимая длина профиля для разрезов остальных типов имеет промежуточное значение. Шаг расстановки сейсмоприемников по профилю должен составлять 3-10 м. Для определения верхних неглубоких границ разреза вблизи пункта возбуждения колебаний (ПВ) целесообразно отрабатывать расстановки с шагом 1-2 м. Систему наблюдений на профиле рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы обеспечить выделение сейсмических границ и определение сейсмических характеристик пород. Достаточные надежность, полнота и точность определений достигаются, как правило, по системе встречных и нагоняющих годографов из 3-6 ПВ. 2.4. В качестве измерительной аппаратуры применяют многоканальные сейсмостанции СС-24П, АСМ-2, "Поиск-1"-24 МОВ ОВ, СМП-24, установленные на автомобиле или вездеходе. В случае отсутствия подъездов следует использовать переносную 24-канальную станцию СС-24П, которую можно транспортировать поблочно. Отработку коротких расстановок с малым шагом вблизи ПВ удобно выполнять малоканальными установками ДОСУ-1 и ОСУ-1. При этом предпочтительна фиксация волновой картины на фотопленку. 2.5. Колебания возбуждаются взрывами зарядов массой от 50г до нескольких килограммов. Наибольший эффект достигается при взрывании ВВ в воде и мерзлых грунтах, при этом спектр возбужденных волн обогащен высокочастотными составляющими колебаний. Взрывы на суше осуществляют в ямках глубиной около 0,5 м. При разведке относительно малых (до 20 м) глубин короткими расстановками в благоприятных для передвижения по профилю поверхностных условиях рекомендуется использовать механические источники возбуждения (например, треноги с падающим грузом). Возбуждение волн кувалдой практикуют при отработке коротких расстановок и использовании малоканальных установок. Колебания принимаются вертикальными сейсмоприемниками, воткнутыми в грунт или установленными на торцах стержней, погруженных на некоторую глубину. Последний способ особенно эффективен при работе на мерях, стержни в этом случае следует погружать до слоя мерзлых пород. В комплекте оборудования необходимо иметь отдельный удлинитель к сейсмическим косам длиной 50-100 м. Это дает возможность отрабатывать несколько расстановок с одной стоянки сейсмостанций, что особенно эффективно, если аппаратура переносится вручную с разборкой и сборкой ее на новом месте. 2.6. На начальной стадии исследований целесообразно проводить опытные работы в небольшом объеме, во время которых уточняется система наблюдений, подбираются оптимальные фильтрации каналов, их чувствительность, тип источников возбуждения волн и величины зарядов ВВ. Методика измерений, характер волновой картины и интерпретация материалов имеют свои особенности в зависимости от типа разрезов. 2.7. Тип 1. Мерзлота в разрезе полностью отсутствует. Методика изучения разрезов этого типа подробно описана в литературе [9-11]. На записях колебаний наблюдаются следующие типы волн. Прямая волна tp, распространяющаяся со скоростью 200-500 м/с, прослеживается на ближних каналах до расстояний 5-20 м от ПВ, преломленная волна tM1ррр, имеющая скорость 1400-2000 м/с и связанная с толщей сильно обводнен ных рыхлых пород в первых вступлениях на интервале 10-150 м. Преломленная волна видна и в последующих вступлениях. Частоты колебаний волн tр и tM1ррp близки между собой и составляют 30-170 Гц. На больших удалениях в первые вступления выходит рефрагированная волна tCK1рpp, соответствующий градиентному слою трещиноватых скальных пород, плавно (граница 2-го рода) сменяемая головной волной от толщи относительно сохранных пород, характеризующейся скоростью 2500-5000 м/с. Рыхлая толща может расчленяться на слои, дающие свои преломленные волны. В ряде случаев от границы коренных пород регистрируется обменная волна типа PSP. Интерпретация полевых материалов не вызывает особых трудностей и производится с помощью обычных способов. В зимне-весенний период, когда вблизи поверхности образуется слой сезонномерзлых грунтов, условия исследований усложняются, а возможности сейсморазведки ограничиваются (см. тип VI). Поэтому работы рекомендуется проводить во второй половине летнего сезона, когда слой мерзлых пород отсутствует. 