mgr inż

WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 493 – 499
Robert SIATA, Jacek CHODACKI
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
Zastosowanie metody MASW do wyznaczania profilu prędkościowego
warstw przypowierzchniowych
Streszczenie
Rozpoznanie własności przypowierzchniowych warstw nadkładu jest ważnym zagadnieniem wykorzystywanym m.in. w badaniach geotechnicznych czy badaniach związanych
z ochroną powierzchni. Szczególnie istotna jest informacja o rozkładzie prędkości fal
sejsmicznych w tych warstwach. Jest to podstawowy parametr przy określaniu wzmocnień
amplitud drgań przy przechodzeniu fali sprężystej przez utwory czwartorzędowe. W artykule
przedstawione zostały podstawy teoretyczne oraz przykładowe wyniki badań warstw nadkładu
metodą analizy fal powierzchniowych (MASW).
1. Metoda analizy fal powierzchniowych MASW
Metoda analizy fal powierzchniowych (Multichannel Amplitude Seismic Waves – MASW)
po raz pierwszy została zastosowana w geotechnice i geofizyce w roku 1999, chociaż wersje
rozwojowe pojawiły się kilka lat wcześniej (Park at al., 1999a). MASW jest metodą
sejsmiczną, która umożliwia wyznaczanie rozkładu prędkości fali S w skali głębokości,
poprzez analizę powierzchniowych fal Rayleigh’a. Metoda wykorzystuje sposób rejestracji
i przetwarzanie danych szeroko stosowany od wielu lat w sejsmice refleksyjnej dla potrzeb
przemysłu naftowego. Jednak, podczas gdy w klasycznej sejsmice fale Rayleigh’a uważane są
za szum, w metodzie MASW fale te stanowią sygnał użyteczny. Z tego powodu metoda
wymaga nieco innego podejścia na etapie akwizycji i przetwarzania danych.
Procedura MASW składa się z trzech etapów:
– akwizycji danych,
– obliczania krzywych dyspersji dla poszczególnych rekordów
– inwersji krzywych dyspersji w celu obliczenia rozkładu prędkości.
Rejestracja danych odbywa się za pomocą wielokanałowej aparatury sejsmicznej. Liczba
kanałów może być różna, jednak nie mniejsza niż 12. Schematyczny rysunek typowej linii
pomiarowej znajduje się na rysunku 1.1.
Odległość pomiędzy źródłem fali a najbliższym geofonem musi być na tyle duża, aby
zapewnić powstanie właściwej fali powierzchniowej. Najdalszy geofon zwykle umieszczany
jest w miejscu, gdzie szum zaczyna dominować nad sygnałem użytecznym (rys. 1.1).
Jeśli chodzi o parametry rejestracji ważne jest aby rejestrowane były niskie częstotliwości.
Niskoczęstotliwościowe składowe fali powierzchniowej zwiększają zasięg głębokościowy
metody oraz czynią proces inwersji bardziej stabilnym.
_______________________________________________________________
493
R. SIATA, J. CHODACKI - Zastosowanie metody MASW do wyznaczania profilu...
______________________________________________________________
Rys. 1.1. Schemat układu pomiarowego w metodzie MASW
Fig. 1.1. Scheme of transmission survey situation
Dlatego istotne jest, aby w czasie pomiaru nie stosować filtracji, a także zadbać o odpowiednie
wzmocnienie niskich częstotliwości.
Rys. 1.2. Mapa dyspersji z wyznaczoną krzywą dyspersji dla powierzchniowych fal Rayleigh’a
Fig. 1.2. Dispersion image with the dispersion curve of the Rayleigh-type surface wave
Zarejestrowane rekordy poddawane są analizie dyspersyjnej (rys. 1.2). Ten etap jest
szczególnie ważny ponieważ ma największy wpływ na końcowy kształt krzywej prędkości. Do
inwersji wykorzystywana jest wyłącznie krzywa dyspersji dlatego im dokładniej wyznaczymy
krzywą dyspersji dla każdego rekordu pomiarowego, tym lepiej określimy rozkład prędkości
w badanym ośrodku. Rozkład prędkości V S jest wyliczany w procesie inwersji na podstawie
krzywej dyspersji oraz gęstości i współczynnika Poissona (Xia et al., 1999).
_______________________________________________________________
494
WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
Rys. 1.3. Schemat pomiarów i interpretacji w metodzie MASW
Fig. 1.3. Scheme of acquiring records and interpretation in MASW method
_______________________________________________________________
495
R. SIATA, J. CHODACKI - Zastosowanie metody MASW do wyznaczania profilu...
______________________________________________________________
W kolejnych iteracjach modyfikowana jest tylko prędkość fali S – inne parametry pozostają
niezmienione. Model wyjściowy ośrodka zdefiniowany jest poprzez prędkości fali P i S,
gęstość oraz miąższości poszczególnych warstw.
Z każdego zarejestrowanego rekordu tworzona jest jedna krzywa rozkładu prędkości V S.
