Многоканальный анализ поверхностных волн (MASW)
Метод многоканального анализа поверхностных волн (англ. “Multichannel Analysis of Surface Waves” – далее сокр. MASW) заключается в обработке данных поверхностных волн с целью изучения верхней части разреза. Метод позволяет восстановить распределение скоростей поперечных (S) волн.
При регистрации сигнала наземными расстановками от ударных источников поверхностные волны несут в себе значительную часть сейсмической энергии. Одним из важнейших свойств этих волн является дисперсия – зависимость фазовой скорости распространения волны от частоты, которая и определяет глубину проникновения сигнала вглубь разреза. В MASW выполняется выделение поверхностных волн на каждой зарегистрированной сейсмограмме с последующим построением спектров фазовых скоростей и выделением дисперсионных кривых. Затем выполняется их инверсия, итогом которой для каждой кривой является одномерное распределение скорости Vs. Полученные вертикальные скоростные законы относятся к середине расстановки, а их объединение позволяет построить двумерное или трехмерное изображение среды. На практике чаще всего используются волны Релея, регистрируемые на вертикальных сейсмоприёмниках, но метод можно реализовать и по волнам Лява или Шольте.
Основными преимуществами использования MASW на поверхностных волнах Релея являются простота получения полевых данных, отсутствие проблемы учета высокоскоростного (инверсионного или выпадающего) слоя, которая существует в МПВ, и восстановлению скоростного разреза S-волн. Применение метода особенно эффективно в городских условиях, когда на сейсмограмме из-за низкого соотношения сигнал/шум затруднено выделение преломленных волн. Не стоит противопоставлять обработку данных поверхностных волн результатам метода отраженных волн, поскольку глубинность исследований, разрешающая способность и конечный результат различаются кардинально. Комплексирование MASW, МПВ или сейсмической томографии с поверхности во многих случаях весьма полезно, поскольку методики сбора полевых данных похожи и могут быть эффективно объединены. Максимальная производительность MASW при работе на относительно ровных площадках достигается за счёт применения наземных буксируемых геофонных кос LandStreamer.
Глубинность метода MASW обычно не превышает 30 метров и напрямую зависит от возможности возбуждения и регистрации низкочастотной части спектра. Для выполнения этой задачи всегда стоит выбирать низкочастотные геофоны (4.5 Гц) , тяжелые кувалды или механизированные молоты AWD.
Перейти к большим глубинам можно с помощью использования методики пассивного MASW, которая подразумевает обработку записей «неконтролируемых» источников, роли которых может играть передвигающийся на удалении автомобильный или железнодорожный транспорт. При использовании ещё более низкочастотных сейсмоприёмников можно зарегистрировать микросейсмический шум, источником которого могут быть ветровые нагрузки на поверхность Земли и расположенные на ней объекты, изменение давления воздуха, морские приливы и даже сигналы землетрясений.
Из-за способа построения дисперсионных изображений «классический» MASW неэффективен для поиска локальных неоднородностей в исследуемом разрезе, но может успешно применяться для восстановления общей структуры геологического строения и определения скоростей S волн. Тем не менее, можно сказать, что горизонтальная разрешающая способность некоторым образом зависит от расстояния между пунктами возбуждения.
Вторым существенным ограничением метода является проблема учёта рельефа. Если превышения его уровня составляют 10% от длины расстановки, корректная обработка и интерпретация данных MASW будет значительно затруднена или даже невозможна.
Метод активно используется для построения разрезов в изолиниях коэффициента Пуассона, модуля Юнга, отношения VP/VS. Такая визуализация разрезов помогает при картировании оползневых процессов и зон ослабленных (трещиноватых) пород или карстовых полостей. Информация о скоростях VP берется из данных МПВ или сейсмотомографии, а информация о скоростях VS − из результатов метода MASW. Коэффициент Пуассона (ν) рассчитывается через скорости продольных и поперечных волн и является важной информацией для инженеров-прочнистов.
Обычно наблюдения производятся по методике многократных перекрытий с фланговой системой наблюдения. Расстояние между приемниками, источниками, вынос, длину расстановки надо выбирать в зависимости от задачи - глубинности исследования и требуемого разрешения по горизонтали и вертикали. Лучше всего пользоваться таблицами из оригинальной статьи [1].
