Цель и задачи фундаментального исследования
Основная цель научного исследования заключается в развитии нового научного подхода к изучению состояния вещества в приповерхностной части земной коры, подверженной природным и техногенным процессам. Подход основан на определении природы геофизических аномалий, наблюдаемых малоглубинными методами сейсмо- и электроразведки, с привлечением данных лабораторных измерений. Основная задача состоит в выявлении и исследовании связей геофизических полей с характеристиками горных пород на основе высокоточных полевых измерений, современных средств обработки данных и результатов лабораторных исследований образцов. Эффективное применение результатов фундаментальных исследований по проекту демонстрируется на примере геофизических исследований в составе инженерно-геологических изысканий на участке размещения электродепо «Волочаевское» Дзержинской линии Новосибирского метрополитена.
Предлагаемые методы и подходы
Для решения поставленных задач необходимо изучить характер изменения коэффициента петрофизической неоднородности, обусловленного изменениями плотности и вещественного состава с глубиной по данным скоростей продольных и поперечных волн, с учетом результатов электроразведочных работ и лабораторных измерений.
Проведение работ основывается на современной методической и технологической базе наблюдения, обработки и интерпретации геофизических данных. В первую очередь это использование уникальных источников возбуждения сигналов, разработанные в ИНГГ СО РАН: сейсмический, переносной пьезокерамический источник, работающий в импульсном и вибрационном режиме [Дробчик, 2013] и комплекс высокоразрешающей электротомографии «Скала-48», использующий передовые инженерно-технические достижения в области геофизического приборостроения. При интерпретации используется численное решение прямой кинематической задачи сейсмики в двумерно-неоднородной среде [Zelt et al., 1992], реализованное в комплексе программ SeisWide [Chian D, Китай], двумерная и трехмерная инверсия данных электротомографии при помощи программ RES2Dinv, RES3Dinv [Geotomo Software, Малайзия].
Теоретической основой решения поставленных задач является зависимость, установленная К. Булленом [Буллен, 1966] и связывающая параметр петрофизической неоднородности с изменениями модуля сжатия и плотности с давлением и соответственно с глубиной. В свою очередь эти величины связаны с изменениями скорости продольных и поперечных волн под действием давления и температуры.
Значения коэффициента петрофизической неоднородности легко интерпретировать, так как теоретически величина коэффициента равна единице для однородных областей и отличается от нее при отклонениях от однородности. Таким образом, общий полученный тренд двумерного распределения коэффициента петрофизической неоднородности для исследуемого объекта будет описывать состояние вещества (например, трещиноватость), а отклонения от него аномальными (относительными) характеристиками, связанными с вещественным составом. В рамках настоящего проекта будет впервые использованы значения этого коэффициента для изучения структуры и вещественного состава консолидированных грунтов с использованием данных о скоростях продольных и поперечных волн, полученных методом малоглубинной сейсмики, и данных о плотности пород по лабораторным исследованиям образцов керна.
Актуальность фундаментальной научной проблемы исследования
Ключевой проблемой интерпретации геофизических данных обсуждаемой на протяжении многих лет, является согласование геологических и геофизических моделей. Наиболее отчетливо она проявляется при интерпретации данных сейсмики, когда геологические наблюдения на обнаженных участках консолидированных грунтов (в том числе и скальных) показывают разнообразный вещественный состав и сложную тектоническую структуру, резко контрастирующую с пологим залеганием сейсмических границ и изолиний скорости [Литвиненко и др., 1989; Carbonel et al., 2000]. Существуют качественные объяснения того, что пологие геофизические структуры отражают состояние вещества, обусловленного давлением и температурой [Christensen, 1989], а крутонаклоненные отражающие элементы в большей степени связаны с трещиноватостью и при их определенной упорядоченности могут быть соотнесены с разломами [Nemeth et al., 2005]. Одна из основных научных задач на данный момент заключается в поиске способов разделения эффектов, связанных с влиянием состава вещества и его состояния.
