Методика донных сейсмических исследований инженерно-геологических условий на предельном мелководье Арктики

На правах рукописиСадуртдинов Марат РинатовичМЕТОДИКА ДОННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙНА ПРЕДЕЛЬНОМ МЕЛКОВОДЬЕ АРКТИКИ25.00.10Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемыхАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждениинауки Институт криосферы Земли Сибирского отделения Российской академиинаук (ИКЗ СО РАН)Научный руководитель:кандидат технических наук,старший научный сотрудникСкворцов Андрей ГеоргиевичОфициальные оппоненты:Зыков Юрий Дмитриевичдоктор геолого-минералогическихнаук, старший научный сотрудник,МГУ им.

М.В. Ломоносова,заведующий лабораториейАникин Олег Петровичкандидат технических наук,Московский государственныйстроительный университет,ведущий научный сотрудникВедущая организация:открытое акционерное общество«Фундаментпроект»Защита состоится 20 февраля 2013 года в 14 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственномуниверситете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва,Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», геологический факультет, аудитория 308.С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале отдела диссертацийФундаментальной библиотеки (Ломоносовский проспект, 27, сектор А, 8 этаж,к.

812).Автореферат разослан 18 января 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного советаНикулин Борис Александрович1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.В связи с необходимостью решения задач нефтегазовой отрасли, в последниегоды вырос интерес к изучению геологического строения в пределах мелководныхакваторий, особенно в криолитозоне.Одной из них является инженерно-геокриологическое и инженерногеологическое обеспечение строительства и функционирования инфраструктурыместорождений углеводородного сырья на мелководной части шельфа арктическихморей. При освоении этих месторождений и их разработке возникает необходимостьстроительства крупных инженерных объектов – морских портов, терминалов,наземных и подводных трубопроводов и др., – расположенных в береговой зонеарктических морей.

Для обеспечения оптимальных инженерных решений припроектировании и строительстве подобных сооружений, а также их безопаснойэксплуатации, необходимы сведения об особенностях и пространственно-временнойизменчивости инженерно-геокриологических условий в мелководной части шельфаарктических морей и прилегающих участках суши. При проектировании истроительстве трубопроводов, различных промышленных и гражданских объектов,решении задач их водоснабжения, нередко возникает потребность получениясведений об инженерно-геокриологических условиях на иных мелководныхакваториях – озерах, реках и др.Необходимость решения подобных задач на мелководных акваторияхсуществует и за пределами криолитозоны, например, при проектировании речныхпереходов трубопроводов, мостов и других инженерных сооружений.В настоящее время существуют сейсмические и акустические методы изучениягеологического разреза на мелководных акваториях, однако их применениеневозможно или ограничено с точки зрения технологии проведения работ и решенияинженерно-геологических задач.

Технологий, которые позволяют изучатьгеологическое строение первых метров-десятков метров при глубинах акваториименее 2-3 метров с использованием различных типов и классов волн,обеспечивающих получение сопоставимых сейсмических данных для решенияинженерно-геокриологических задач при переходе от суши к морю в настоящее времяне существует.Актуальность работы определяется практической необходимостью изученияинженерно-геокриологических условий на предельном мелководье в криолитозоне исоздания технологий для решения этой задачиЦель работы – разработка методики донных сейсмических исследованийизучения инженерно-геокриологических условий на предельном мелководьеАрктики.1Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:1.Определить возможности и недостатки сейсмоакустических методов дляизучения геологического и геокриологического разреза в пределах мелководныхакваторий.2.Установить и оценить возможности сейсмических критериевидентификации геокриологических границ.3.Разработать технологическое оборудование для проведения донныхсейсмических исследований в пределах мелководных акваторий.4.Изучить структуру волнового поля на предельном мелководье Арктики иприбрежных участках суши.5.Разработать методику донных сейсмических исследований напредельном мелководье Арктики и опробовать ее в различных геокриологических иинженерно-геологических условиях.Научная новизна.1.Впервые предложено использовать коэффициент Пуассона в качестведополнительного критерия идентификации геокриологических границ в массивахводонасыщенных песчано-глинистых пород.

