Wstępne wyniki badania właściwości tłumiących utworów fliszu karpackiego metodą refrakcji sejsmicznej

Transkrypt

1 Mat. Symp. str Jerzy KŁOSIŃSKI Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków Wstępne wyniki badania właściwości tłumiących utworów fliszu karpackiego metodą refrakcji sejsmicznej Streszczenie W pracy przedstawiono wstępne wyniki badań właściwości tłumiących utworów fliszu karpackiego za pomocą pomiarów techniką refrakcji sejsmicznej. Analizowano tłumienie energii refrakcyjnej fali S. Wyniki przedstawiono w postaci zmian funkcji tłumienia oraz powierzchni współczynnika anizotropii K S. Wskazano na przydatność współczynnika tłumienia energii fali S w określaniu warunków propagacji fali i jakości górotworu. 1. Wprowadzenie Rozpoznanie właściwości górotworu za pomocą metod geofizycznych jest szeroko stosowane w wielu krajach dla potrzeb budownictwa podziemnego i powierzchniowego. Metody geofizyczne pozwalają na przeprowadzenie pomiaru w sposób bezinwazyjny dla większych fragmentów górotworu, stosunkowo ekonomicznie i szybko dostarczają danych, które mogą być następnie wykorzystane do modelowania zachowania się np.: układu górotwor - obudowa w przypadku konstrukcji tunelu. Informatywność danych geofizycznych zależy od metody geofizycznej, modelu geofizycznego opisującego ośrodek oraz w dużym stopniu od metodyki pomiarowej i dokładności wykonania przeprowadzonych pomiarów [4]. Jedną z podstawowych metod rozpoznania geologiczno-inżynierskiego jest metoda sejsmiczna. Metoda ta może być użyta do bliższego rozpoznania granic pomiędzy warstwami zróżnicowanymi litologicznie, a także granic stref zawodnionych, granic oddzielających strefy różnego stanu wietrzenia górotworu, a zwłaszcza granicy między podłożem a nadkładem. Dzięki tej metodzie można określić parametry sejsmiczne, które mogą być wykorzystane do oceny właściwości fliszu karpackiego. Parametry sejsmiczne są wielkościami fizycznymi charakteryzującymi sposób propagacji fal w górotworze. Do tych parametrów zaliczane są prędkości fali P i S. Użytecznymi są również takie wielkości jak stosunek prędkości fal P i S, współczynnik anizotropii, czy współczynnik tłumienia dla maksymalnej amplitudy oraz energii fali P i S. W przypadku ośrodków warstwowanych do których należą badane utwory fliszu karpackiego, znaczący wpływ na wielkość mierzonych prędkości ma anizotropia ośrodka skalnego. Spękania zaliczają się do jednych z najbardziej istotnych czynników mających wpływ na właściwości sprężyste i wytrzymałościowe górotworu. Na ich podstawie można podjąć próbę określenia właściwości sprężystych górotworu [4]. 497

2 J. KŁOSIŃSKI Wstępne wyniki badania właściwości tłumiących utworów fliszu karpackiego.. W niniejszym artykule przedstawiono sposób określenia tłumienia energii refrakcyjnej fali S w utworach fliszu karpackim na podstawie pomiarów techniką refrakcyjną w rejonie projektowanych tuneli komunikacyjnych. 2. Warunki geologiczne w rejonie badań Badania tłumienia energii fali S w utworach fliszu karpackiego przeprowadzono w dwóch miejscach: w Lalikach k/zwardonia oraz w Milówce w województwie śląskim, w rejonach planowanej budowy tuneli komunikacyjnych na drodze ekspresowej S-94 rysunek 2.1. Oba tereny pomiarowe występują w Beskidzie Śląskim w strefie łusek przedmagurskich będących elementem granicznym pomiędzy płaszczowinami śląską na północnym-zachodzie i magurską na południowym wschodzie [2]. Rys Położenie terenów badań na tle mapy sytuacyjno-wysokościowej Polski [4] Fig Location of investigated area on situation map of Poland [4] Na terenie badań w Lalikach występują utwory łuski przedmagurskiej południowej (grybowskiej). Grunty wykształcone są w postaci gleby gliniastej i glin pylastych zwięzłych zawierających fragmenty ostrokrawędzistych piaskowców. Warstwa zwietrzeliny występują w postaci zwietrzałych zwięzłych glin z domieszką drobnego rumoszu piaskowców oraz łupków pylastych i piaskowca silnie zwietrzałego. Poniżej zwietrzeliny występują utwory fliszowe, na ogół w serii piaskowcowo-łupkowej, które ze wzrostem głębokości posiadają bardziej korzystne właściwości mechaniczne. Kąty zapadania warstw w miejscu wykonywania pomiarów, oszacowane na granicach kontaktów warstw w wykopie W1 (rys. 3.1) wynoszą około 60 o. Warstwy zapadają monoklinalnie w kierunku południowo-wschodnim, a ich rozciągłość ma przebieg w kierunku SW-NE. Nachylenie powierzchni terenu wynosi około 11 o na S. Na terenie badań w Milówce występują utwory łuski przedmagurskiej północnej (dukielskiej). W miejscu badań pokrywa czwartorzędowa występuje w postaci brązowych glin pylastych i gleby o grubości około 2,0 m. Zwietrzelina występuje w postaci glin piaszczystych 498

