МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ РК Республиканское государственное предприятие НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РК (РГП НЯЦ РК) Дочернее государственное предприятие ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (ДГП ИГИ РГП НЯЦ РК) УДК 624.121 ИЗУЧЕНИЕ ГОРИЗОНТОВ ТРЕЩИННО-ПОРОВЫХ ВОД НА УЧАСТКЕ БАЛАПАН ПО ДАННЫМ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ Жолдыбаев Алексей Кадыржанович, Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан (прикладные исследования) Курчатов 2006 АВТОР Жолдыбаев Алексей Кадыржанович, ведущий инженер Института геофизических исследований НЯЦ РК, 1973 года рождения, образование высшее (Казахский национальный технический университет, 1995 г.), специальность – рудная геофизика, квалификация по диплому – инженер-геофизик, работает в ИГИ НЯЦ РК с 1998 г., общий стаж работы 11 лет, имеет 6 публикаций, выступал с докладами на 3 конференциях, в конкурсе молодых ученых НЯЦ участвовал 1 раз. 2 Жолдыбаев Алексей Кадыржанович ИЗУЧЕНИЕ ГОРИЗОНТОВ ТРЕЩИННО-ПОРОВЫХ ВОД НА УЧАСТКЕ БАЛАПАН ПО ДАННЫМ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан Дочернее государственное предприятие «Институт геофизических исследований» Республиканского государственного предприятия «Национальный ядерный центр Республики Казахстан» (ДГП ИГИ РГП НЯЦ РК). 490021, г. Курчатов, площадка Меридиан, тел. (322-51)2-37-42, (322-51)2-34-22, факс.(322-51) 2-34-22, Email: [email protected] РЕФЕРАТ Работа 13 стр., 3 рис., 6 источников. ТРЕЩИННО-ПОРОВЫЕ ВОДЫ, ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ, СЕЙСМОРАЗВЕДКА КМПВ-МРВ, ВЕРТИКАЛЬНОЕ СЕЙСМИЧЕСКОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ, ПРОДОЛЬНЫЕ И ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ, СКАЛЬНЫЙ ФУНДАМЕНТ. Объект исследования: блоки геологической среды, испытавшие деструктивное воздействие ПЯВ на территории площадки Балапан Семипалатинского испытательного полигона. Актуальность проблемы: необходимость получения достоверных данных о пространственном положении и водопроницаемости горизонтов трещинно-поровых вод, как потенциальных путей миграции радионуклидов из полостей ПЯВ. Повышение информативности сейсморазведки при выявлении и картировании обводненных трещинных структур в площадных корах выветривания в скальном фундаменте. Цель работы: обоснование технологии сейсморазведки, обеспечивающей выявление и изучение горизонтов трещино-поровых вод по соотношению скоростей продольных и поперечных волн в разрезе. Задачи исследований: определение скоростных параметров разреза в полях продольных и поперечных волн и установление природы сейсмических границ терригенном комплексе и в скальном фундаменте; обоснование технологии возбуждения и регистрации поперечных волн при наземных наблюдениях; получение сведений о пространственном положении горизонта трещинно-поровых вод в районе гидрогеологической скважины 4043. Методика исследований: проведение полевых экспериментов, включающих вертикальное сейсмическое профилирование, наземные сейсмические зондирования, обработка и геологическая интерпретация данных. В результате работ: расширены информационные возможности сейсморазведки при картировании горизонтов трещинно-поровых вод на основе совместного использования скоростных параметров разреза в полях продольных и поперечных волн; обоснована технология картирования указанных водоносных структур, включающая раздельное возбуждение и регистрацию продольных и поперечных волн при наземных наблюдениях, а также скважинные исследования методом ВСП с целью уточнения скоростных характеристик разреза, определение природы регистрируемых волн и их глубинная привязки. 