BADANIA SEJSMICZNE

WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 79 – 87
Jerzy DEC
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Problemy badań sejsmicznych w KWB „Bełchatów”
Streszczenie
W artykule omówiono wyniki doświadczalnych badań sejsmicznych przeprowadzonych na
kilku poziomach w kopalni w Bełchatowie. Przedstawiono problematykę wykrywania skupisk
skał twardych oraz określania morfologii stropu skał podłoża. Pokazano również problemy
metodyki badań i przetwarzania danych sejsmicznych.
1. Wstęp
Front eksploatacji w kopalni przesuwa się w kierunku zachodnim. W trakcie prowadzenia
robót górniczych udostępniających złoże, w części południowej odkrywki na poszczególnych
poziomach pojawiają się wychodnie skał podłoża mezozoicznego. Są to margle, mułowce oraz
piaskowce i ze względu na technologię prowadzenia robót górniczych skały te uznać należy za
trudno-urabialne. W profilach skarp w utworach trzeciorzędowych pojawiają się nagle
skupiska skał twardo-urabialnych, najczęściej piaskowców o nieregularnych kształtach,
miąższości i zasięgu. W tym kontekście wyprzedzające rozpoznanie geologiczne jest
niezwykle cenne dla planowania i prowadzenia robót górniczych. Rozpoznanie wiertnicze jest
dość kosztowne i do tego daje rozpoznanie punktowe. Stąd pojawia się konieczność szukania
nowych metod badawczych dla wcześniejszego rozpoznawania budowy górotworu.
W rozwiązywaniu powyższej problematyki predysponowanymi wydają się być badania
sejsmiczne. Prowadzone w rejonie konińskim prace (Dec, Ślusarczyk 2001) wykazały
przydatność refleksyjnych badań sejsmicznych w kartowaniu morfologii stropu skał mezozoicznych. Z kolei wyniki prac, prowadzonych wcześniej przez zespół prof. Z. Kasiny (AGH,
Kraków), sugerowały możliwość stosowania profilowań sejsmicznych dla lokalizacji skupisk
skał twardo-urabialnych (Kasina i in. 1996). Geologiczna weryfikacja ówczesnych badań
i wyniki obecne wskazują, że ze względu na nietypowe warunki i silną zmienność geologiczną
przyjęte założenia teoretyczne prędkościowej identyfikacji skał mogą być błędne.
Przeprowadzone obecnie badania sejsmiczne miały na celu ocenę efektywności metody
w następujących zagadnieniach:
 wykrywanie skał trudno-urabialnych,
 kartowanie przebiegu stropu mezozoicznego podłoża serii węglowej.
Badania metodą profilowań refrakcyjnych i refleksyjnych wykonano wzdłuż pięciu profili
o kierunku S-N i jednego o kierunku W-E. Profile zlokalizowane były na poziomie IV i V
w części zachodniej wyrobiska. Szczegółową sytuację badań na tle geologicznej mapy
morfologii stropu mezozoiku przedstawia rysunek 1.1. Profile 1, 2 i 3 usytuowano na poziomie
IV (rzędna +96m n.p.m.) a pozostałe trzy na poziomie V (rzędna +72m n.p.m.).
____________________________________________________________________________
79
J. DEC – Problemy badań sejsmicznych w KWB „Bełchatów”
____________________________________________________________________________
Dzięki współpracy z Działem Geologii KWB Bełchatów wyniki badań dowiązane zostały
do szczegółowych przekrojów geologicznych sporządzonych w odsłoniętych przez koparkę
profilach skarp na poszczególnych poziomach. Przekroje te pokazują bardzo skomplikowaną,
silnie i szybko zmienną budowę geologiczną wzdłuż linii profilowań geofizycznych poniżej
poziomów badań. W przekrojach widoczne są silne zmiany poziome facji, wąsko-promienne
struktury fałdowe z zaburzonym układem warstw, aż do występowania form warstw stojących.