2.8. Тип II. Вся толща пород разреза находится в мерзлом состоянии. Разрез условно можно представить двухслойным, состоящим на покрывающей толщи рыхлых грунтов, подстилаемой коренными, обычно скальными породами. Волновая картина, наблюдаемая на разрезах данного типа, не отличается большой сложностью. Устойчиво регистрируются три группы волн, которые условно обозначены tMppp tCKppp tMPSP Волна tМррр - прямая или преломленная (при наличии сезонноталого слоя), связанная с поверхностью мерзлых грунтов. Скорость распространения волны равна 2500-4800 м/с, преобладающая частота колебаний составляет 50-250 Гц. Затухание волны малое, оси синфазности глад кие. По амплитуде она более интенсивная, чем волна tCKppp от коренных пород. Волна tCKppp - продольная преломленная, связанная c кровлей коренных пород, прослеживается в первых вступлениях, сменяя волну tMppp Смена волн определяется по интерференции их в области первых вступлений и непараллельности нагоняемых и нагоняющих годографов. Скорость распространения волны равна 4000-6000 м/с, преобладающая частота колебаний составляет 40-180 Гц. Оси синфазности волны более изрезанные, чем у волны tMppp от мерзлых рыхлых пород, Волна tMPSP - поверхностная релеевская или обменная типа РSР (при наличии значительной зоны сезонного оттаивания), связанная, как и волна tMppp с поверхностью мерзлых пород; прослеживается только в последующих за волнами tMppp и tCKppp вступлениях. По сравнению с вол ной tMppp рассматриваемая волна имеет в 1,7-2 раза меньшую скорость распространения и на 20-40 % меньшую частоту колебаний. Амплитуда колебаний ее в 2-3 раза больше, а затухание несколько более сильное. Другие типы обменных волн при объеме по системе не наблюдаются. В некоторых случаях при большом (в 2 и более раз) различии в скоростях волн tMppp и tCKppp от кровли скалы могут: регистрироваться обменные волны типа РSР. Слой ослабленных скальных пород, если он присутствует в разрезе, как правило, не отражаются в волновой картине записи из-за высокой льдистости пород разреза. При наличии слоя сезонноталых пород в первых вступлениях вблизи ПВ регистрируется прямая волна tp (см. тип I). Интерпретация материалов не вызывает трудностей и выполняется на основе известных методов t0 и разностного годографа. Построения выполняют по годографам первых вступлений волн tMppp и tCKppp. При трехслойном разрезе (присутствии слоя сезонноталых грунтов) глубину залегания коренных пород лучше определять по способу пластовых скоростей, так как при этом исключается влияние талого слоя и неидентичности установки сейсмоприемников. Однако для расчетов по указанному способу нужно располагать точными значениями tM0 от кровли мерзлоты на всем отрезке определения глубины залегания коренных пород, а это бывает часто связано с увеличением числа ПВ и наблюдением волн во вторых вступлениях. Толща рыхлых мерзлых пород с помощью сейсморазведки расчленяется лишь в том случае, когда тонкодисперсные грунты (глины, суглинки) подстилаются более высокоскоростными грубодисперсными (валунно-галечными и песками) отложениями. Из-за малого различия скоростей в контактирующих толщах эта граница выделяется только по непараллельности нагоняющих годографов. В волновой картине записи она, как правило, не отображается. При обратном порядке залегания указанных слоев в разрезе граница, естественно, не выделяется, так как преломленных волн на ней не образуется. Более детального разделения рыхлой мерзлой толщи сделать не удается. Участки таликов и чаш протаивания в мерзлых породах выделяют по следующим признакам: уменьшению скорости прямой волны (в 1,5-2 и более раз); увеличению значений t0 преломленных волн над таликами; уменьшению над таликом преобладающих частот колебаний преломленных (на 15-30 %) и особенно релеевских (на 30-60 %) волн при возбуждении их в мерзлых грунтах; увеличению амплитуды релеевских волн; отсутствию обменной волны tMPSP (при наличии значительного слоя сезонноталых пород). Выделение участков островной мерзлоты рекомендуется производить на основании тех же признаков, но характер изменения каждого из них будет противоположным изложенному выше. Наиболее благоприятные условия для исследования разрезов данного типа в самом начале летнего сезона, когда слой сезонноталых пород отсутствует или имеет малую мощность. 