Применение малоглубинной сейсморазведки на объектах Среднего Тимана

Под малоглубинной геофизикой понимают совокупность геофизических методов изучения строения верхней части разреза (ВЧР) на глубины до первых сотен метров. Основной (базовый) комплекс, как правило, включает магнито-, электро- и сейсморазведку, к вспомогательным методам относятся георадиолокация, микромагнитная и микрогравиметрическая съемки, методы радиометрии и ядерной геофизики (Манштейн, 2002; Боганик, Гурвич, 2006; Белоусов и др., 2014).

В настоящее время круг задач, стоящих перед малоглубинной геофизикой, достаточно широк: изучение геологии ВЧР, изыскания для строительства, проверка строения дорожной насыпи, картирование карьеров, обследование торфяных болот, зон вечной мерзлоты и растепления, сопровождение археологических работ, изучение геологического строения, поиск малоглубинных месторождений полезных ископаемых и т. д. (Манштейн, 2002; Боганик, Гурвич, 2006; Белоусов и др., 2014).

В настоящей статье внимание будет уделено использованию малоглубинной сейсморазведки для возможности применения метода при поиске геологических тел типа «трубка взрыва». Наибольшее распространение среди сейсмических методов изучения ВЧР получил метод преломленных волн (МПВ), направленный на регистрацию преломленных и поверхностных волн.

При изучении более глубоких частей разреза и решении сложных структурно-геологических задач (расчленение геологического разреза) применяют метод отраженных волн (МОВ), разрешающая способность и точность структурных построений которого выше, чем при использовании МПВ. Сравнительно редкое применение МОВ связано с трудностями проведения полевых работ и способов обработки сейсмических данных, гарантирующих надежную регистрацию отраженных волн от неглубоко залегающих границ и их последующее выделение в процессе обработки (Манштейн, 2002; Боганик, Гурвич, 2006; Белоусов и др., 2014).

При изучении малых глубин длина волны импульса источника соизмерима с расстоянием до изучаемых геологических границ. Большинство процедур обработки отраженных волн (миграция, деконволюция и др.) действуют в предположении «дальней зоны», т. е. когда длина волны источника во много раз меньше глубины залегания целевых горизонтов. В малоглубинной сейсморазведке обычно используются низкочастотные источники сейсмических волн (кувалда, механические системы типа «падающего груза»), поэтому частоты отраженных волн для приповерхностной части разреза недостаточно велики для детального изучения слоев небольшой мощности и выделения локальных неоднородностей. В процессе обработки «неглубокие» (до 100 м) отражения часто теряют значительную часть своего высокочастотного спектра. Полевые сейсмограммы малоглубинного МОВ характеризуются низким соотношением «сигнал/помеха» из-за большого количества источников шума, а малая кратность суммирования является причиной невысокой вертикальной разрешенности итоговых временных разрезов. Часто значительная часть полезной сейсмической записи перекрыта высокоамплитудным цугом поверхностных волн, обладающих сильной дисперсией. Нередко выделение однократных отражений на их фоне невозможно из-за интерференции и близких характеристик полезных волн и волн-помех (Манштейн, 2002; Боганик, Гурвич, 2006; Белоусов и др., 2014).

Ввиду значительных ограничений применения МОВ на данный момент основным способом сейсмических исследований для верхней части разреза является метод преломленных волн. Это связано с относительной легкостью выделения этих типов волн, регистрируемых в первых вступлениях, оперативностью сбора данных, простотой обработки материалов и надежностью получаемых результатов (Манштейн, 2002, Боганик, Гурвич, 2006, Белоусов и др., 2014).

Особенностями малоглубинной сейсморазведки являются:

• —    малый шаг по пунктам возбуждения (ПВ) и пунктам приема (ПП) (от 2 до 10 метров);

• —    тип источника (маломощное вертикальное или горизонтальное возбуждение колебаний, как правило 34

невзрывное) и, как следствие, более низкий частотный состав записи;

• —    тип регистрируемых волн (продольные и поперечные);

• —    техногенные и геологические помехи, их характер и учет при проектировании методики работ;

• —    специфика строения ВЧР, связанная с геологией современных отложений (Манштейн, 2002; Боганик, Гурвич, 2006; Белоусов и др., 2014).