Przemieszczając układ pomiarowy o zadany interwał możemy tworzyć kilka takich krzywych
i na ich podstawie konstruować mapy prędkościowe (rys. 1.3). Wielkość interwału określa
stopień szczegółowości mapy.
2. Przykład wyników pomiarów sejsmicznych metodą MASW
Pomiary sejsmiczne wykonano w rejonie Ligoty w Katowicach. Na profilach sejsmicznych
rozmieszono 24 geofony, falę sejsmiczną wzbudzano udarowo.
Na rysunku 2.1 przedstawiono przykładowy rekord zapisany podczas pomiarów. W wyniku
przeprowadzonych badań zarejestrowano sześć rekordów sejsmicznych po 24 trasy w każdym.
Rys. 2.1. Przykład rekordu sejsmicznego uzyskanego podczas pomiarów
Fig. 2.1. An example of sejsmogram section obtained from field survey
Interpretację wykonano na oprogramowaniu SurfSeis firmy Kansas Geological Survey.
Na rysunkach 2.2 i 2.3 przedstawiono przykład mapy dyspersji z krzywą dyspersji dla fal
powierzchniowych oraz odpowiadający jej model prędkościowy ośrodka.
W efekcie interpretacji wszystkich rekordów uzyskano mapę prędkości poprzecznej fali
sejsmicznej (Vs) w rejonie badań (rys. 2.4 i 2.5).
_______________________________________________________________
496
WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
Rys. 2.2. Przykład mapy dyspersji fali powierzchniowej
Fig 2.2. Example of dispersion image
Rys. 2.3. Przykład modelu prędkościowego ośrodka dla pojedynczego rekordu danych
Fig. 2.3. Example of velocity earth model for single seismic record
_______________________________________________________________
497
R. SIATA, J. CHODACKI - Zastosowanie metody MASW do wyznaczania profilu...
______________________________________________________________
W rejonie badań stwierdzono niskie wartości prędkości fali poprzecznej w obrębie warstw
przypowierzchniowych. Prędkości fali poprzecznej rosną stopniowo od ok. 100 m/s przy
powierzchni do 400 – 500 m/s na głębokości ok. 20 m. Na głębokości pomiędzy 5 a 15 m
stwierdzono lokalne anomalie prędkości tego typu fali. Wartości spadają poniżej 200 m/s
(lokalnie ok. 150 m/s).
Rys. 2.4. Rozkład prędkości fali S w rejonie ulicy Bałtyckiej (Katowice – Ligota)
Fig. 2.4. An example of shear-wave velocity map in the region of Bałtycka street (Katowice – Ligota)
Rys. 2.5. Rozkład prędkości fali S w rejonie oczyszczalni ścieków (Katowice – Ligota)
Fig. 2.5. An example of shear-wave velocity map in the region of water purification plant (Katowice –
Ligota)
_______________________________________________________________
498
WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
3. Podsumowanie
Prędkość fali poprzecznej może być użyta do klasyfikacji nadkładu w aspekcie jego
potencjalnych możliwości wzmacniania amplitud drgań. Zalecenia normy EUROKOD 8
mówią o wykonywaniu pomiarów sejsmicznych ‘in situ’ dla potrzeb takiej klasyfikacji.
Wykonane pomiary w Katowicach w rejonie Panewnik metodą analizy fal
powierzchniowych (MASW) potwierdzają jej użyteczność. Przeprowadzone badania
i obliczenia pozwoliły na uszczegółowienie informacji o budowie i właściwościach warstw
przypowierzchniowych. Na ich podstawie dokonać można klasyfikacji jakości podłoża jak
również wykorzystać do prognozy oddziaływania drgań sejsmicznych na zabudowę
powierzchniową i środowisko.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
Aki K, Richards P.G. 1980: Quantitative seismology, Vol. I, II. W.H. Freeman and Company, San
Francisco.
Xia J., Miller R. D, Park C. B. 1999: Estimation of near-surface shear-wave velocity by inversion of
Rayleigh waves. Geophysics, vol 64, no 3, 691 – 700.
Park C. B., Xia J., Miller R. D 1999: Using MASW to Map Bedrock in Olathe Kansas. Open-file
Raport No. 99 – 9.
Park C. B., Xia J., Miller R. D 1999: Using MASW to Investigate Subsidence in Tampa Florida
Area. Open-file Raport No. 99 – 33.
Application of the MASW method to define velocity profile of a near
surface zone
The examination and classification of the near surface zone is a very important problem in
geotechnical surveys and surface protection technologies. It seems to be particularly essential
to find out the information about seismic wave velocity profile in these zones. Such
information is used for example to define local amplification. Theoretical bases of the MASW
(Multichannel Amplitude Seismic Waves) method were described in this article as well as the
results of near surface investigation in the region of Katowice-Ligota with the application of
this method.
Przekazano: 30 marca 2005 r.
_______________________________________________________________
499