2.9. Тип III. Толща мерзлых рыхлых и скальных пород залегает на глубине, большей слоя сезонного промерзания и оттаивания. Разрез можно представить как трехслойный, состоящий из верхнего слоя - талые рыхлые породы, среднего - мерзлые рыхлые породы и нижнего - мерзлые коренные породы. При значительной мощности талого слоя в нем выделяется граница, связанная с уровнем грунтовых вод. Волновая картина, наблюдаемая на разрезе данного типа, складывается из фрагментов картин разрезов типов I и II (см. выше), В ближней к ПБ зоне, протяженность которой зависит от мощности слоя талых пород, характер волновой картины такой же, как и в разрезах типа I. В первых вступлениях прослеживается прямая tp и преломленная tM1ppp про дольные волны. Далее в первые вступления выходит волна tMppp связанная с поверхностью мерзлых пород, и вол новая картина становится полностью сходной с той, которая наблюдается в разрезах типа II. Интерпретация материалов не представляет особых трудностей и выполняется обычными для многослойных разрезов методами. Наибольшая трудность состоят в определении мощности рыхлых мерзлых грунтов и глубины залегания коренных пород. Мощность мерзлого слоя определяется с наибольшей ошибкой, при этом наилучшие результаты обеспечивает способ пластовых скоростей (см. тип II трехслойный разрез). Наличие опорных скважин на профиле наблюдения или вблизи него упрощает задачу интерпретации. В начале летнего сезона в верхней части разреза присутствует слой сезонномерзлых пород, который создает значительные трудности в исследовании разреза, понижает точность и надежность определений (см. тип VII). Поэтому наблюдения наиболее удобно проводить во второй половине сезона, когда этого мерзлого слоя нет. 2.10. Тип VII. Верхняя граница мерзлоты совпадает с кровлей коренных пород. Разрез данного типа является самым благоприятным для применения сейсморазведки. Разрез двухслойный, состоящий из верхнего талого слоя рыхлых пород, подстилаемого толщей мерзлых коренных. Контакт между ними является сильно преломляющей границей. Волновая картина сходна с той, которая наблюдается в разрезе типа I. Характеристика преломленной волны tCKppp приведена в описания волновой картины для разреза типа II. Вследствие большой скоростной дифференциации толщ от кровли скалы может часто регистрироваться обменная волна tCKPSP типа РSР. Слой сезонных рыхлых грунтов, как и предыдущем случае, создает трудности в исследовании разреза, поэтому работы лучше проводин, когда мерзлый слой отсутствует. 2.11. Тип V. Верхняя граница мерзлоты находится в коренных породах. Выше нее разрез полностью совпадает с разрезом типа I, исследование которого не вызывает трудностей. О характере границы мерзлоты в скальных породах известно мало. Разница скоростей распространения волн в талых и мерзлых грунтах при высокой их влажности зависит от степени трещиноватости и пористости пород (см. рис 2). В сильно трещиноватых и пористых породах при замерзании скорость может возрасти в 2 и более раз, в сохранных монолитных породах она практически не изменяется. В волновой картине, регистрируемой на таком разреза, можно отметить следующие особенности. Преломленная волна tCKppp от кровли коренных пород будет прослеживаться на ограниченном отрезке, длина которого зависит от мощности слоя талых коренных пород. Далее в первые вступления вый дет волна tMppp от поверхности мерзлых коренных пород. Смена волн устанавливается по непараллельности ей нагоняющих годографов и зоне интерференции волн tCKppp и tMppp Наибольшую трудность представляет определение мощности слоя коренных талых пород, особенно при небольшой ее величине. Как и для разрезов типов II и IV, слой сезонной мерзлоты создает значительные трудности. 2.12. Тип VI. Отличается от разреза типа I тем, что в толще рыхлых пород присутствует мерзлый слой небольшой мощности. Скорость распространения волн в этой слое близка к скорости в коренных породах или превышает ее. В последнем случае мерзлый слой является сейсмическим экранном по отношению ко всей нижележащей толще. Если мощность мерзлого слоя более 10 м (более половины длины волны), то изучение наземной сейсморазведкой толщи, лежа щей ниже мерзлого слоя, невозможно. Если же мощность этого слоя меньше 10 м, то с некоторыми ограничениями изучение возможно (приложение I). Волновая картина имеет следующий вид. После прямой tp или преломленной tM1ppp волн в первые вступления выходит преломленная tMppp волна от кровли мерзлого слоя от той же границы регистрируется обменная волна tMpsp (см. тип I). Необходимо отметить только повышенное затухание волн с расстоянием, зависящее от отношения мощности слоя к длине волны. Чем меньше мощность, тем больше затухание с расстоянием. Волна tMРРР остается в первых вступлениях