Na podstawie trzech wybranych pojedynczych przekrojów skarp (wg Skórzak 2003) sporządzono wzdłuż linii A-A’’ przekrój zbiorczy, który przedstawia skomplikowaną budowę górotworu w rejonie badań pomiędzy poziomem VI a poziomem IV (rys. 1.2).
Uświadamia on, że rzeczywisty model górotworu dalece odbiega od sejsmicznego modelu
ośrodka warstwowego, nawet zaburzonego.
Partia górotworu, która w klasycznych refleksyjnych badaniach sejsmicznych jest pomijana, a uwzględniana jedynie we wprowadzanych poprawkach, w tym przypadku stała się
przedmiotem badań.
Brak ciągłych i wolnozmiennych horyzontów może w istotny sposób utrudniać przetwarzanie danych (statyka, analizy prędkości). Natomiast silna zmienność pozioma litologii
powodować będzie istotne zmiany prędkości na drodze fali sejsmicznej, co w konsekwencji
zaburzy korelację sygnałów odbitych od wspólnego punktu (CDP) a dalej korelację fazową
zapisu sejsmicznego.
Rys. 1.1. Mapa stropu podłoża w rejonie badań (wg Skórzak 2003) i lokalizacja
profili sejsmicznych w KWB „Bełchatów”
Fig. 1.1. Map of the top of Mesozoic basement (Skórzak 2003) and seismic
profiles location in „Bełchatów” mine
____________________________________________________________________________
80
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Natomiast w badaniach refrakcyjnych duża zmienność przebiegu granic pod powierzchnią
terenu może powodować niejednoznaczności interpretacji, tzn. różne granice geologiczne
interpretowane są jako jedna granica sejsmiczna. Fala czołowa rozprzestrzeniająca się
w utworach o podwyższonej prędkości, w przypadku ich wychodzenia ku powierzchni lub
wyklinowania, zmienia swą trajektorię, zamieniając się w falę dyfrakcyjno-refrakcyjną lub
prostą, co powoduje osłabienie dynamiki propagującej fali. Pojawiają się problemy
z zarejestrowaniem wyraźnych sygnałów o korzystnym stosunku sygnał/zakłócenie.
Rys. 1.2. Zbiorczy przekrój geologiczny pomiędzy poziomem VI a poziomem IV w KWB „Bełchatów”
Fig. 1.2. Geological cross – section between levels VI and IV in „Bełchatów” mine
2. Obraz falowy w bełchatowskich warunkach geologicznych
Przeprowadzone pomiary i ich analiza wykazały, że prędkości fal refrakcyjnych zawierają
się w przedziale 800 – 1400 m/s, prędkości średnie dla fal odbitych w przedziale 900 – 1150 m/s.
Prędkość fali powierzchniowej zmienia się zaś w zakresie od 250 do 280 m/s. Rysunek 2.1
przedstawia relacje czasowe rejestrowanych fal dla przyjętych wartości średnich prędkości.
Z relacji tych wynika, że dla efektywnego śledzenia fal odbitych od podłoża optymalny zakres
„offsetów” zawiera się odpowiednio w przedziale 40 – 110 m dla granic leżących na głębokości 40 – 70 m i 60 – 160 m dla granic leżących na głębokości 70 – 100 m. Dla „offsetów”
większych następuje bowiem interferencja sygnałów fal odbitych z sygnałami fali refrakcyjnej.
W badaniach refleksyjnych realizacja rozstawów o takich długościach jest oczywiście
możliwa, ale w warunkach bełchatowskich dla „offsetów” większych od 100 m. Wskutek
tłumiącego działania suchego górotworu pojawiają się kłopoty z energią rejestrowanego
sygnału. Z kolei zawężenie rozstawu sejsmicznego do długości 60 m redukuje liczbę aktywnych odbiorników, co obniża krotność profilowania refleksyjnego a tym samym efektywność
tłumienia zakłóceń w procesie przetwarzania danych polowych. Dla małego przedziału
offsetów pojawiają się także problemy z poprawnym wyznaczaniem prędkości, gdyż zbyt mała
krzywizna hiperbol refleksyjnych powoduje, że wyniki analiz prędkości są niejednoznaczne.