3 Научная новизна: обоснована и экспериментально подтверждена для физикогеологических условий участка Балапан высокая информативность сейсморазведки для выявления и картирования горизонтов трещинно-поровых вод. Личный вклад автора: участие в планировании и выполнении полевых экспериментов, обработка, анализ и интерпретация полученных данных. Публикации: соавтор рукописных отчетов: по теме 02.05.01 РЦНТП, «Изучение особенностей строения зон дезинтеграции, сопряженных с полостью 5ртк с использованием методов скважинной сейсморазведки» (2001 г), «Определение места заложения контрольнонаблюдательной скважины для контроля полости 6 РТК» (2002 г), по теме 04.02.01. НТП, одной опубликованной статьи: «К оценке трещинной тектоники, сопряженной с подземной ядерной полостью скв. 5РТК на Карачаганакском соляном куполе» (2002 г.) и двух статей, подготовленных к печати (2003 г.). ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ ВСП КМПВ МРВ Vp Vs P PP1 S SS PS SS1S – вертикальное сейсмическое профилирование – корреляционный метод преломленных волн – метод рефрагированных волн – скорость продольных упругих волн – скорость поперечных упругих волн – продольная волна – отраженная продольная волна – поперечная волна – отраженная поперечная волна – обменная отраженная волна – поперечная кратно-отраженная волна 4 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ __________________________________________________________________6 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ____________________________________________6 1.1 Вертикальное сейсмическое профилирование _________________________________7 1.2 Наземные опытно-методические наблюдения _________________________________9 1.3 Геологическая интерпретация сейсмических данных__________________________11 ВЫВОДЫ _________________________________________________________13 Список использованных источников __________________________________________13 5 ИЗУЧЕНИЕ ГОРИЗОНТОВ ТРЕЩИННО-ПОРОВЫХ ВОД НА УЧАСТКЕ БАЛАПАН ПО ДАННЫМ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ Жолдыбаев А.К. На основании данных вертикального сейсмического профилирования и наземных наблюдений обоснована технология сейсморазведки, обеспечивающая, по соотношению скоростей продольных и поперечных волн, выявление и изучение горизонтов трещиннопоровых вод на участке Балапан. ВВЕДЕНИЕ Трещинно-поровые воды на участке Балапан широко развиты в зонах экзогенной трещиноватости кровли пород фундамента и платформенных отложений, а также мезозойских корах выветривания под неогеновыми глинами с формированием водоносного горизонта мощностью порядка 20 метров и, как правило, имеют гидравлическую связь с поверхностными и глубинными трещинными водами. Наличие такой связи, в сочетании с водопроницаемыми структурами, сопряженными с полостями ПЯВ, создает, в пределах участка, благоприятные условия для развития активных гидродинамических процессов и миграции техногенных радионуклидов в составе подземных вод с выходом на окружающие территории. В этой связи, при оценке реальной степени риска распространения радионуклидов и наиболее вероятных направлений и скоростей их движения, одной из актуальных задач становится выявление горизонтов трещинно-поровых вод с оценкой их мощности и фильтрационных свойств, что традиционно базируется на данных бурения, опытных откачках и геофизических исследованиях в гидрогеологических скважинах. Однако, такой способ, особенно при обследовании больших площадей, что имеет место на участке Балапан, требует значительных объемов дорогостоящего бурения. Кроме того, при определении фильтрационных свойств разреза по данным электрокаротажа, надежная корреляция электрических свойств и водопроницаемости разреза обеспечивается только совместно с данными откачек. Но, даже при соблюдении этого условия получаемые данные будут характеризовать ближайшее околоскважинное пространство и распространение их на значительное расстояние от точки определения чревато, как показывает опыт, большими погрешностями в прогнозировании фильтрационной обстановки. Принимая во внимание важность задачи изучения пространственного положения и фильтрационных свойств горизонтов трещинно-поровых вод и недостатки традиционных приемов ее решений, несомненна актуальность привлечения с этой целью других способов, свободных от указанных ограничений. В качестве таковых представляется целесообразным применение сейсмических методов, эффективно используемых при решении многих задач, в том числе и связанных с изучением фильтрационных свойств геологических сред [1, 2 и др.]