на всех удалениях от ПВ. Волна tCKppp в таком разрезе практически всегда следится в последующих вступлениях (см. приложение I, рис. 4 и 5). Успех ее выделения зависит от степени разреженности во времени с волной tMppp. Разреженность в свою очередь зависит в основном от мощности мерзлого и талого слоев. Если затухание волны не очень сильное, то при горизонтальных границах не играет большой роли удаление от ПВ участка наблюдений, так как оси синфазности упомянутых волн примерно параллельны. При ощутимой разнице скоростей волн tMppp и tCKppp или наклоне поверхности коренных пород удаление от ПВ оказывает существенное влияние на разреженность волн и соответственно на условия выделения волны tCKppp При сильном затухании волны tMppp (малая мощность мерзлого слоя) наблюдения целесообразно вести на значительных удалениях от ПВ, где волна от мерзлоты имеет малую интенсивность. В связи с регистрацией волны tCKppp во вторых вступлениях важную роль при измерениях играет точный подбор мощности возбуждения и чувствительности приемной аппаратуры. Слой рыхлых талых пород, залегающий под слоем мер злых, в волновой картине записи не отображается. При интерпретации материалов основная трудность состоит в точном определении времен вступления волны tCKppp и средней скорости ее распространения в покрывающий коренные породы толще. Обе задачи надежно решаются лишь при наличии на профиле наблюдений опорной скважины, в которой должен быть проведен сейсмический или ультразвуковой каротаж. Присутствие слоя сезонномерзлых пород создает дополнительные трудности в разведке разреза подобно тому, как слой многолетнемерзлых пород затрудняет исследование нижележащей толщи. Поэтому работы лучше проводить во второй половине сезона при отсутствии слоя сезонномерзлых пород. 2.13. Тип VII. Данный тип разреза отличается от разрезов типов II-V тем, что в толще рыхлых талых пород имеется мерзлый слой ограниченной мощности. Присутствие этого слоя вызывает те же трудности, что и при разведке разреза типа VI. Ситуация в отношении верхней границы вечномерзлых рыхлых пород полностью) аналогична разрезу типа III, а коренных талых пород - разрезу типа V. Для мерзлых коренных пород расположенный выше мерзлый слой не является экраном при любой его мощности. Поэтому волны от этих границ при больших удалениях от ПВ можно наблюдать в первых вступлениях. Однако это целесообразно делать лишь при большой мощности мерзлого слоя, когда разрез близок к типу II, или при малом расстоянии от этого слоя до нижнего мерзлого массива, когда разрез близок к типу III. При малой мощности экранирующего слоя и расположении его вблизи поверхности волны от нижележащих границ лучше регистрировать во вторых вступлениях на относительно малых удалениях от ПВ. Однако во всех случаях, как и для разрезов типа VI, необходимы опорные скважины для определения скорости распространения волн в покрывающей толще и уточнения положения границ в разрезе. Наиболее благоприятным периодом исследований является вторая половина летнего сезона, когда отсутствует слой сезонно-мерзлых пород. 3. УЧАСТКИ ВЫЕМОК И ПОЛУВЫЕМОК3.1. Участки выемок и полувыемок расположены на приподнятых отметках местности и характеризуются относительно пересеченным рельефом поверхности, нередко значительной ее крутизной, худшей доступностью участка в транспортном отношении по сравнению с мостовыми переходами. Геологический разрез имеет обычно следующее строение. Сверху залегают песчано-глинистые грунты, как правило, с большим включением щебня и глыб. Их подстилает толща скальных пород, в верхней части более разрушенная и выветревая, с глубиной постепенно переходящая в более сохранные монолитные породы. Разрез характеризуется относительно малой (до 10 м) мощностью рыхлых отложений и малой степенью влажности (льдистости) пород, пониженными величинами скоростей распространения волн и меньшей сохранностью коренных пород. Различие разрезов, как и на мостовых переходах, обусловлено мерзлотным фактором. Мерзлотные условия на косогорах обычно проще, чем на мостовых переходах, особенно в зонах гидрогенных таликов. В зависимости от характера замерзлоченности на участках выемок и полувыемок встречаются разрезы типов I-V и реже разрезы типов VI-VII (см. рис. 4). Разрезы типов I, III-УI наиболее часты в западной и восточной зонах БАМа, а типов II и VI в цент ральной. На выделенных разреpах c помощью сейсморазведки решаются следующие задачи: определение глубины залегания коренных пород; выявление зоны разрушенных скальных пород в верхней части массива и определение ее мощности; определение положения кровли мерзлых пород; дифференциация толщи рыхлых пород; оконтуривание участков таликов в зонах дробления. 