Попытка оценки вещественного состава грунтов по комплексу данных о скоростях и плотности часто показывает неоднозначность решения такой задачи. В частности, использование только величины плотности возможно для очень приблизительных оценок вещественного состава консолидированных грунтов, поскольку одному значению плотности может соответствовать ряд пород с различной скоростью. Также выясняется, что лабораторные данные из опубликованных сводок по геофизическим наблюдениям не обладают необходимой полнотой и показывают значительный разброс значений. Возможно, последнее обусловлено тем, что использованы образцы грунтов как в естественном залегании, так и подверженные техногенному воздействию.
Разделить эти эффекты можно, используя не только абсолютные значения скоростей продольных и поперечных волн и плотности грунтов, но также их относительные изменения с глубиной. Для этого целесообразно использовать такой комплексный параметр как коэффициент петрофизической неоднородности. Возможность применения такого подхода была убедительно обоснована, как для лабораторных измерений на образцах горных пород [Суворов, Мельник, 2008], так и при изучении структуры и вещественного состава коры в целом [Мельник, 2016]. Таким образом, данный проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы современной геологии и геофизики – исследования природы аномалий скорости и плотности в грунтах на основе изучения изменения параметра петрофизической неоднородности по данным геофизических измерений.
Актуальность и значимость темы научного исследования для региона
В последние десятилетние в городе Новосибирске и Новосибирской области активно ведутся работы по инженерным изысканиям, проектированию и строительству зданий, мостов, станций метрополитена, тоннелей, путепроводов и новых дорог. При производстве этих работ одну из ведущих ролей играют геофизические исследования в составе инженерно-геологических изысканий, повышение эффективности применения которых в современных технологических условиях возможно путем развития наукоемкого обеспечения стройиндустрии. В последние десять лет в городе Новосибирске выполняется проектирование и строительство второй очереди Дзержинской линии Новосибирского метрополитена и «Волочаевского» электродепо. При производстве инженерных изысканий получены уникальные геофизические данные, которые могут быть обработаны с использованием предлагаемых новых научных методик и подходов, что обуславливает актуальность и значимость научного исследования для города Новосибирска.
Среди основных направлений развития геофизики в последние годы можно назвать заметное сближение методов и подходов, интегрированной обработки комплекса геологических и геофизических данных. С одной стороны, это определяется повышением детальности геофизических методов при исследованиях и приводит к получению новых результатов. С другой стороны, расширяет сферы применения геофизических результатов. Актуальность работы также заключается в развитии общих вопросов методологии, разработке и внедрении новых методик геофизических исследований, перспективных при проведении работ в составе инженерно- геологических изысканий, изучении геологических и техногенных процессов, решении геоэкологических задач.
Наряду с этим, территория Новосибирской области в геолого-структурном отношении представлена тектонически активным режимом орогенного типа. Он локализован в условиях стыка Салаирской и Колывань-Томской складчатых зон, что определяет возникновение тектонофизических напряжений, частично реализуемых образованием сложной сети разломов. В таких условиях, проектирование, строительство и эксплуатация промышленных объектов повышенной опасности (метрополитен, ГЭС, ТЭЦ, железные дороги и др.) и гражданских объектов должны проводиться с учетом вновь формирующихся геолого-геофизических характеристик. Это определяет актуальность и значимость научного исследования для Новосибирской области и региона в целом.
Общий план работ на весь срок выполнения проекта
Общий план работ на весь срок выполнения проекта включает выполнение двух этапов исследования:
В первый год работы будет проведен анализ данных по распределению скоростей продольных и поперечных волн по 6 сейсмическим профилям, выполненных методом преломленных волн, общей протяженностью 1.360 километров. Сбор значений плотности по результатам лабораторных измерений (порядка 70-80 измерений). Расчет модулей сжатия и сейсмического параметра, входящих в уравнение для определения коэффициента петрофизической неоднородности. Построение двумерных петрофизических моделей по 6 сейсмическим профилям. Результаты исследований по проекту будут представлены на XVII Всероссийском конференции «Геодинамика. Геомеханика и геофизика», а также на научных семинарах. Подготовка и публикация статьи в рецензируемом научном издании, входящим в библиографические базы данных Web of Science, Scopus или РИНЦ.
Ожидаемые научные результаты, их сравнение с мировым уровнем
В рамках научного исследования впервые, с использованием авторской методики, для приповерхностной части земной коры будет изучено распределение коэффициента петрофизической неоднородности и рассмотрена вероятная природа его изменений по данным наблюдений малоглубинной сейсмики.