Цель наших исследований заключается в определении возможности применения метода для поиска геологических тел типа «трубка взрыва», залегающих близко к поверхности (первые десятки метров).

Аппаратура и методика исследований

При проведении работ регистрация колебаний производилась с помощью 48-канальной линейной сейсмической станции SGD-SEL (SGD-SEL — Sib Geo Device — Seismic Engineering Linear) (ООО НПК «СибГео-физПрибор»). Шаг между пунктами приема составлял 5 м, шаг между пунктами возбуждения — 10 м, общая длина расстановки — 235 м. Возбуждение сейсмических волн осуществлялось ударами кувалды массой 10 кг по специальной плашке.

Сейсмограммы записывались на жесткий диск станции в формате SEG-Y длиной 4000 мс при шаге дискретизации 1 мс.

Выделение полезного сейсмического сигнала на фоне помех выполнялось в режиме накопления воздействий. В сейсморазведке широко применяется синхронное накопление колебаний с целью ослабления нерегулярных волн-помех. Современная регистрирующая аппаратура позволяет проводить достаточно большое число накоплений, однако на практике оно редко превышает десять из-за быстрого снижения эффекта накапливания с ростом их числа и значительных затрат времени. Поэтому при небольшом уровне помех стремятся уменьшить число накоплений. Нами проводились опытные работы перед началом исследований, и количество накоплений составляло 4–6 в зависимости от уровня микросейсм.

Обработка материалов, полученных по методу преломленных волн, проводилась в программном пакете ZondST2D, предназначенном для двумерной обработки и интерпретации данных инженерной сейсморазведки.

На начальном этапе выполнялось суммирование сейсмограмм и введение поправок значений отметки момента вступления сейсмической волны, а также геометрии наблюдений. Затем анализировался частотный состав сигнала и соотношение «сигнал/помеха», при необходимости выполнялась полосовая фильтрация данных.

На следующем этапе осуществлялось выделение времени первых вступлений (пикирование) и построение годографов. Для контроля качества корреляции использовалось совместное представление взаимных трасс и годографов. В ходе обработки годографы сводились по взаимным временам. Критерием качества пикирования являлось среднее расхождение по взаимным временам для всей расстановки.

Заключительным этапом обработки полученных материалов являлось построение двумерного распре-

Рис. 1. Карта аномального магнитного поля Четласского поднятия масштаба 1:25 000 (Злоказов, Лаврова и др., 2001¹). 1 — разломы: ВЗ — Визингский, КС — Косьюский, ВК — Ворыквинский, ЧТ — Четласский, ЦТ — Центрально-Тиманский; 2 — объекты исследования: 1 — Верхнемезенская трубка взрыва, 2 — магнитная аномалия «Павьюга», 3 — магнитная аномалия «Каменская»

Fig. 1. Map of the anomalous magnetic field of the Chetlas uplift on the scale of 1:25000 (Zlokazov, Lavrova et al., 2001¹). 1 — faults: ВЗ — Vizinga, КС — Kosyu, ВК — Vorykva, ЧТ — Chetlass, ЦТ — Central Timan; 2 — objects of study: 1 — Verkhnemezenskaya explosion pipe, 2 — «Pavyuga» magnetic anomaly, 3 — «Kamenskaya» magnetic anomaly

Рис. 2. Верхнемезенская кимберлитовая трубка: а — геологический план; b — блок-диаграмма с разрезом по линии А–Б (Айбабин и др., 1982²). 1 — светлинская свита, кварциты, реже сланцы, прослои и линзы гравелитов (направления штриховки на планах и разрезах соответствуют основным направлениям простирания и падения пород); 2 — зоны дробления, брекчии кварцитов, сланцев; 3 — позднебайкальская ультраосновная формация, пикритовые порфириты; 4 — геологическая граница; 5 — скважина и ее номер; 6 — канавы; 7 — линия геологического разреза

Fig. 2. Verkhnemezenskaya kimberlite pipe: a — schematic geological plan; b — schematic block diagram with a cut along line A–B (Aibabin et al., 19822). 1 — Svetlinskaya suite, quartzites, less often shales, interlayers and lenses of gravelites (the directions of shading on the plans and sections correspond to the main directions of strike and dip of rocks); 2 — crushing zones, breccias of quartzites, shales; 3 — late Baikalian ultramafic formation, picrite porphyrites; 4 — geological boundary; 5 — well and its number; 6 — ditches; 7 — geological section line деления скоростей полезных волн методом сейсмической томографии. Процесс получения скоростного изображения геологической среды включал в себя определение начальной модели и томографическую инверсию.