3.2. Профили наблюдений располагают обычно вдоль участка выемки по ее оси и на поперечниках к трассе через 50-100 м. При этом нужно учитывать рельеф местности и эффект проницания на выпуклых его элементах. При наличии буровых скважин, шурфов и точек электроразведочных наблюдений нужно стремиться к кому, чтобы сейсмические профили проходили через них. При мощности рыхлого слоя порядка 10 м длина профиля составляет 40-60 м, реже 100 м. Более длинные профили необходимы на сильнозамерзлочнных разрезах (типа II, III) и короткие - на талых (тип I) или слабозамерзлоченных (тип IV) разрезах. Расстояние между сейсмоприемниками составляет 1-3, реже 5 м. Расстановки с более редким шагом отрабатываются по оси выемки. Намерения ведут по системе встречных и нагоняющих годографов с 4-6 ПВ. 3.3. В качестве измерительной аппаратуры рекомендуется использовать многоканальные сейсмостанций, при этом необходимо ориентироваться на переносную аппаратуру. Из отечественных многоканальных станций такой является лишь СС-24П, которая снята с производства и не в полной мере отвечает требованиям инженерной сейсморазведки [13]. Из зарубежных образцов очень удобна шведская 12-канальная переносная станция Trio - R. Для регистрации первых вступлений волн на коротких профилях рекомендуется применять малоканальную переносную аппаратуру типов ДОСУ-1 и ОСУ. При этом желательна фиксация волновой картины на фотопленку. Очень удобны и наиболее приемлемы для условий изысканий малоканальные переносные установки американской фирмы "Бизон". 3.4. Возбуждение колебаний на относительно длинных расстановках с применением многоканальных станций наиболее удобно осуществлять взрывами ВВ массой от 50 г до 1-2 кг. Хуже, но возможно использовать для этих целей мощные механические источники (тренога со сбрасываемым грузом). При относительно небольших удалениях от ПВ и применении малоканальных установок колебания возбуждают с помощью кувалды. Прием колебаний осуществляют вертикальными сейсмоприемниками, которые втыкают в грунт или ставят на камни. В последнем случае на сейсмоприемники вместо штырей навинчивают диски. Рекомендуется иметь удлинитель (50-100 м) сейсмических кос. На начальной стадии исследований работы следует проводить по расширенной схеме как опытно-производственные. На зтом этапе уточняют сеть и методику наблюдений, подбирают оптимальные параметры аппаратуры. Особенности разведки разреза каждого типа, характер волновой картины на записях наблюдений и интерпретация материалов зависят от типа разреза. 3.5. Тип I. Мерзлота в разрезе отсутствует. Изучение разреза не представляет значительных трудностей и подробно освещено в литературе. Волновая картина на выемках сходна с той, которая наблюдается на мостовых переходах. Особенностью рассматриваемого разреза является наличие, как правило, мощной зоны разрушенных пород в верхней части массива, от которой регистрируется рефрагированная волна tCK1ppp плавно переходящая в головную tCK2ppp от относительно прочных пород. Наличие слоя сезонномерзлых пород создает большие трудности в исследовании разреза (см. тип VI), поэтому работы лучше проводить во второй половине сезона, когда мерзлота отсутствует. 3.6. Тип II. Весь разрез замерзлочен. Как и на мостовых переходах его можно представить двухслойным: верхний слой - рыхлые породы и нижний - скальные. При наличии слоя сезонного протаивания, который к концу сезона может достигать 3-4 м, разрез будет трехслойным (приложение 2). Зона разрушенных скальных пород по-разному проявляется в сейсмогеологическом разрезе. В случае высокой льдистости пород она неотделима от остальной сохранной части массива и не отражается в записи волновой картины. Если льдистость скальных пород и покрывающей толщи невелика, то зона разрушенных скальных пород или часть ее будет представлять градиентный слой со значением скорости, увеличивающийся с глубиной, от которого регистрируется рефрагированная волна. Характер картины на выемках такой же, как и на мостовых переходах. На записях наблюдаются те же группы волн: tР - от талого слоя, tMppp и tMPSP - от кров ли мерзлого слоя и tCKppp - от