Экспериментально установлено, что привеличине коэффициента Пуассона 0,46 и более породы, независимо от их состава,температуры и минерализации, находятся в талом состоянии, при значениях 0,45 именее – в мерзлом. Интервал величины коэффициента Пуассона 0,45-0,46 –граничный между мерзлым и талым состоянием пород. Использование коэффициентаПуассона наиболее эффективно при идентификации геокриологических границ вглинистых породах, находящихся в пластичномерзлом состоянии.2.Разработано и сконструировано технологическое оборудование длявозбуждения и регистрации упругих колебаний при проведении донныхсейсмических исследований на мелководных акваториях, которое, в отличие отсуществующего в настоящее время оборудования, позволяет одновременновозбуждать и регистрировать продольные и поперечные SH-волны, и работать в томже частотном диапазоне, что и при наземных сейсмических исследованиях.Использование волн различных типов обеспечивает возможность не толькоповышения достоверности изучения строения инженерно-геокриологическогоразреза, но и оценки состояния пород – мерзлое или талое.3.В полевых условиях экспериментально изучены неизвестные ранеезакономерности структуры волнового поля продольных и поперечных SH-волн намелководных акваториях и прибрежных участках суши.

Доказано, что эффективноеиспользование продольных волн возможно в условиях, когда талые породы находятсяв состоянии полного водонасыщения. Использование продольных волн затрудненоили невозможно в случае присутствия в верхней, талой части разрезаневодонасыщенных пород и приоритет при изучении геокриологического разреза вэтих условиях имеют поперечные SH-волны.4.Выявленные закономерности структуры волнового поля позволилиразработать на базе созданного сейсмического оборудования методику донных2сейсмических исследований на предельном мелководье Арктики. Впервые припроведении сейсмических исследований на акваториях реализована возможностьсовместного использования продольных и поперечных SH-волн – преломленных иотраженных, что обеспечивает надежную идентификацию геокриологических границ,высокую достоверность определения их конфигурации в разрезе и возможностьоценки мерзлого состояния пород.Личный вклад автора.Работа написана на основании экспериментальных данных, полученных личноавтором или при его непосредственном участии в период с 2005 по 2011 год варктических экспедиционных работах в прибрежной части шельфа Баренцева иКарского морей, на восточном побережье полуострова Ямал в Обской губе и запределами криолитозоны на речных акваториях.Практическая значимость.Методика донных сейсмических исследований, разработанная автором,позволяет получать достоверные данные об инженерно-геокриологических условияхна мелководных акваториях в криолитозоне с целью решения научных и прикладныхзадач.

Эта методика может быть использована и за пределами криолиозоны длярешения инженерно-геологических задач.Эффективность и практическая возможность использования разработаннойметодики подтверждена положительными результатами, полученными привыполнении научно-исследовательских и хоздоговорных работ по теме «Выполнитьдонные сейсмические исследования с целью изучения особенностей положениякровли многолетнемерзлых пород в прибрежной части акватории на западном берегуОбской губы в районе поселка «Мыс Каменный» (Заказчик – ЗАО «ГИДЭК»), а такжерезультатами исследования речных переходов по трассе проектируемого газопроводаУхта-Торжок за пределами криолитозоны по теме «Опытно-методическоесопровождение сейсморазведочных исследований в рамках комплексных инженерногеофизических работ по объекту «МГ Ухта-Торжок» (Заказчик – ООО ”ДекоПроект”).Защищаемые положения.1.Коэффициент Пуассона – дополнительный сейсмический критерий дляидентификации геокриологических границ и оценки качества мерзлого состояния.Экспериментально установлено, что в водонасыщенных песчано-глинистых породахинтервал значений коэффициента Пуассона 0,45-0,46 – переходный между мерзлым италым состоянием.

При величине коэффициента Пуассона 0,46 и более породынаходятся в талом состоянии, при 0,45 и менее – в мерзлом. ИспользованиекоэффициентаПуассонаособенноэффективноприидентификациигеокриологических границ в глинистых пластичномерзлых породах.2.Технологическое оборудование для возбуждения и регистрации упругихколебаний при проведении донных сейсмических исследований на мелководныхакваториях, в котором впервые реализована возможность одновременноговозбуждения и регистрации продольных и поперечных SH-волн, и возможность3получения данных в том же частотном диапазоне, что и при наземных сейсмическихисследованиях на прибрежных участках суши.3.Закономерности структуры волнового поля продольных и поперечныхSH-волн на предельном мелководье Арктики и прибрежных участках суши,позволившие установить, что при изучении строения геокриологического разрезавозможности продольных волн ограничены наличием в верхней части разреза талыхневодонасыщенных пород, а применение поперечных SH-волн – отраженных ипреломленных обеспечивает надежное выделение геокриологических границ напредельном мелководье.4.Методика донных сейсмических исследований инженерно-геологическихусловий на предельном мелководье Арктики, физическим обоснованием которойслужат результаты многолетних экспериментальных исследований по изучениюструктуры волнового поля на мелководных акваториях и прибрежных участках суши.Практическая реализация методики выполнена на базе разработанноготехнологического оборудования для одновременного возбуждения и регистрациипродольных и поперечных SH-волн.