. Обоснование способов и технологий, обеспечивающих изучение горизонтов трещинно-поровых вод, явилось одним из направлений сейсмических исследований ИГИ на участке Балапан, результаты которых приводятся в настоящей работе. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Водопроницаемость геологической среды, как известно [3], может быть представлена в виде зависимости от пористости и особенностей структурных связей в горной породе, которые, в свою очередь однозначно связаны с ее упруго-деформационными свойствами – скоростью продольных и поперечных волн. Согласно уравнению среднего времени [4], скорость продольных волн зависит от восприимчивости к деформациям сжатия, как среды (скелета 6 породы), так и количества материала (в данном случае воды), заполняющего поры. Поэтому в проницаемых образованиях, где структурные связи скелета минимальны, водонасыщенность влияет на скорость продольных волн сильнее, чем в глинах и скальных породах, где имеют место более сильные структурные связи. Для скорости поперечных волн определяющим параметром является восприимчивость к деформациям сдвига, то есть жесткость скелета горной породы, при практической независимости от степени ее водонасыщенности. При этом очевидно, что для водопроницаемых отложений, в которых водонасыщение влечет большее увеличение скорости продольных волн, чем в водоупорных породах, соотношение Vp/Vs также будет максимальным. Указанные зависимости скорости упругих волн от пористости и особенностей структурных связей, определяющих упругие свойства горных пород, могут быть положены в основу использования соотношения скоростей продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн в качестве однозначного критерия их водопроницаемости. Таким образом, проблема объемного картирования горизонтов трещинно-поровых вод по изменению водопроницаемости среды сводится к возможно более точному определению скоростных характеристик разреза с заданной детальностью. Для физико-геологических условий участка Балапан обоснование принципиальной возможности и технологии выявления водопроницаемых структур выполнено на основе результатов скважинных (вертикальное сейсмическое профилирование) и наземных сейсмических зондирований методом преломленных волн. Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) Целевым назначением ВСП, выполненного в гидрогеологической скважине 4043, ставилось определение скоростных параметров разреза в полях продольных и поперечных волн, а также выявление и установление природы сейсмических границ, как в терригенном комплексе, так и в скальном фундаменте. При этом, особенно важным было получить указанные сведения в полях поперечных волн, как наименее изученных на участке Балапан. Возбуждение упругих колебаний осуществлялось с дневной поверхности вблизи устья скважины с помощью вертикальных ударов кувалды массой порядка 8 кг. Прием – трехкомпонентной симметричной скважинной установкой сейсмопримников типа DF-8 с шагом наблюдений по вертикальному профилю 2 метра. Регистрация - цифровая, с накоплением до 45 воздействий. Обработка данных включала расчет вертикальной и горизонтальных составляющих волнового поля (при помощи специализированного программного обеспечения для ВСП), расшифровку наблюденных волновых полей по профилю скважины и определение интервальных скоростей по профилю скважины. Как видно из рисунка 1, в волновом поле по этой скважине в первых вступлениях регистрируется прямая продольная волна (Р), ось синфазности которой имеет наиболее четкие изломы на глубинах порядка 50, 64 и 76 метров. Эти эффекты обусловлены скачкообразным снижением интервальной скорости продольной волны с 1.7 до 1.4 км/с на верхней границе и повышением ее с 1.4 до 2.4 км/с на средней и с 