коренных пород (см. приложение 2, рис. 3). Из-за меньшей льдистости пород разреза они характеризуются несколько меньшими скоростями распространения волн и большим диапазоном изменения их. В рыхлых отложениях скорость распространения продольных волн составляет 1800-4000 м/с, в скальных - 2500-5500 м/с. Вследствие относительно малых глубин исследований, высоких скоростей распространения волн и, следовательно, потенциально больших ошибок в определении глубины залегания границ измерения нужно выполнять с максимальной аккуратностью и точностью. В противном случае ошибки в определениях могут быть сопоставимыми по величине с определяемыми глубинами или мощностями слоев. В целом интерпретация материалов не представляет значительных трудностей и может быть проведена на основе обычных методов, применяемых для двух-, трехслойных pазpeзов. При наличии опорных скважин интерпретация упрощается, точность и надежность определений повышаются. При интерпретации двухслойных разрезов, в которых отсутствует сезонноталый слой, достигается относительно высокая точность даже при отсутствии опорных скважин. Однако ввиду того, что этот слой на косогорных участках образуется очень быстро и достигает значительной мощности, работы зачастую приходится вести при его присутствии. Наибольшая точность в определениях обеспечивается при работе на коротких профилях с получением нагоняющих годографов ПВ. Последние нужны для выделения рефрагированных волн от разрушенного слоя скальных пород, если он присутствует в разрезе, и для корректировки положения toм и toк при определении мощности слоя рыхлых мерзлых пород и, следовательно, глубины границы. В районах развития вечной мерзлоты на участках тектонических нарушений нередко бывают развиты талики. Выделение же таликов, как и на мостовых переходах, не представляет больших трудностей. В тех случаях, когда талики не сопутствуют участку тактонического нарушения, вероятность выделения его мала, особенно при большой льдистости пород. Задача расчленения толщи рыхлых мерзлых пород не очень актуальна из-за малой мощности рыхлого слоя. Как и на разрезах мостовых переходов, это делается по непараллельности нагоняющих годографов. Наиболее благоприятным временем проведения работ является начало летнего сезона, когда талый слой отсутствует или имеет малую мощность. 3.7. Тип III. Верхняя граница вечномерзлых грунтов находится ниже слоя сезонного промерзания и оттаивания. В принципе данный разрез повторяет разрез типа II когда в последнем имеется слой сезонноталых пород. Поэтому методика измерений, характер волновой картавы и интерпретация результатов мало отличаются от принятых для этого типа. Разница заключается в том, что из-за большей мощности талого и малой мощности мерзлого слоя насколько позже выходит в первые вступления в прослеживается на более коротком интервале волна tмppp oт мерзлого слоя. Это создает некоторые трудности при построении годографа вступлений волны tмppp и, как cледствие, при определении мощности рыхлого мерзлого слоя, перекрывающего породы. Отличие разреза данного типа от предыдущего главным образом в том, что наиболее благоприятным временем изучения этого разреза является вторая половина полевого сезона, когда отсутствует сезонномерзлый слой, а не начало, как для разреза типа II. При наличии сезонномерзлого слоя по условиям проведения работ, характеру волновой картины и интерпретации результатов разрез приближается к разрезу типа VI, и уверенная интерпретация давних становится возможной лить при наличии опорных скважин. 3.8. Тип IV. Верхняя граница вечномерзлых грунтов совпадает с поверхностью скальных пород. Данный разрез благоприятен для сейсморазведки. Кровля мерзлой скалы является наиболее сильной предвидящей границей в разрезах всех типов. Глубина ее определяется с высокой точностью практически любой аппаратурой. Выделение градиентного слоя в скальных породах представляет большую трудность по сравнению с разрезом типа II. Присутствие мерзлого слоя с поверхности, как и в разрезах типа III, осложняет исследование разреза. 