В первый год выполнения проекта будет выяснена связь сейсмических и плотностных характеристик приповерхностной части земной коры и вещественного состава с особенностями изменения коэффициента петрофизической неоднородности. При этом очень важно, что будут разделены эффекты, связанные с изменением вещественного состава пород и их состоянием с глубиной. Результаты включают анализ собранных данных о скоростях сейсмических волн и плотности по данным лабораторных измерений, расчет модулей сжатия и сейсмического параметра, расчет коэффициента петрофизической неоднородности, анализ полученных характеристик и их сравнение с данными наземных геофизических наблюдений.
В рамках проекта на основе данных распределения коэффициента петрофизической неоднородности, сейсмических и электрофизических параметров в приповерхностной части земной коры, будет построена комплексная геолого-геофизическая модель, которая позволит более детально выполнить литологическое расчленение разреза и охарактеризовать его большим количеством параметров. Такая комплексная интерпретация позволит обеспечить полноту и достоверность решения инженерно-геологических задач.
В мировой практике достаточно распространен комплексный подход при проведении геофизических работ. Как правило, при малоглубинных исследованиях он включает многоволновую сейсморазведку, высокоразрешающую электроразведку и скважинные исследования. [Ganerod, 2006; Carbonela et.al., 2013]. Однако наибольшие трудности возникают при совместной интерпретации данных комплекса этих методов. Это в первую очередь связано с различным пространственным разрешением геофизических методов. Так, разрешение электроразведочных методов по латерали значительно превосходит данные сейсморазведки, но часто проигрывает ей с глубиной. Использование такого комплексного параметра, как коэффициент петрофизической неоднородности, уже на этапе его расчета позволит получить некую интегральную характеристику изменений скоростей продольных, поперечных волн и плотности по данным лабораторных измерений керна. Исключив трендовую составляющую, связанную с состоянием вещества, мы получим ряд вещественных аномалий, которые можно уже более обоснованно комплексировать с данными электротомографии.
Предполагаемые результаты по изучению изменений коэффициента петрофизической неоднородности дадут уникальную информацию о состоянии горных пород на глубине и позволят существенно продвинуться в изучении природы геофизических границ в приповерхностной части земной коры. Научно-исследовательские работы по теме проекта проводятся впервые.
Потенциальные возможности использования результатов исследования при решении прикладных задач в регионе
Прикладным результатом исследований по проекту является новая методика комплексирования результатов геофизических измерений, которая позволит более обоснованно согласовать данные сейсморазведки с электроразведочными и результатами бурения. Это даст возможность получить более точные сведения о строении, составе породных массивов, а также гидрогеологической обстановке, которые являются основными при проектировании и строительстве метрополитена.
Предлагаемый подход может применяться при проектировании, строительстве и мониторинге других объектов повышенной опасности в городе Новосибирске и Новосибирской области, таких как гидротехнические сооружения, сооружения связи, линии электропередачи, объекты авиационной инфраструктуры, объекты авто и железнодорожного транспорта общего пользования.
Особое значение в современных условиях приобретает экономическая эффективность геофизических исследований, которая может быть повышена за счет использования новой методики обработки геофизических данных и позволит расширить круг решаемых задач, увеличить информативность работ, сократить их сроки и стоимость.
Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту
Ранее исполнителями проекта получены следующие основные результаты, которые составляют теоретико-практическую базу данного проекта. Возможность использования коэффициента петрофизической неоднородности ранее была апробирована на различных объектах. По измерениям на образцах горных пород [Суворов, Мельник, 2008] был выделен общий тренд уменьшения коэффициента петрофизической неоднородности с давлением, который оказался обусловлен закрытием трещин, а отклонения от него связаны с изменениями вещественного состава. Также значения коэффициента петрофизической неоднородности были рассчитаны для земной коры районов Байкальской рифтовой зоны и Якутской кимберлитовой провинции [Мельник, 2016].
Опыт использования параметра петрофизической неоднородности свидетельствует о возможности разделения эффектов влияния на сейсмическую скорость волн и плотность пород, связанных как с трещиноватостью, так и с изменениями вещественного состава пород. Имеющийся научный задел обеспечивает успешное выполнение проекта.