2.4 до 5.0 км/ с на нижней границах. При этом, наиболее жесткой сейсмической границей, способной возбуждать вторичные отраженные (РР1) продольные (на горизонтальной компоненте прослеживаемые лишь фрагментарно), а также и головные (преломленные) волны, является граница на глубине 76 метров, соответствующая положению кровли скального фундамента. Для поперечной падающей волны (S) максимальный излом оси синфазности отмечен на глубине 82 метров, ниже которой интервальная скорость возрастает с 0.4 до 1.3 км/с, а выше, вплоть до отметки 20 метров, прослеживается восходящая ось синфазности, соответствующая отраженной волне. Характерной особенностью этой границы является то, что она 7 Скоростная колонка 0 1 2 0 3 4 Y компонента 5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 t(с) V(км.с) 10 SS1 20 SS1 SS3 30 SS1S 40 S P 50 PP1 SS2 PS2 60 PS3 70 PP1 PP1 SS2 PS2 80 SS2 PS2 H,м SS3 PS3 P и S – падающие продольная и поперечная волны; РР1 – продольная отраженная волна от кровли фундамента; SS1 – поперечная отраженная волна от границы в толще терригенного комплекса; SS2 и PS2 – поперечные монотипная и обменная отраженные волны от подошвы наиболее выветрелой части скального фундамента; SS1S – вторичная падающая поперечная волна (волна SS1 отраженная от свободной поверхности). SS3 и PS3 – поперечные монотипная и обменная отраженные волны предположительно от подошвы коры выветривания скального фундамента а 1 б а 2 б 3 а б 1- графики интервальной скорости по скважине для продольных (а) и поперечных (б) волн. 2 – сейсмические границы для продольных и поперечных волн: а – в толще терригенного комплекса, б – в скальном фундаменте. 3 – фрагменты годографов: а- продольных падающей и отраженной волны, б- поперечных падающих и отраженных волн. Рисунок 1. Участок Балапан. Скоростная характеристика и горизонтальная (Y) составляющая волнового поля по данным вертикального сейсмического профилирования в скважине 4043 8 расположена ниже (на 6 метров), чем кровля скального фундамента, определенная по данным бурения и по распределению скорости продольных волн. Это обстоятельство свидетельствует, что повышение скорости продольных волн по кровле фундамента, главным образом, обусловлено водонасыщенностью слагающих его трещиноватых пород, составляющих кору выветривания. С глубины 82 метров, где возрастает скорость поперечных волн, залегают менее выветрелые, но, судя по значению интервальной скорости (1.3 км/с), все еще водопроницаемые образования, кровля которых является отражающей границей (SS2). Наличие в поле поперечных волн восходящей оси синфазности SS3, обусловленной отражением от сейсмической границы на глубине порядка 100 метров, позволяет предположить, что на этой глубине залегают наименее измененные выветриванием породы скального фундамента, характеризующиеся, согласно данным [5], скоростью поперечных волн порядка 2.5-2.7 км/с. Важной закономерностью в поле поперечных волн является наличие в нем кратноотраженных волн, самая первая из которых (SS1S), прослеживаемая практически до начала профиля (глубина 88 метров), сформировалась при отражении от свободной поверхности (земля-воздух) волны SS1, являющейся первично отраженной от границы в толще терригенного комплекса. Такое многообразие вторичных волн следует ожидать и учитывать при идентификации целевых отраженных и преломленных поперечных волн при наземных сейсмических наблюдениях. В целом, по результатам скважинных сейсмических исследований следует отметить, что помимо подтверждения природы высокоскоростной сейсмической границы (кровли фундамента) в продольных волнах, впервые для участка Балапан получены сведения о наличии и глубине залегания сейсмических границ в поле поперечных волн не только в терригенном комплексе, но и в обводненной части скального фундамента. При этом, по разности глубин залегания первых сейсмических границ в фундаменте в полях продольных и поперечных волн представляется оценить мощность наиболее водопроницаемых образований, составляющих