3.9. Тип V. Верхняя граница мерзлоты находится в толще скальных пород. Выше этой границы разрез полностью соответствует разрезу типа I. Граница мерзлоты в скальных породах носит тот же характер, что и на мостовых параходах. Скачок скоростей на косогорах для этой границы может быть меньше, чем на участках переходов, из-за меньшей влажности (льдистости) пород. Слой сезонной мерзлоты создает те же трудности, что и в разрезах типов III и IV. 3.10. Типы VI и VII. Данные типы разрезов отличаются от разрезов типов I, III-V тем, что в них сверху находится слой мерзлых грунтов. В пределах глубин, изучаемых при изысканиях, это могут быть или перелетки, или сезонномерзлые слои. Изучение разрезов данных типов представляет значительную трудность и требует наличия опорных скважин для получения точных и надежных результатов (см. мостовые переходы, разрезы типов VI и VII). 4. УЧАСТКИ ОСЫПЕЙ И КУРУMOB4.1. По геологическому строению осыпи и курумы можно разделить на два вида разрезов. В разрезах вида I слой глыб, валунов и щебня (глыбовый слой) с незаполненными пустотами мощностью от десятков сантиметров до 3-5 м подстилается скальными породами. В разрезах вида II слой глыб, валунов и щебня залегает на толще тех же пород, но с пустотами, заполненными более тонкодисперсным грунтом, или на толще песчано-глинистых пород (рыхлых породах). Скальные породы, подстилающие рыхлую толщу, могут залегать на разных глубинах и в зависимости от этого попадать или не попадать в сферу исследования разреза. Попадают они, как правило, в тex случаях, когда осыпи и курумы расположены на участках выемок и полувыемок. Верхний глыбовощебенистый слой находится в зоне сезонного промерзания и оттаивания. Однако сейсмические свойства его практически не меняются в зависимости oт времени года. Сейсморазведкой на осыпях я курумах решают следующие задачи: определение мощности глыбового слоя без заполнителя; определение типа пород (рыхлые или скальные), подстилающих глыбовый слой. Остальные задачи, связанные с исследованием нижележащей толщи разреза, зависят от типа сооружения на осыпи и куруме и рассматриваются в предыдущих разделах настоящих Рекомендаций. 4.2. Наблюдения проводят на относительно коротких профилях (до 30-50 м), расположенных чаще по "течению" каменного потока поперек прохождения трассы, или на двух взаимно перпендикулярных направлениях - поперек и вдоль трассы. Колебания принимаются вертикальными сейсмоприемниками, установленными на глыбы с помощью дисков, навинченных на место штырей. Шаг расстановки сейсмоприемников по профилю наблюдений составляет 1-2 м. Колебания возбуждают кувалдой, что бывает достаточно по мощности при изучении непосредственно осыпей и курумов. Применение более мощных источников возбуждения волн необходимо при изучении нижележащей толщи разреза. Однако использование их на осыпях и курумах требует больших затрат труда. Для исследований можно применять любую аппаратуру. При длинных расстановках и большой глубине исследования рекомендуется использовать многоканальные станции. Системы наблюдений довольно разнообразны: от единичных годографов до системы встречных и нагоняющих годографов с 3-5 ПВ. Последняя наиболее распространена, так как обеспечивает большую точность и надежность определений и позволяет решать задачи по изучению нижележащей толщи. Исследование разрезов каждого вида имеет свои особенности. 4.3. Исследование разрезов вида I не вызывает трудностей в любой период полевого сезона. Кровля скалы (как талой, так и мерзлой) представляет сильную преломляющую границу. Волновая картина разреза проста. В ближней к ПВ зоне до 5-20 м в первых вступлениях прослеживается прямая или слаборефрагированная волна tp от глыбового слоя. Скорость распространения волны равна 350-500 м/с, преобладающая частота колебаний составляет 120-150 Гц. Оси синфазности волны часто изломаны, что особенно характерно для крупноглыбовых образований. Заметны изменения в частоте колебаний и их амплитуде. За пределами ближней зоны в первые вступления выходит преломленная волна tскррр от поверхности скальных пород и далее, волна tмррр от поверхности мерзлоты, если та не совпадает с кровлей скальной толщи (см. мостовые переходы и выемки, разрезы типов IV и V). Интерпретация материалов проста и общеизвестна. Мощность глыбового слоя определяется точно и надежно. 