Liczne próby przeprowadzone na poziomach IV i V wyrobiska w Bełchatowie potwierdziły, że stosowanie rozstawów długości większej niż 150 m powoduje dla tych odległości
utratę energii sygnału, wzrost poziomu zakłóceń, a sygnał odbity interferuje z sygnałami
refrakcyjnymi. Rysunek 2.2 przedstawia rekord polowy dla położeń odbiorników w zakresie
„offsetów” 0 – 94 m.
____________________________________________________________________________
81
J. DEC – Problemy badań sejsmicznych w KWB „Bełchatów”
____________________________________________________________________________
Rys. 2.1. Relacje czasowe rejestrowanych fal w KWB „Bełchatów”; 1 – hodograf refrakcyjny,
2 – hodograf fali odbitej od podłoża (h = 60 m), 3 – hodograf fali odbitej od podłoża (h = 90 m),
4 – hodograf fali powietrznej, 5 – hodograf fali powierzchniowej
Fig. 2.1. Time relationship of recorded waves in „Bełchatów” mine;.1 – refraction hodograph,
2 – reflection hodograph (depth of basement 60 m), 3 – reflection hodograph (depth
of basement 90 m),4 – air-wave hodograph, 5 – ground-roll wave hodograph
Rys. 2.2. Rekord polowy zarejestrowany w KWB „Bełchatów” – poziom IV; 1 – fala refrakcyjna, 2 – fala
odbita od podłoża (h = 45 m), 3 – fala powietrzna, 4 – fala powierzchniowa, 5 – trasa z zakłóceniem
Fig. 2.2. Field record obtained in „Bełchatów” mine – level IV; 1 – refraction wave, 2 – basement
reflected wave (h = 45 m), 3 – airwave, 4 – ground-roll wave, 5 – noisy trace
____________________________________________________________________________
82
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Szacowana głębokość granicy odbijającej związanej ze stropem podłoża pod tym rozstawem wynosi około 45 m. Sygnał odbity od tej granicy (2) widoczny jest pomiędzy odbiornikiem 17 a 32. Wcześniej dla odbiorników 1-16 na sygnał nakłada się fala powierzchniowa
i powietrzna. Natomiast dla dalszych położeń odbiorników 33-48 następuje interferencja z falą
refrakcyjną.
Dla tego rozstawu redukuje to ilość przebiegów do procesu składania do szesnastu, co
oznacza, że przy interwale strzałowym równym 1 efektywna krotność profilowania wynosi 8.
Jest to zbyt mało by uzyskać przekrój o wyraźnym sygnale odbitym od stropu podłoża,
zwłaszcza, że przedstawiony rekord polowy jest jednym z jakościowo lepszych. W większości
przypadków poziom zakłóceń jest znacznie większy.
3. Badania refrakcyjne
Fala refrakcyjna powstaje na fizycznej granicy wzrostu prędkości pomiędzy dwoma
ośrodkami. Granica ta może pokrywać się z jedną granicą geologiczną lub może wyznaczać
granice wzrostu prędkości pomiędzy strefą przypowierzchniową a występującymi niżej
różnymi skałami o podwyższonej prędkości.
Z własności fali refrakcyjnej rozprzestrzeniającej się wzdłuż takiej granicy określić można
morfologię powierzchni rozdziału (refraktora) a także zmiany parametrów fizycznych
(prędkość fali) poniżej refraktora. Zmiany prędkości fali korelowane mogą być ze zmianami
litologicznymi. Dlatego przyjęto założenie, że w warunkach geologicznych miejsca badań,
nagły wzrost prędkości powinien oznaczać lokalne wystąpienie utworów o większej twardości
lub wypiętrzenie mezozoicznego stropu podłoża serii węglowej.