горизонт трещинно-поровых вод. Наземные опытно-методические исследования Целью наземных исследований ставилась реализация, установленных по данным ВСП, предпосылок картирования горизонта трещинно-поровых вод сейсмическим наблюдениями методом преломленных (рефрагированных) волн с дневной поверхности. Для продольных волн была использована обычная для участка технология возбуждения упругих колебаний установкой «падающий груз» с энергией порядка 12 Кдж и приемом вертикальными сейсмоприемниками DF-8 с шагом по линии наблюдения 10 метров. Для отработки технологии возбуждения и приема поперечных волн проведена серия экспериментов, включающих возбуждение упругих колебаний установкой «падающий груз», прием – горизонтальными сейсмопримниками СВ-20, ориентированными по линии наблюдений и ортогонально к ней. Регистратор – цифровой, с шагом квантования сигнала 1 мс и длиной записи 1.5 с. Обработка данных выполнялась с использованием пакета VISTA (препроцессинговые процедуры – корреляция первых волн, построение годографов, расчет граничных и средних скоростей) а также ПМО, предназначенного для обработки головных волн (GAETAN). Примеры волновых полей, полученных при наземных наблюдениях, приведены на рисунке 2. Как видно из рисунка, при регистрации вертикальными сейсмоприемниками (Z) в первых вступлениях регистрируется продольная волна (Р), идентификация которой не вызывает затруднений. Далее ее сменяет группа интенсивных однозначно не диагностируемых кратно-преломленных и обменных (PS) волн, на фоне которых выделение слабо проявленной преломленной поперечной (S) волны практически невозможно. 9 P ПК0 PS* S PS Z ПК230 ПК460 PS ПК0 S PP1 X ПК230 ПК460 S ПК0 Y ПК230 ПК460 Z, X и Y – волновые поля с регистрацией вертикальными с/п DF-8 (Z) и горизонтальными с/п СГ-20 с осью чувствительности по линии наблюдений (X) и вкрест линии наблюдений (Y). P и S – продольная и поперечная преломленные волны от кровли слабо измененного скального фундамента. Источник упругих колебаний – установка «падающий груз» (12Кдж). Устье скважины 4009 – ПК230. PS – обменная волна PS*– кратно отраженно-преломленная волна Рисунок 2 - Участок Балапан. Волновые поля преломленных продольных (Р) и поперечных волн (S) по наземному сейсмическому профилю в районе скважины 4009 10 Более разрешенные записи поперечных волн получены при регистрации горизонтальных составляющих волнового поля (X и Y). При этом, наилучшее соотношение сигнал/помеха (под помехой подразумеваются регулярные волны, регистрируемые раньше целевой преломленной волны), достигнуто в случае ориентации оси чувствительности сейсмоприемников ортогонально линии наблюдений (Y). Такие волновые поля принимались в обработку для определения глубины залегания преломляющих границ в поле поперечных волн и расчета граничных скоростей. Таким образом, результаты проведенных экспериментов показали возможность, в условиях участка Балапан, регистрации целевых поперечных волн без специальных приемов их возбуждения, основанных на технологически сложно осуществимых боковых ударах. Геологическая интерпретация сейсмических данных Результаты комплексной интерпретации данных ВСП и наземных зондирований для района скважины 4043 представлены на рисунке 3. Разрез, вскрытый скважиной 4043, характеризуется значительной мощностью осадочного чехла, верхняя часть которого (до глубины 11 метров) представленная песками, супесями и гравием, характеризуется наиболее низкими значениями скорости – 0.2 км/с для поперечных волн (Vs) и 0.7 км/с для продольных волн (Vp). Ниже этой границы отмечено резкое повышение скорости Vp до 1.7 км/с, тогда как для Vs превышение составляет порядка 0.1 км/с. При общей тенденции увеличения значений Vp и Vs с глубиной, терригенная толща характеризуется неоднородностью по скоростным свойствам (особенно в продольных волнах). При этом, как показано выше, наибольшие изменении скоростей Vp и Vs связаны с наличием в разрезе пород скального фундамента с обводненной корой выветривания. При