Объекты исследований

По материалам предшествующих исследований известно, что территория Среднего Тимана перспективна на нахождение тел трубочного типа. В ее пределах в результате заверки магнитных аномалий найдены Верхнемезенская, Умбинская, Среднинская, Водораздельная кимберлитовые трубки.

Для проведения геофизических исследований нами были выбраны Верхнемезенская кимберлитовая трубка как эталон и две изометричные магнитные ано- малии как объекты опробования. Объекты расположены в пределах Четласского поднятия Среднего Тимана на выделенных нами ранее перспективных участках (рис. 1).

Верхнемезенская кимберлитовая трубка была открыта наземными работами по заверке локальной калиевой и магнитной аномалий в верховьях р. Мезени (Ерема и др., 19733). Располагается она в поле распространения терригенных образований светлинской свиты. Представляет собой изометричное трубообразное тело, выполненное эруптивной брекчией щелочно-ультраосновного состава, залегающее под маломощным (0.4–2.0 м) покровом рыхлых отложений. При проведении Э. Х. Ходжаевым в 1978 г. детальных наземных работ рядом с центром Верхнемезенской трубки было выявлено еще два центра. Полученные данные

Рис. 3. Карта изолиний аномального магнитного поля Верхнемезенской кимберлитовой трубки масштаба 1:1000. Черные точки — пункты наблюдения по магнитометрическим профилям и их номера, линия — сейсмический профиль с каналами регистрации

Fig. 3. Map of isolines of the anomalous magnetic field of the Verkhnemezenskaya kimberlite pipe on the scale of 1:1000. Black circles — observation points along to magnetometric profiles and their number, the line — seismic profile with registration channels

Рис. 4. Карта изолиний аномального магнитного поля Павьюгской аномалии масштаба 1:1000.

Условные обозначения — на рис. 3

Fig. 4. Map of isolines of the anomalous magnetic field of the Pavyuga anomaly on the scale of 1:1000. Legend — see Fig. 3

позволяют говорить о том, что все три центра связаны с одним трубчатым телом сложного строения. Тела были вскрыты шестью канавами и тремя скважинами глубиной 82.2 (М-5), 107.5 (М-6) и 56 м (М-7). Скважины были пройдены в трех центрах положительной магнитной аномалии. На дочетвертичную поверхность трубчатое тело выходит в виде трех пятен изверженных пород, частично обрамленных зонами дробления. Выходы рудного тела имеют форму стреловидных листьев с закругленными углами, ориентированных к центру трубки. Трубчатое тело осложнено сильно измененным кимберлитом (рис. 2) (Айбабин и др.,19822).

В пределах «Верхнемезенской» кимберлитовой трубки нами проведена детальная наземная магнитометрическая съемка масштаба 1:1000. В магнитном поле отчетливо выделяется положительная аномалия изо-метричной формы с тремя эпицентрами. Интенсивность в центре западного и южного эпицентров составляет

380 нТл, восточного — 150 нТл. Западный выход имеет размеры 40 х 30 м, восточный — 30 х 30 м и южный — 50 х 40 м. Общий размер аномалии 100 х 100 м (рис. 3).

Павьюгская магнитная аномалия, выделенная и отработанная нами в 2016 г., в магнитном поле представляет собой положительную аномалию элипсовид-ной формы, простирающуюся в северо-северо-западном направлении, интенсивностью ∆Та 340 нТл. Размеры локальной аномалии — 120 х 160 м (рис. 4).

Магнитная аномалия «Каменская» выбрана нами из-за ее локального одиночного расположения в пределах Мезенской площади мозаичного магнитного поля (рис. 1).

По результатам пешеходной магнитной съемки, выполненной нами в 2024 г., «Каменская» аномалия имеет овальную форму, несколько вытянутую в северо-западном направлении. Размеры ее составляют 250 х 450 м. Она распадается на две интенсивные (от 120

Рис. 5. Карта изолиний аномального магнитного поля Каменской аномалии масштаба 1:1000.