Wykonane na profilu 5 wzdłuż południowej skarpy parametryczne pomiary na wychodni
skał podłoża (margli kredowych) wykazały, że spodziewana prędkość fal w tych skałach
powinna wynosić 1400 m/s. Oznacza to, że na odcinkach pozostałych profili zlokalizowanych
nad miejscami wyniesionego podłoża, prędkość fal wzdłuż refraktora powinna osiągać
podobną wartość. Również ewentualne wystąpienia skał twardo-urabialnych powinny
zaznaczać się wyższą prędkością fal w stosunku do otoczenia.
Wzdłuż profilu 1 przekrój refrakcyjny odwzorowuje granicę o zmiennej morfologii
(rys. 3.1), wzdłuż której prędkość zmienia się w przedziale od 800 do 1200 m/s, a zmiany te są
płynne, bez wyraźnego kontrastu. Wartość 1200m/s na początkowym odcinku profilu
(0 – 60 m) korelowana może być z marglami, ale wartość ta jest mniejsza od stwierdzonej na
wychodni podłoża (1400 m/s). Taka wartość odpowiadać może tak samo zwartym utworom
ilastym o dużej twardości.
Wzdłuż profilu 2 zarejestrowano prędkości o małym 1200 – 1300 m/s, a jednoznaczna
identyfikacja prędkościowa skał jest tu niemożliwa. Margle podobnie jak na profilu 1 mogą
mieć wartość prędkości 1200 m/s. Prędkość 1300 m/s może odpowiadać iłom, ale i także
skałom twardszym. Na profilu 3 prędkość wzdłuż refraktora osiąga 1200 m/s (podłoże?)
a następnie zmniejsza się do wartości około 800m/s. Refraktor na profilu 6 cechuje prędkość
w przedziale 1050 – 1200m/s.
Natomiast w obrazie refrakcyjnym na profilu 4 (rys. 3.2), wzdłuż refraktora obserwujemy
wartość prędkości 1200 m/s, następnie wartość ta obniża się do około 900 m/s i rośnie do
1400 m/s (skały twarde?). Morfologia granicy nie została wygładzona i występowanie punktów
o ostrej zmianie głębokości związane jest z błędami wynikającymi z dużej niejednorodności
i zmienności własności strefy przypowierzchniowej.
____________________________________________________________________________
83
J. DEC – Problemy badań sejsmicznych w KWB „Bełchatów”
____________________________________________________________________________
Rys. 3.1. Wyniki badań sejsmicznych wzdłuż profilu 1. KWB „Bełchatów” – poziom IV
Fig. 3.1. Results of seismic surveys along proflile 1. „Bełchatów” mine-level IV
Rys. 3.2. Wyniki badań sejsmicznych wzdłuż profilu 4. KWB „Bełchatów” – poziom V
Fig. 3.2. Results of seismic surveys along proflile 4. „Bełchatów” mine-level V
____________________________________________________________________________
84
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
W świetle uzyskanych wyników na wychodniach podłoża wzdłuż profilu 5 i na pozostałych
liniach badań uznać należy, że zmiany prędkości są niewielkie i płynne, a kontrasty małe i nie
ostre. Zbliżone wartości odpowiadać mogą tak skałom podłoża jak i utworom trzeciorzędowej
serii węglowej. Podobnie wzrost prędkości w obrębie tej serii nie musi oznaczać występowania
skał twardo-urabialnych. Dlatego prędkościowa identyfikacja skał jest trudna.
4. Profilowania refleksyjne
Badania te wykonywane są metodą profilowania wielokrotnego i nastawione były na
rejestrację sygnałów fal odbitych od stropu podłoża mezozoicznego.
Otrzymane przekroje sejsmiczne (rys. 3.1 i 3.2) dowiązano do litologii określonej
w otworach 115K-1P i 1598B. W otworze 115K-1P na głębokości około 57 m od poziomu IV
występują margle i piaskowce, a w otworze 1598B utwory podłoża stwierdzone zostały na
głębokości około 60 m od poziomu V. Na tej podstawie wyznaczone zostały granice sejsmiczne korelowane ze stropem podłoża.