средних значениях соотношения Vp/Vs в терригенном комплексе не более 5, повышенной величиной этого параметра (Vp/Vs=8.5) характеризуется интервал 40-50 метров, интерпретированный, согласно данным, приведенным в [6] как наиболее водопроницаемый. В породах фундамента максимальные и повышенные значения параметра Vp/Vs по данным ВСП и наземных зондирований отмечены в интервале глубин 75-95 метров в трещиноватых породах коры выветривания, кровля которой проявилась резким увеличением скорости продольных волн, а подошва (кровля неизмененных пород фундамента) – повышением скорости поперечных волн. Именно в этом интервале разреза по данным бурения и откачек установлены максимальное обводнение пород и водоприток. Результаты сейсмических исследований подтвердили уже доказанную эффективность сейсморазведки КМПВ при картировании кровли скального основания. Достижением в расширении информационных возможностей наземной сейсморазведки являются результаты совместного использования скоростей продольных и поперечных волн, свидетельствующие о возможности выявления водоносных комплексов как в терригенных породах, так и в корах выветривания. Как следует из полученных данных, технология решения этой задачи должна включать при наземных наблюдениях раздельное возбуждение и регистрацию продольных и поперечных волн. При этом, неотъемлемой ее составной частью, особенно на стадии опытнометодических исследований, должны быть скважинные наблюдения (ВСП), задачей которых ставится уточнение скоростных характеристик разреза, определение природы регистрируемых волн и их глубинная привязка. 11 4 6 8 10 12 14 0 Vp/Vs -5 -5 10 -10 -10 -15 -15 20 Исходная геологическая колонка -20 -20 SS1 -25 -25 Vp 30 -30 SS1 -30 -35 -35 40 -40 -40 Vp/Vs -45 -45 50 -50 -50 -55 -55 60 -60 -60 -65 -65 70 -70 -70 PP1 -75 80 -80 -80 -85 -85 Vs 90 -90 PP1 -75 -90 SS2 -95 -95 100 -100 Геологическая колонка по данным сейсморазведки 2 0 0 -100 H (м) 0 1 2 3 1 2 3 7 8 9 4 H (м) 5 V (км/с) 4 а б 5 а 10 6 б 11 1. Песок. 2. Песок с гравием, галькой. 3. Глины. 4. Туфопесчаники. 5. Кремнистые сланцы. 6. Порфириты. 7. Алевролиты. 8. Зоны трещиноватости. 9. Зоны брекчирования пород. 10. Интервал обводненной части пород (а) и водопритока (б) по гидрогеологическим данным. 11. Интервал обводненных максимально трещиноватых (а) и трещиноватых (б) пород по данным сейсморазведки. Рисунок 3. - Участок Балапан, скважина 4043 Результаты геологической интерпретации данных сейсморазведки 12 ВЫВОДЫ В целом, результаты проведенных исследований свидетельствуют, что совместное использование продольных и поперечных волн обеспечивает существенное расширение информационных возможностей сейсморазведки при решении геоэкологических задач на участке Балапан. На основании данных вертикального сейсмического профилирования и наземных наблюдений обоснована технология сейсмических исследований, обеспечивающая выявление и изучение горизонтов трещинно-поровых вод, как одной из актуальных задач, подлежащих решению при оценке реальной степени риска распространения радионуклидов и наиболее вероятных направлений их движения на участке Балапан. Список использованных источников Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии. – М.: Недра, 1985. 184с.(Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии). А.А. Огильви. Основы инженерной геофизики: Учеб. для вузов / Под редакцией В.А. Богословского. – М.: Недоа, 1990, - 500 с.: ил. Горяинов Н.Н, Ляховицкий Ф.М. Сейсмические методы в инженерной геологии. М., "Недра", 1979. 143с., с.9. Интерпретация данных сейсморазведки. Справочник / Под редакцией О.А. Потапова.М.: "Недра", 1990.-448с.: ил.,с. 288. Беляшова Н.Н., Русинова Л.А., Беляшов А.В., Смирнов А.А. изучение влияния ядерных взрывов на окружающие горные породы и морфологию поверхности с целью разработки методов инспекции на местах. «Вестник НЯЦ РК», выпуск 2, 2000. Сейсморазведка. Справочник геофизика / Под ред. И.И. Гурвича, В.П. Номоконова. – М.: "Недра", 1981. – 464с. 13