Условные обозначения — на рис. 3

Fig. 5. Map of isolines of the anomalous magnetic field of the Kamenskaya anomaly on the scale of 1:1000. Legend — see Fig. 3

Рис. 6. Примеры сейсмограмм, полученных на участке «Верхнемезенская трубка взрыва». ПВ 1 (a), ПВ 47 (b), ПВ 23 (c)

Fig. 6. Examples of seismograms obtained at the Verkhnemezenskaya explosion pipe site. PV 1 (a), PV 47 (b), PV 23 (c)

до 150 нТл) положительные линейно вытянутые аномалии. Размеры первой — 50 x 150 м, второй — 50 х 350 м (рис. 5).

Сейсмические наблюдения

Верхнемезенская трубка взрыва

Сейсмическая запись характеризуется хорошим качеством, высоким отношением «сигнал/помеха». Первые вступления на сейсмограммах ПВ 3–45 выделяются уверенно. На ПВ 1, 47 для дальней зоны (ПП 1–3, ПП 46–48) отметка первых вступлений затруднительна. Это связано с наибольшим расстоянием ПВ– ПП, слабым ударным воздействием и, возможно, малым количеством накоплений (рис. 6).

Прямая продольная волна регистрируется в ближней зоне от 10 до 20 м со скоростью 0.5–0.8 км/с. Преломленные волны приходят со скоростями 2.5– 3.0 км/с. Выделяются поверхностные волны со скоростями 0.4–0.6 км/с. Полезный сигнал регистрируется до 800 мс.

Результатом исследований явилось выделение области потери корреляции, уменьшения интенсивности сейсмических волн, а также изменения формы первых вступлений в районе ПП 12–20, ПП 20–32 и ПП 12– 32 (рис. 7). На скоростном разрезе выделенная область отмечается пониженными значениями скоростей (рис. 8). Ширина зоны составляет 100 м с делением на 40 и 60 м.

Магнитная аномалия «Павьюга»

Сейсмическая запись представлена сложной волновой картиной, отвечающей различным условиям возбуждения и приема. Профиль проходил вдоль края болота. Северная часть находилась на возвышенности, тогда как южная — в низине. Сейсмическая запись южной части профиля ПП 1–11 хаотичная с плохим отношением «сигнал/помеха», далее запись ПП 13–47 становится чистой, с хорошим отношением «сигнал/по-меха». Несмотря на это, первые вступления на всех сейсмограммах выделяются уверенно и характеризуются высокочастотным составом (рис. 9).

Прямая продольная волна регистрируется в ближней зоне до 10 м со скоростью 0.5–0.6 км/с. Преломленные волны приходят со скоростями 3.5–4.1 км/с. Поверхностные волны имеют скорости 0.4–0.45 км/с. Полезный сигнал регистрируется до 1000 мс. Характер волновой картины для отдельных пунктов возбуждения различается. Аномальная зона выделяется в районе ПП 12 и ПП 32. На скоростном разрезе область магнитной аномалии отмечается повышенными значениями скоростей (рис. 10).

Магнитная аномалия «Каменская»

Сейсмическая запись характеризуется хорошим качеством, высоким отношением «сигнал/помеха». Первые вступления на всех сейсмограммах выделяются уверенно (рис. 11).

Прямая продольная волна регистрируется в ближней зоне до 25 м со скоростью 0.5–0.6 км/с. Преломленные волны приходят со скоростями 2–2.5 км/с. Поверхностные волны имеют скорости 0.4–0.45 км/с. Характер волновой картины спокойный, без аномальных зон и потери корреляции сейсмической записи, которая прослеживается до1000 мс. На скоростном разрезе область отмечается аномалией с пониженными значениями скоростей (рис. 12).

