УДК 550.344.56:902.2 Возможности метода MASW для решения задач археологии. Многоканальный анализ поверхностных волн (MASW – Multichannel Analysis of Surface Waves) – метод инженерной геофизики, который сформировался в конце 90-х годов в США. Сейсморазведка методом MASW в нашей стране лишь начинает применяться в структурных целях. Ее основное преимущество заключается в относительной дешевизне и простоте в проведении полевых измерений и возможности получения информации об упругих параметрах слоистой грунтовой толщи. При возбуждении колебаний источником, расположенным вблизи поверхности земли, образуются два основных типа сейсмических волн: объемные и поверхностные. Основная часть энергии источника расходуется на образование поверхностных волн – 67 %, доля поперечных волн составляет 26 %, а продольных всего 7 %. В большинстве сейсморазведочных методов используются в основном продольные волны, поверхностные же волны рассматриваются как помехи. Поэтому идея использования поверхностных волн для получения геологической информации давно привлекала внимание. Метод основан на Быстром Преобразовании Фурье. В отличие от объемных волн, поверхностные волны в неоднородной среде обладают дисперсией–зависимостью скорости распространения от частоты колебаний, график зависимости называют дисперсионной кривой. Толщина слоя, частицы которого вовлечены в движение поверхностными волнами, обратно пропорциональна частоте колебаний, это позволяет по характеру дисперсионных кривых получить глубинный разрез поперечных волн. Метод многоканального анализа поверхностных волн позволяет получить двумерный вертикальный профиль скоростей поперечных волн. Преимущества использования метода MASW: высокая интенсивность поверхностных волн; методика MASW достаточно проста и не требует специальной дополнительной аппаратуры; возможность работы при наличии высокоскоростного слоя на поверхности (асфальт, бетонное покрытие, промерзший грунт); глубинность метода достигает 10–30 м. Однако, можно отметить следующие сложности, которые существуют при картировании сложнопостроенных объектов методом MASW. Во–первых, возможность выделения в сейсмическом поле различных геологических объектов зависит от соотношения их размеров с длиной сейсмической волны, поэтому при проведении таких работ очень важна наилучшая оптимизация системы наблюдений, т.е. необходимо обеспечить определенную глубинность исследований и сохранить нужную детальности при ограниченном количестве сейсмических каналов. Во–вторых, при пересечении зон вертикальных неоднородностей наблюденная дисперсионная кривая часто "рассыпается", выделить фундаментальную моду волны Рэлея становится сложно, высшие моды начинают доминировать на дисперсионном изображении (рис. 1). Решением дисперсионного уравнения называется кривая зависимости фазовой скорости от частоты – дисперсионная кривая. Поскольку для каждой частоты существует множество решений, дисперсионные свойства среды могут быть выражены несколькими кривыми, являющимися разными модами Мода, распространяющаяся с наименьшей скоростью называется фундаментальной – основной. Рис. 1. «Рассыпание» дисперсионной кривой. К решаемым задачам относится: изучение верхней части разреза; сейсмическое микрорайонирование; решение инженерных задач; мониторинг состояния плотины и прилегающих к ней площадей. Современные подходы в малоглубинной сейсморазведке позволяют получить информацию о распределении в среде скорости распространения поперечных волн. Их можно разделить на 3 группы: 1. Использование стандартной схемы регистрации Z–Z с дальнейшим извлечением информации о скоростях распространения поперечных волн, например, с использованием поверхностных и обменных волн. 2. Использование однонаправленного источника (источника с единственным направлением поляризации), и регистрации трех компонент сейсмической волны, с последующим получением информации о скоростях распространения поперечных волн–один из самых распространенных в данное время подходов. 3. Использование управляемого источника и трехкомпонентного приема–наиболее перспективный подход в инженерной сейсморазведке. Целью научного исследования является изучение возможности метода MASW для решения археологических задач. В процессе работ была изучена верхняя часть разреза для определения наличия курганов на исследуемом объекте «Манжерок–12». Объект расположен на высокой правобережной катуньской террасе, на новом кладбище с. Манжерок. По сведениям местных жителей при сооружении могильных ям у юговосточного края кладбища неоднократно обнаруживались более ранние захоронения. Курган очень сильно был задернован и зарос густым кустарником и деревьями. Лесотехнические работы после удаления различной растительности существенно нарушили дерновый покров, что позволило выявить 11 каменных насыпей кургана. Датировка курганной группы может относиться к эпохе палеометалла. Работы по данному методу состоят из следующих этапов: 1) сбор полевых данных; 2) расчет дисперсионного изображения и извлечение дисперсионной кривой; 3) инверсия–нахождение профиля поперечных скоростей, теоретическая дисперсионная кривая которого максимально близка к измеренной. Методика полевых наблюдений: длина приемной расстановки–30 м; расстояние между приемниками–1 м; вынос между источником и первым приемником–5 м; шаг между пунктами взрыва–1 м. Конфигурация приемной расстановки зависит от желаемой глубины исследований и вертикальной разрешающей способности метода (рис. 3). Рис. 3. Схема профиля На рис. 4 приведена схема возбуждения поверхностных волн с привязкой результата к серединной точке расстановки. Park seismic LLС. Рис. 4. Схема возбуждения поверхностных волн разными видами источников: отстрел 1–маленькая кувалда по булту, отстрел 2–маленькая кувалда по трубе, отстрел 3–большая кувалда по подложке, отстрел 4–керамический пьезовибратор Возможные значения параметров наблюдений: • длина приемной линии D–1–3 желаемой глубины исследований; • расстояние между приемниками dx выбирается исходя из желаемой вертикальной разрешающей способности; • минимальный вынос X–20% от длины приемной линии D. Все данные, полученные во время работ, были обработаны в пакете обработки сейсмических данных RadExPro. Программа работает с 2D данными с введенной геометрией. Поддерживаются стандартные форматы, включая SEG–Y, SEG–2, SEG–D и др. Геометрия для входных файлов может быть присвоена внутри программы с помощью модуля Near– Surface Geometry Input (вкладка MASW), загружена из текстовых файлов, а также рассчитана по формулам с помощью функции Trace Header Math. Последовательность действий при выполнении работ по данному методу, приведенная на рис. 5 следующая: 1. Построение сейсмограммы. Поскольку энергия поверхностных волн велика, легко достигается высокое соотношение сигнал/шум (в данном случае помехами будут объемные волны, область, где они наиболее активны, называется ближней зоной). 2. В качестве приёмников рекомендуется использовать низкочастотные (4.5 Гц) вертикальные приёмники. Использование низкочастотных приёмников позволяет добиться регистрации волн с большей длиной волны, что соответственно увеличивает глубинность метода. Использование более высокочастотных приёмников также допустимо. Длина приемной линии (D) связана с максимальной длиной волны (лmax). 3. Дисперсионный анализ - построение дисперсионных изображений. На каждую полученную сейсмограмму рассчитывают дисперсионное изображение. Существуют различ- ные методы расчёта дисперсионного изображения–Phase shift, F–K, Radon. Дисперсионная кривая извлекается из изображения путем пикировки по максимумам амплитуд. 4. Заключительный шаг–инверсия–нахождение профиля поперечных скоростей, теоретическая дисперсионная кривая которого максимально приближена к измеренной кривой. Инверсия включает: 1. Решение прямой задачи: Метод коэффициентов отражения/преломления. Возможные проблемы – поиск корней уравнения, переход на другую моду 2. Решение обратной задачи: Выбор метода оптимизации для получения наиболее реалистичной модели среды Двумерный профиль скоростей поперечных волн строится интерполяцией между полученными вертикальными профилями. Рис. 5. Порядок обработки данных. Для того чтобы получить двумерный профиль поперечных скоростей, необходимо сделать инверсию для всех полученных пунктов возбуждения. Инверсия может быть запущена как автоматически для всех ПВ, так и произведена вручную с помощью опции Edit model. Двумерный профиль поперечных скоростей строится путём интерполяции одномерных вертикальных профилей. В программе существует возможность оценивать влияние каждого одиночного вертикального профиля на итоговый разрез, путём их включения/выключения в окне MASW Manager. Пример построенного разреза приведен на рис. 6. Рис. 6. Построение двумерного профиля поперечных скоростей В итоге я получила профиль длиной 40 метров. На рис. 7 представлены результаты исследования методом многоканального анализа поверхностных волн. На первом графике выделяются две низкоскоростные области на глубине 0.5–2 метра и по профилю на расстояние 23–31 метров и 36–47 метров от нуля. На двух других графиках на этих же глубинах и на этом же расстояние видны похожие низкоскоростные области, но т.к. у источников, применяемых во втором и третьем случаях частоты ниже, они хуже фиксируют небольшие приповерхностные объекты. В результате метод MASW позволил выделить два кургана на объекте «Манжерок–12». Рис. 7 Результаты обработки Серьезным подспорьем для проведения работ по данному методу является возможность его использования в случае присутствия высокоскоростного слоя на поверхности (промерзший грунт). Многоканальный анализ поверхностных волн является перспективным и активно развивающимся методом инженерной геофизики в целях получения вертикального разреза скоростей поперечных волн. Поскольку энергия поверхностных волны велика, легко достигается высокое соотношение сигнал/помеха. Вследствие этого метод можно применять в городских условиях или на объектах с повышенным уровнем шума. Метод MASW позволяет диагностировать структурные отличия среды, такие как наличие жидкости, рыхлость связей между гранулами. Используемый метод сейсморазведки пока широко не известен в полевой археологии. Библиографические ссылки 1. masw.com. 2. Park C. B., Miller R. D. and Xia J. Multichannel analysis of surface waves. Geophysics. V. 64. P. 800-808. 3. radexpro.ru.