Таблица рекомендуемых параметров системы наблюдений для MASW:
|
Максимальная глубина исследования Zmax (м) |
Источник. Масса кувалды (кг) |
Приемник. Собственная частота геофона (Гц) |
Расстановка (м) | Шаг ПВ, (dx), (м) | Запись | ||||||
|
Длина, D |
Вынос ПВ, X |
Шаг ПП, dx | Горизонтальное разрешение |
Шаг дискретизации dt (мс) |
Время записи T (c) |
||||||
| 24-к | 48-к | Высокое | Среднее | Низкое | |||||||
| ≤1.0 |
≤0.45 (0.45) |
4.5‑100 (40) |
1‑3 (2.0) |
0.2‑3.0 (0.4) |
0.05‑0.1 (0.1) |
0.02‑0.05 (0.05) |
1‑2 (1) |
2‑4 (2) |
4‑12 (4) |
0.5‑1.0 (0.5) |
0.5‑1.0 (0.5) |
| 1-5 |
0.45‑2.25 (2.25) |
4.5‑40 (10) |
1‑15 (10) |
0.2‑15 (2) |
0.05‑0.6 (0.5) |
0.02‑0.3 (0.25) |
1‑2 (1) |
2‑4 (2) |
4‑12 (4) |
0.5‑1.0 (0.5) |
0.5‑1.0 (0.5) |
| 5‑10 |
2.25‑4.5 (4.5) |
≤10 (4.5) |
5‑30 (20) |
1‑30 (4) |
0.2‑1.2 (1.0)
|
0.1‑0.6 (0.5) |
1‑2 (1) |
2‑4 (2) |
4‑12 (4) |
0.5‑1.0 (0.5) |
0.5‑1.0 (1.0) |
| 10‑20 |
≥4.5 (9) |
≤10 (4.5) |
10‑60 (30) |
2‑60 (10) |
0.4‑2.5 (1.5) |
0.2‑1.2 (1.0) |
1‑2 (1) |
2‑4 (2) |
4‑12 (4) |
0.5‑1.0 (0.5) |
1.0‑2.0 (1.0) |
| 20‑30 |
≥4.5 (9) |
≤4.5 (4.5) |
20‑90 (50) |
4‑90 (10)
|
0.8‑3.8 (2.0) |
0.4‑1.9 (1.5) |
1‑2 (1) |
2‑4 (2) |
4‑12 (4) |
0.5‑1.0 (1.0) |
1.0‑2.0 (1.0) |
| 30‑50 |
≥4.5 (9) пассивный |
≤4.5 (4.5) |
30‑150 (70) |
6‑150 (15) |
1.2‑6.0 (3.0) |
0.6‑3.0 (2.0) |
1‑2 (1) |
2‑4 (2) |
4‑12 (4) |
0.5‑1.0 (1.0) |
1.0‑3.0 (1.0) |
| ≥50 |
≥4.5 (9) пассивный |
≤4.5 (4.5) |
>50 (150) |
>10 (30) |
>2.0 (6.0) |
>1.0 (4.0) |
1‑2 (1) |
2‑4 (2) |
4‑12 (4) |
0.5‑1.0 (1.0) |
≥1.0 (2.0) |
Обработка данных MASW
На предварительном этапе выполняется суммирование накоплений, мьютинг и фильтрация данных. На втором этапе строятся дисперсионные изображения и производится пикирование дисперсионных кривых с идентификацией мод. Мода - одна из независимых ветвей максимумов дисперсионного изображения. Обычно используют фундаментальную моду, которая распространяется с нулевой частоты, что и упрощает ее идентификацию. Неправильная идентификация мод приводит к построению некорректного скоростного разреза. Существует проблема смешения мод, заключающаяся в перераспределении энергии между близко расположенными модами на дисперсионном изображении. Такой эффект может быть как артефактом алгоритма обработки данных, так и реальным физическим явлением, поскольку разные моды могут иметь разное затухание. Поэтому мы предлагаем использовать априорный разрез, по которому можно создать синтетические сейсмограммы в Tesseral Engineering, и по ним построить дисперсионные изображения, чтобы знать какие конкретно моды поверхностных волн генерирует априорный разрез. С примером такого моделирования можно ознакомиться в данной работе [2].
На третьем этапе происходит решение обратной задачи – получение скоростного разреза VS путем инверсии - подбора теоретической модели, дисперсионная кривая которой наиболее близка к наблюденной. Подбор обычно осуществляется только для поперечных скоростей и мощностей слоев, поскольку ощутимое влияние на дисперсионную кривую имеют именно они. Этот процесс итеративный, и он требователен прежде всего к заданию начальной модели, т.е. анализу априорных данных. Разные начальные модели могут привести к разному итоговому результату. Как и в сейсмотомографии, здесь также необходимо правильно выбирать метод инверсии, параметры сглаживания и своевременно «следить» за процессом инверсии. Обработка MASW в варианте работы с активными источниками реализована в RadExPro и ZondST2d.
Мы предлагаем услуги по обработке данных MASW или обучению этому методу специалистов геофизиков. Наши сотрудники имеют большой опыт в моделировании, интерпретации дисперсионных изображений, разделении мод и их пикировании. Поскольку обратная задача метода неустойчива и небольшие изменения в пикировании могут привести к достаточно серьёзным изменениям в разрезе, необходимо обладать опытом и профессиональной интуицией, заранее представлять сложность разреза и понимать, каким может и должен быть результат. Мы эффективно нивелируем негативные особенности метода, моделируем синтетические сейсмограммы поверхностных волн, а также учитываем априорные знания о разрезе, полученные в результате бурения, либо другими геофизическими методами.
1. Park C.B., Miller R.D. and Xia J. (1999). Multichannel analysis of surface waves. Geophysics, 64(3): 800-803.