Generalnie należy stwierdzić, że wyniki badań nie są w pełni zadowalające. Sygnały od
granicy sejsmicznej korelowanej ze stropem skał podłoża mają małą dynamikę i zaburzoną
korelację fazową. Zaznaczone na przekrojach nieciągłości zidentyfikowane zostały na
podstawie anomalnych zmian zapisu i fal zakłócających, gdyż w zapisie sejsmicznym brak jest
jednoznacznych i wyraźnych cech, jakie powinny towarzyszyć występowaniu uskoków, np.
przesunięcia sekwencji refleksów.
Na jakość uzyskanego refleksyjnego obrazu sejsmicznego ośrodka wpływ mają dwie
przyczyny. Pierwsza z nich związana jest z realizacją pomiarów i tkwi w trudnościach
dotyczących akwizycji. Jak już wspomniano spowodowane jest to ograniczoną możliwością
doboru rozstawu pomiarowego czego konsekwencją jest obniżenie nominalnej krotności
profilowania dla rozstawów krótkich lub dla dłuższych rozstawów znaczna utrata dynamiki
sygnału i pogorszenie stosunku sygnał/zakłócenie. Również fala powierzchniowa i akustyczna
wprowadzają duży poziom zakłóceń koherentnych trudnych do eliminacji. Liniowe
grupowanie geofonów dla tłumienia tych fal jest niemożliwe z uwagi na małe odległości
pomiędzy kanałami. Zastosowanie odsunięcia punktu wzbudzenia eliminuje częściowo
zakłócający wpływ tych fal, ale powoduje wydłużenie rozstawu, co przy silnym tłumieniu
ośrodka prowadzi prawie do zaniku sygnału w polu zakłóceń.
Druga przyczyna wynikająca w pewnym sensie z powyższych ograniczeń metodycznych
tkwi w przetwarzaniu danych, ale także jest konsekwencją silnej zmienności geologicznej.
Pierwszym elementem nastręczającym trudności w przetwarzaniu a wynikającym
z geologii są kłopoty z poprawkami statycznymi na strefę przypowierzchniową. Brak ciągłej
granicy refrakcyjnej o stabilnych parametrach i znaczne zmiany własności ośrodka pod linią
badań powodują, że usuwanie wpływu niejednorodności strefy przypowierzchniowej z zapisu
wprowadza dodatkowe błędy. Dlatego lepsze efekty daje tu automatyczna kompensacja statyki,
która częściowo eliminuje wpływ niejednorodności, a przynajmniej nie wprowadza błędów
dodatkowych.
Duża zmienność geologiczna a za tym też własności skał wpływa też na szybkozmienny
charakter pola prędkości (rys. 4.1). Określane na bazie rozstawu (40 – 140 m) optymalne
prędkości składania zmieniają nawet o 20% na odcinku długości 80 m. Dlatego prędkości te,
zastosowane do kinematycznej korekty zapisu, dają optymalny efekt składania dla danego
wspólnego punktu głębokościowego (CMP) ale też powodują błędy przesunięć czasowych na
poszczególnych składowych. Wspomniano już wcześniej, że zbyt mała krzywizna hodografów
____________________________________________________________________________
85
J. DEC – Problemy badań sejsmicznych w KWB „Bełchatów”
____________________________________________________________________________
refleksyjnych powoduje dodatkowo trudności w popranym szacowaniu prędkości składania.
Powstałe na etapie szacowania prędkości błędy powodują rozciąganie sygnału i zmniejszenie
korelacji wzdłuż horyzontu odbijającego.
Rys. 4.1. Wynik analiz prędkości wzdłuż profilu 1. KWB „Bełchatów” – poziom IV
Fig. 4.1. Results of velocity analysis along proflile 1. „Bełchatów” mine-level IV
Istotne zakłócenie, jakim jest fala powierzchniowa, która nie jest wstępnie tłumiona przez
grupy geofonowe, nie poddaje się filtracji jedno i dwuwymiarowej. Dopiero zastosowanie
mieszania tras połączonego z filtracją górno-przepustową pozwala na redukcję dynamiki tych
fal. Lepszym jednak rozwiązaniem jest zastosowanie odsunięcia punktu wzbudzenia w trakcie
pomiarów, co przesuwa tę falę względem refleksów w stronę większych czasów i ewentualne
zastosowanie mutingu.