Выводы

Верхнемезенская трубка взрыва. Результатом исследований явилось выделение на сейсмическом разрезе области потери корреляции, уменьшения интен-

Рис. 7. Примеры сейсмограмм с выделением аномальной зоны на участке «Верхнемезенская трубка взрыва». ПВ 1, 3, 5, 7, 9, 11 (столбец слева сверху вниз), ПВ 47, 45, 43, 41, 39 (столбец справа сверху вниз), ПВ 21 (столбец справа внизу)

Fig. 7 . Examples of seismograms, with the allocation of an anomalous zone in the Verkhnemezenskaya explosion pipe site. PV 1, 3, 5, 7, 9, 11 (column from left, top to bottom), PV 47, 45, 43, 41, 39 (column from right, top to bottom), PV21 (column from right bottom)

сивности сейсмических волн, а также изменения формы первых вступлений в районе ПП 12–20, ПП 20–32 и ПП 12–32. На скоростном разрезе выделенная область отмечается пониженными значениями скоростей. Ширина зоны составляет 100 м, с делением на 40 и 60 м. Выделенная область точно соответствует местоположению трубки взрыва.

Магнитная аномалия «Павьюга». Характер волновой картины для отдельных пунктов возбуждения различается. Аномальная зона выделяется в районе ПП 12 и ПП 32. На скоростном разрезе область магнитной аномалии отмечается повышенными значениями скоростей.

Магнитная аномалия «Каменская». Характер волновой картины спокойный, без аномальных зон и по- тери корреляции сейсмической записи, которая прослеживается до 1000 мс. По сейсмическим данным выделить в пределах магнитной аномалии геологический объект не удалось, возможно из-за глубокого залегания тела, не позволяющего реализовать сейсмический метод при данной методике наблюдения.

В целом сейсмическая запись характеризуется хорошим качеством, высоким отношением «сигнал/по-меха» на расстоянии 120–130 м от пункта возбуждения. На больших расстояниях это отношение ухудшается, вероятно в зависимости от условий возбуждения.

Прямая продольная волна регистрируется в ближней зоне от 15 до 30 м со скоростью 0.45–0.5 км/с.

Рис. 8. Скоростной разрез участка «Верхнемезенская трубка», построенный по продольным волнам

Fig. 8. Velocity profile of the Verkhnemezenskaya pipe built along longitudinal waves

Рис. 9. Примеры сейсмограмм, полученных на участке магнитной аномалии «Павьюга». ПВ 1 (a), ПВ 47 (b), ПВ 23 (c)

Fig. 9. Examples of seismograms obtained at the «Pavyuga» magnetic anomaly site. PV 1 (a), PV 47 (b), PV 23 (c)

Рис. 10. Скоростной разрез участка магнитной аномалии «Павьюга», построенный по продольным волнам

Fig. 10. Velocity profile of the «Pavyuga» magnetic anomaly built along longitudinal waves

a

b

c

Рис. 11. Примеры сейсмограмм, полученных на участке магнитной аномалии «Каменская». ПВ 1 (a), ПВ 47 (b), ПВ 23 (c)

Fig. 11. Examples of seismograms obtained at the «Kamenskaya» magnetic anomaly site. PV 1 (a), PV 47 (b), PV 23 (c)

Рис. 12. Скоростной разрез участка магнитной аномалии «Каменская», построенный по продольным волнам

Fig. 12. Velocity profile of the «Kamenskaya» magnetic anomaly built along longitudinal waves

Преломленные волны приходят со скоростью 1.9– 3.6 км/с. Поверхностные волны имеют скорость 0.3 км/с. Отчетливо выделяются звуковые (воздушные) волны со скоростью 0.33 м/с.

Заключение

Применение малоглубинной сейсморазведки МПВ показывает возможность использования метода для выделения границ геологических структур, таких как «трубка взрыва», и имеет большое значение для их поиска, т. к. зачастую форма магнитной аномалии ввиду ее сложности может не полностью соответствовать самому телу, его эпицентру.

При проведении полевых работ возможно использовать классические типы расстановок. Глубинность метода определяется мощностью источника и длиной расстановки и в подавляющем большинстве случаев не превышает 30–50 м при расстановке в 235 м. При наличии сложных границ и анизотропии скоростей разреза необходимо наличие дополнительных ПВ, как выносных, так и в пределах профиля, что позволяет учесть конфигурацию границ и корректно восстановить скоростную модель среды.

Исследование выполнено в рамках темы НИР «Глубинное строение, геодинамическая эволюция, взаимодействие геосфер, магматизм, метаморфизм и изотопная геохронология Тимано-Североуральского литосферного сегмента» (ГР № 122040600012-2).