3 z ostrokrawędzistymi fragmentami piaskowców. Grunty i zwietrzelina nie wykazują dużego zróżnicowania pod względem wykształcenia i konsystencji i swoimi właściwościami zbliżone są do gruntów w Lalikach. Na terenie badań utwory fliszowe występują w serii łupkowej z niewielkim udziałem piaskowców (poniżej 15%). Górotwór wykształcony jest w postaci ławic łupków piaszczystych, głębiej szarych masywnych oraz łupków pstrych zielonkawo szarych, przewarstwionych cienkimi ławicami piaskowca i mułowca o grubości od kilku milimetrów do 20 centymetrów. Łupki pstre charakteryzują się właściwościami pęczniejącymi i stwarzają dodatkowe utrudnienia dla budownictwa tunelowego. Kąty upadu warstw są zmienne w granicach od 58 o do 85 o, a zapadanie jest w kierunku południowo-wschodnim. W miejscu wykonywania pomiarów nachylenie powierzchni terenu wynosiło około 8 o w kierunku SE. 3. Metodyka pomiarowa i interpretacyjna Szkic terenu pomiarowego w Lalikach wraz z położeniem profili sejsmicznych przedstawiono na rysunku 3.1. Natomiast na rysunku 3.2 pokazano teren pomiarowy w Milówce wraz z położeniem profili sejsmicznych. Pomiary techniką refrakcji sejsmicznej wykonano na profilach w przybliżeniu prostopadłych do siebie o długościach 35 m. Punkty wzbudzania fali sejsmicznej (PS-y) przyjęto w środku profili, na ich końcach oraz w określonych odstępach od końców profili. Konfiguracja profili pomiarowych została tak dobrana, aby możliwie optymalnie obserwować wpływ anizotropii ośrodka na zmianę tłumienia energii fali S. Do badań sejsmicznych użyto 24. kanałowy rejestrator sejsmiczny GEODE-24CH firmy Geometrics Inc., geofony trójskładowe o częstotliwości własnej 4,5 Hz oraz 6 kg młota jako źródła energii sejsmicznej. Rys Ukształtowanie terenu badań oraz szkic terenu pomiarowego z zaznaczonym położeniem profili sejsmicznych w Lalikach [4] Fig Morphology of investigation site and survey site draft with seismic lines location in Laliki [4] 499

4 J. KŁOSIŃSKI Wstępne wyniki badania właściwości tłumiących utworów fliszu karpackiego.. Rys Ukształtowanie terenu badań oraz szkic terenu pomiarowego z zaznaczonym położeniem profili sejsmicznych w Milówce [4] Fig.3.2. Morphology of investigation site and survey site draft with seismic lines location in Milówka [4] Sposób przetwarzania i interpretacja danych sejsmicznych miały na celu wyznaczenie zmian tłumienia energii refrakcyjnej fali S. Do przetwarzania danych refrakcyjnych profilowań sejsmicznych wykorzystano program PickWin95 [3]. W przypadku analizy tłumienia energii refrakcyjnej fali S, dokonano: wprowadzenia korekty na efekt geometrycznego rozchodzenia się fali (przyjęto założenie, że fala refrakcyjna jest rozpraszana tak, jak fala cylindryczna, a więc energia refrakcyjnej fali sejsmicznej maleje z odległością), obliczenia sumy kwadratów amplitud fali S. Amplitudy fali S sumowano od czasu wejścia tej fali przez jeden okres drgań, normalizacji sumy kwadratów amplitud względem ilości próbek n, prezentacji graficznej w układzie odległości od źródła i logarytmu naturalnego znormalizowanej energii ln(e S /E S 0) [4]. Postać matematyczna podanego sposobu obliczenia energii refrakcyjnej fali S - E S jest określona wzorem: E S n 1 A2 n k, k 1 gdzie: A k są amplitudami sygnału sejsmicznego, a n jest długością okna czasowego ( krok próbkowania) [4]. 500