Данный коллектив участвовал в обработке и интерпретации электроразведочных и сейсморазведочных данных, выполненных при производстве инженерно -геологических изысканий на участке размещения электродепо «Волочаевское» Дзержинской линии Новосибирского метрополитена. У коллектива имеется большой опыт проведения малоглубинных исследований в Новосибирской области, Алтайском крае и Республике Алтай, Республике Саха Якутия, Республике Крым, на Семипалатинском испытательном полигоне (Республика Казахстан) и полуострове Ямал в рамках научно-исследовательских и хоздоговорных работ.
1. Мельник Е.А., Суворов В.Д., Мишенькина З.Р. Петрофизическая интерпретация сейсмоплотностных данных (на примере Муйской впадины) // Технологии сейсморазведки. — 2016. —№ 4. —С. 84-91.
2. Оленченко В.В., Синицкий А.И., Антонов Е.Ю., Ельцов И.Н., Кушнаренко О.Н., Плотников А.Е., Потапов В.В., Эпов М.И. Результаты геофизических исследований территории геологического новообразования «Ямальский кратер» // Криосфера Земли. – 2015. – Т. XIX. – № 4. – С. 94-106.
3. Семинский К.Ж., Зарипов Р.М., Оленченко В.В. Тектонофизический подход к интерпретации данных малоглубинной электротомографии разломных зон // Геология и геофизика. – 2016. – Т. 57. – № 9. – С. 1715-1729.
4. Суворов В.Д., Мельник Е.А., Мишенькина З.Р. Глубинное строение Чульманской впадины по временам пробега волн в первых вступлениях // Технологии сейсморазведки. —2016. —№ 2. —С. 109-117.
5. Мельник Е.А., Беляшов А.В., Суворов В.Д. Техногенно-измененные приповерхностные породы на участке Семипалатинского испытательного полигона: характеристика по сейсмическим данным // Технологии сейсморазведки. — 2015. — № 1. —С. 106-110.
6. Беляшов А.В., Суворов В.Д., Мельник Е.А. Некоторые методические аспекты обработки сейсмических данных применительно к условиям Семипалатинского испытательного полигона // Вестник НЯЦ РК. —2015. — № 4. — С. 84-91.
7. Семинский К.Ж., Зарипов Р.М., Оленченко В.В. Интерпретация данных малоглубинной электротомографии разломных зон: тектонофизический подход // Доклады РАН. – 2015. – Т. 464. – № 4. – С. 480-484.
8. Беляшов А.В., Суворов В.Д., Мельник Е.А. Сейсмическое изучение верхней части разреза на участке Семипалатинского ядерного испытательного полигона // Технологии сейсморазведки. — 2013. — № 03. — С. 64-75.
Опыт руководителя проекта в выполнении других проектов и грантов, список основных публикаций
Руководитель проекта, Мельник Е.А., является специалистом в области обработки и интерпретации сейсмических данных на основе математического моделирования кинематики и динамики волнового поля в дву- и трехмерных средах, автор и соавтор более 50 научных работ. Основные научные результаты связаны с развитием методики сейсмического регионального исследования земной коры, а также с поиском соотношения скоростных параметров среды с ее вещественными характеристиками. Мельник Е.А. являлась руководителем гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых (2008-2009 гг.); молодежного Лаврентьевского гранта СО РАН (2010-2011 гг.); является руководителем проекта фундаментальных исследований РАН (2017-2020 гг.). Результаты научных исследований Мельник Е.А. отмечены премией Губернатора Новосибирской области, премией им. академика Н.Н. Пузырева, а также почетным знаком «Серебряная сигма» СО РАН.
1. Мельник Е.А., Суворов В.Д., Мишенькина З.Р. Петрофизическая интерпретация сейсмоплотностных данных (на примере Муйской впадины) // Технологии сейсморазведки. — 2016. —№ 4. —С. 84-91.
2. Суворов В.Д., Мельник Е.А., Мишенькина З.Р. Глубинное строение Чульманской впадины по временам пробега волн в первых вступлениях // Технологии сейсморазведки. —2016. —№ 2. —С. 109-117.