Problem doboru metodyki pomiarów i wynikające z tego konsekwencje dla przetwarzania
danych są w warunkach geologicznych złoża bełchatowskiego elementami nierozłącznymi.
Głównym problemem powodującym trudności w refleksyjnym badaniu podłoża jest mały
obszar zapisu, w którym rejestruje się wyraźny, nie interferujący sygnał fali odbitej. Silne,
bowiem tłumienie sygnałów odbitych przez górotwór wymaga, by obszar ten był jak
największy. Wtedy nawet przy małej dynamice sygnału, w wyniku wielokrotnego składania
uzyskać można wzmocnienie sygnału względem licznych zakłóceń, jakie towarzyszą robotom
górniczym w kopalni.
5. Wnioski

Ze względu na małe kontrasty prędkości jednoznaczna identyfikacja podłoża na podstawie
profilowań refrakcyjnych jest trudna. Metoda refrakcyjna może być efektywna jedynie na
poziomach, gdzie podłoże wychodzi blisko powierzchni (0 – 10 m) i tylko przy założeniu,
____________________________________________________________________________
86
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________



że kontrast prędkości wynosi, co najmniej 200 m/s. Jednak kontrasty takie mogą być
mylne, bo twarde iły mogą mieć podobne wartości prędkości jak skały podłoża.
Określanie występowania skał trudno urabialnych metodą refrakcyjną, ze względu na małe
kontrasty prędkości i nieregularne formy ich występowania, jest raczej niemożliwe.
W badaniach strukturalnych refleksyjne odwzorowanie budowy górotworu jest mało
wyraźne, dynamika sygnałów odbitych od granic podłoża jest niska, a obraz uskoków
mało jednoznaczny. Wzdłuż profili, na których sygnał odbity posiadał zadowalającą
dynamikę, widać dobrą korelację pomiędzy układem horyzontów sejsmicznych a morfologią stropu podłoża.
Dane geologiczne wskazują na zgodność uzyskanych wyników z budową geologiczną
w skali makro. Szczegóły zmian budowy nie są rozpoznawalne.
Autor składa serdeczne podziękowania Działowi Geologii KWB „Bełchatów” za umożliwienie badań a w szczególności mgr inż. Waldemarowi Jończykowi i mgr inż. Anna Skórzak
za pomoc w ich realizacji.
Literatura
[1]
[2]
[3]
Kasina Z., Ślusarczyk R., Dec. J, Bugajski A. 1996: Ocena możliwości wykorzystania badań
sejsmicznych do rozpoznawania niejednorodności nadkładu złoża węgla brunatnego w celu
zapewnienia bezpiecznej eksploatacji. Technika Poszukiwań Geologicznych. Geosynoptyka
i Geotermia nr 5, 47 – 50.
Dec J., Ślusarczyk R. 2001: Sejsmiczne badania refleksyjne dla rozpoznania płytkich złóż węgla
brunatnego na przykładzie prac w rejonie złoża „Piaski” koło Konina. Przegląd Geologiczny, tom
49, nr 8, 692 – 697.
Skórzak A. 2003: Wewnętrzna dokumentacja geologiczna KWB „Bełchatów”.
Problems of seismic surveys applied in „Bełchatów” brown coal mine
The results of experimental seismic investigations are in this paper discussed. The surveys
was placed and conducted on several levels in „Bełchatów” brown coal mine. The problems of
detecting hard rocks concentrations as well problems connected with recognition of the
morphology of Mesozoic basement are shown. Questions of seismic surveys methodology and
data processing are discussed too.
Przekazano: 15 marca 2004 r.
____________________________________________________________________________
87