4.4. Разрезы вида II более сложны для исследования (приложение 3). Определяющим фактором является наличие мерзлоты в разрезе и ее положение в толще рыхлых грунтов. При отсутствии вечной мерзлоты или глубоком залегавши ее в разрезе подстилающие рыхлые грунты находятся в талом состоянии (вид Па). Контакт между ними и верхним глыбовым слоем является слабой преломляющей границей, которая может и не отображаться на записи колебаний из-за малой дифференциации толщ по скоростям волн. Наибольшие возможности для сейсморазведки имеются при глинистом или суглинистом подстилающем слое, характеризующемся повышенными скоростями распространения волн. Изучение подобных разрезов и интерпретация материалов достаточно полно освещены в литературе. Когда верхний слой рыхлых подстилающих грунтов находится в мерзлом состоянии (вид Пб), контакт глыбового и подстилающего рыхлого слоев представляет сильную преломленную границу, от которой уверенно регистрируются волны tмррр и tмрsр (см. мостовые переходы, разрезы типов II-III). Мощность глыбового слоя определяется так же, как и в случае подстилающего слоя из коренных пород (вид I). Однако мерзлый слой является серьезной помехой для изучения нижележащей толщи талых грунтов. В районах распространения вечной мерзлоты подстилающая толща рыхлых пород в той или иной степени замерзлочена. В начале летнего сезона, когда весь этот слой замерзлочен, разрез практически идентичен разрезу вида Пб. В общем же случае кровля мерзлоты находится внутри рыхлой подстилающей толщи. Разрез является трехслойным. Однако на сейсмических материалах он отображается как двухслойный, так как средний слой, как правило, не выделяется (см. приложение 3, рисунок). В волновой картине записи после волны tр следует в первых вступлениях волна tмррр и во вторых - волна tмрsр от поверхности мерзлых пород (см. переходы и выемки, рарезы типа II). В ряде случаев наличие талого слоя отображается на годографе первых вступлений в виде короткого звена (1-3 м), недостаточного для количественных определений. При интерпретации материалов определяется суммарная мощность слоя глыб и талых рыхлых пород. Мощность этой толщи зависит ох времени года. Таким образом, в условиях вечной мерзлоты мощность глыбового сдоя может быть найдена только в самом начале летнего полевого сезона. Типы пород (рыхлые или скальные), подстилающих глыбовый слой, могут быть определены на основании следующих признаков: по скоростям волн; величинами Vp большими 5000 м/с, обладают только скальные (преимущественно мерзлые) породы; по наличии или отсутствию обменной волны; мерзлым породам всегда сопутствует обменная волна типа PSP, талым опальным - редко; по изменения глубины исследуемой границы в течение сезона для рыхлых мерзлых грунтов и неизменности для скальных. 5. ИЗУЧЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ЛЬДОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ ЛЬДИСТОСТИ РЫХЛЫХ ГРУНТОВ5.1. С помощью продольного профилирования методы преломленных волн в резрезе могут быть обнаружены включения льда и сильнольдистых пород, если их размеры в плане превышают 7-10 м, а мощность более 0,5 м. Минимальная величина перепада скоростей распространения волн во льду и во вмещающей среде, позволяющая выделять включения не установлена из-за отсутствия достаточного опыта решения подобных задач. Однако известно, что, например, при различии скоростей в 1,5 раза задача решается уверенно. Дополнительным признаком наличия в разрезе льда служит снижение над ним временем t0. [13] 5.2. Для определения по материалам наземного продольного сейсмопрофилирования высоты ледяных жил, залегающих в рыхлых мерзлых породах, может быть применена формула
где h2 - мощность второго слоя (рыхлые мерзлые породы, залегающие под талыми) t01, t02 - вертикальные времена, соответствующие подошвам верхнего и второго слоев; i12=arcsinV1/V2 i13=arcsinV1/V3 i23=arcsinV2/V3, здесь V1, V2, V3 - скорости в слоях 1, 2 и 3; Vл, VэфС - скорости распределения волн во льду и вмещающей мерзлой породе слоя 2. При вычислении hл рекомендуется время прихода волн определять с точностью до +- 0,1 мс 5.3. Единичными удачными экспериментами показана возможность по скоростям распространения упругих волн в пассиве определять объемную льдистость рыхлых пород на основе заранее составленной корреляционной зависимости между этими величинами [13] Однако при линейных изысканиях геологическая ситуация по трассе меняется нередко настолько значительно, что зависимости, справедливые для одного участка, не применимы для соседнего с ним. Изменение степени льдистости рыхлых пород с глубиной может быть отмечено по изменению скоростей распространения упругих волн при ультразвуковой каротаже в сухих мерзлых скважинах. При этом могут быть выделены в разрезе отдельные прослоя льда мощностью более 20 см [14]. Приложение 1
|