3. Melnik E.A., Suvorov V.D., Pavlov E.V., Mishenkina Z.R. Seismic and density heterogeneities of lithosphere beneath Siberia: Evidence from the Craton long-range seismic profile // Polar Science. — 2015. —Vol. 9. —P. 119-129.
4. Беляшов А.В., Суворов В.Д., Мельник Е.А. Некоторые методические аспекты обработки сейсмических данных применительно к условиям Семипалатинского испытательного полигона // Вестник НЯЦ РК. —2015. — № 4. — С. 84-91.
5. Мельник Е.А., Беляшов А.В., Суворов В.Д. Техногенно-измененные приповерхностные породы на участке Семипалатинского испытательного полигона: характеристика по сейсмическим данным // Технологии сейсморазведки. — 2015. — № 1. —С. 106-110.
6. Беляшов А.В., Суворов В.Д., Мельник Е.А. Сейсмическое изучение верхней части разреза на участке Семипалатинского ядерного испытательного полигона // Технологии сейсморазведки. — 2013. — № 03. — С. 64-75.
7. Суворов В.Д., Мельник Е.А., Мишенькина З.Р., Павлов Е.В., Кочнев В.А. Cейсмические неоднородности верхней мантии под Сибирским кратоном (профиль Метеорит) // Геология и геофизика. — 2013. — Т. 54. — № 9. — С. 1411-1426.
Используемая литература:
1. Буллен К.Е. Введение в теоретическую сейсмологию. М.: Мир, 1966. 460 c.
2. Дробчик А.Н., Суворов И.Д., Егоров Г.В., Юшин В.И. Апробация импульсного невзрывного пьезокерамического излучателя сейсмических волн // Трофимуковские чтения - 2013: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых (г. Новосибирск, 8 - 14 сентября 2013 г.). – 2013. – С. 269-271.
3. Литвиненко И.В., Ланев B.C., Лизинский М.Д. Региональные сейсмические исследования восточной части Балтийского щита // Советская геология. 1989. №10. С. 83-90.
4. Мельник Е.А., Суворов В.Д., Мишенькина З.Р. Петрофизическая интерпретация сейсмоплотностных данных (на примере Муйской впадины) // Технологии сейсморазведки. — 2016. —№ 4. —С. 84-91.
5. Суворов В.Д., Мельник Е.А. О петрофизической неоднородности земной коры и верхов мантии в двух районах Сибири по сейсмогравитационным данным и измерениям на образцах горных пород // Физическая мезомеханика. — 2008. — № 11 (1). — С. 101-108.
6. Carbonela D., Gutiérreza F.,Linaresb R., Roquéc C., Zarrocab M., McCalpind J., Guerreroa J.,Rodrígueza V. Differentiating between gravitational and tectonic faults by means of geomorphological mapping, trenching and geophysical surveys. The case of the Zenzano Fault (Iberian Chain, N Spain) // Geomorphology. – 2013. – V. 189. – P. 93–108.
7. Carbonell R., Perez-Estaun A., Gallart J., Diaz J., Kashubin S., Mechie J., Stadtlander R., Schulze A., Knapp J.H., Morozov A. Crustal Root beneath the Urals: Wide-Angle Seismic Evidence. Science. — 1996. — V. 274. — P. 222-224.
8. Christensen N.I. Pore pressure, seismic velocities, and crustal structure // in Pakiser, L.C. and Mooney, W.D., Geophysical framework of the continental US: Boulder, Colorado, Geological Society of America Memoir. — 1989. — N 172. — P. 783-797.
9. Ganerod, G. V. Comparison of geophysical methods for sub-surface mapping of faults and fractures zones in a section of the Viggja road tunnel, Norway / G. V. Ganerod, J. S. Ronning et al. // Bulletin of Engineering and the Environment. – 2006. – V. 65. – P. 231–243.
10. Nemeth B., Clowes R., Hajnal Z. Lithospheric structure of the Trans-Hudson Orogen fromseismic refraction - wide-angle reflection studies // Canadian Journal of Earth Sciences. 2005 V42. N4 P. 435-456.
11.Zelt, C.A., Smith, R.B. Seismic traveltime inversion for 2-D crustal velocity structure. Geophys. J. — 1992. — N.108. — P.16 – 34.