5 4. Wyniki badań i ich analiza Na terenie pomiarowym w Lalikach analizowano zmiany tłumienia energii refrakcyjnej profili PP 60 i PP 170 dla drugiej warstwy ośrodka, którą stanowiła zwietrzelina fliszu karpackiego. Było to uwarunkowane dobrym rozpoznaniem jej właściwości oraz granic tej warstwy na podstawie badań archiwalnych [1]. Na terenie badań w Milówce analizowano E S dla podłoża fliszowego wzdłuż profili PP 15 i PP 104. W celu eliminacji wpływu zarejestrowanych fal innych niż refrakcyjne od II warstwy w Lalikach dokonano selekcji zapisów (cieniowane odcinki na rys 4.1). W przypadku Milówki podobnie postąpiono dla rejestracji fal refrakcyjnych od III warstwy skorelowanej z podłożem fliszowym. Następnie określono parametry regresji liniowej i współczynnik korelacji R 2 dla oceny jakości dopasowania punktów pomiarowych. Na rysunku 4.1 przedstawiono wynik estymacji współczynnika tłumienia w oparciu o zmiany energii refrakcyjnej fali S na profilu PP 60, dla źródeł drgań położonych w różnych punktach na profilu. Podobnie na rysunku 4.2 przedstawiono wyniki dla profilu PP 170. Podobne obliczenia wykonano dla rejestracji uzyskanych profilach PP 15 i PP 104 na terenie Milówki, które przedstawiono na rysunkach 4.3 i 4.4. W tablicach 4.1 i 4.2 zestawiono współczynniki tłumienia energii refrakcyjnej fali S obliczone dla różnego położenia źródła drgań na profilach pomiarowych odpowiednio w Lalikach i Milówce [4]. Rys Tłumienie znormalizowanej energii fali S na profilu PP 60 dla źródła drgań położonego w punktach -8 m, 0 m, 35,5 m, 37,5 m; odcinki cieniowane dotyczą fali refrakcyjnej z II warstwy [4] Fig Attenuation of normalized S-wave energy on PP 60 line for source located on -8 m, 0 m, 35,5 m, 37,5 m; shaded sections concern refraction S-wave from II layer [4] 501

6 J. KŁOSIŃSKI Wstępne wyniki badania właściwości tłumiących utworów fliszu karpackiego.. Rys Tłumienie znormalizowanej energii fali S na profilu PP 170 dla źródła drgań położonego w punktach -25 m, -15 m, 2,5 m, 35 m; odcinki cieniowane dotyczą fali refrakcyjnej z II warstwy [4] Fig Attenuation of normalized S-wave energy on PP 170 line for source located on 25 m, 15 m, 2,5 m, 35 m; shaded sections concern refraction S-wave from II layer [4] Rys Tłumienie znormalizowanej energii fali S na profilu PP 15 dla źródła drgań położonego w punktach -14 m, 2,5 m, 32,5 m, 55 m; odcinki cieniowane dotyczą fali refrakcyjnej z III warstwy [4] Fig Attenuation of normalized S-wave energy on PP 15 line for source located on -14 m, 2,5 m, 32,5 m, 55 m; shaded sections concern refraction S-wave from III layer [4] 502

7 Rys Tłumienie znormalizowanej energii fali S na profilu PP 104 dla źródła drgań położonego w punktach -20 m, 2,5 m, 32,5 m, 55 m; odcinki cieniowane dotyczą fali refrakcyjnej z III warstwy [4] Fig Attenuation of normalized S-wave energy on PP 104 line for source located on -20 m, 2,5 m, 32,5 m, 55 m; shaded sections concern refraction S-wave from III layer [4] Zmiany współczynnika tłumienia w zwietrzelinie w Lalikach [4] Changes of attenuation coefficient in weathered layer in Laliki [4] Współczynnik tłumienia Tablica 4.1. Table 4.1. Profil PP 60 Profil PP 170 Wielkość Położenie źródła drgań (PS) Średni Położenie źródła drgań (PS) Średni -8m 0m 35,5m 37,5m współ. -25m -15m 2,5m 35m współ. tłumienia* tłumienia* E S 0,101 0,144 0,103 0,077 0,124 0,107 0,115 0,083 0,135 0,109 Wielkość Tablica 4.2. Table 4.2. Zmiany współczynnika tłumienia w podłożu fliszowym w Milówce [4] Changes of attenuation coefficient in Carpathian Flysch rock mass in Milówka [4] Położenie źródła drgań (PS) Współczynnik tłumienia Profil PP 15 Profil PP 104 Średni Położenie źródła drgań (PS) -14m 2,5m 32,5m 55m współ. -20m 2,5m 32,5m 55m tłumienia* Średni współ. tłumienia* E S 0,070 0,104 0,121 0,052 0,112 0,128 0,083 0,076 0,063 0,079 * obliczony dla PS-ów w przybliżeniu równooddalonych od profilu; dla PP 60-0 m i 35,5 m, dla PP 170-2,5 m i 35 m, dla PP 15 2,5 m i 32,5 m, dla PP 104 2,5 m i 32,5 m 503

8 J. KŁOSIŃSKI Wstępne wyniki badania właściwości tłumiących utworów fliszu karpackiego.. Analizując wartości współczynnika tłumienia można zauwazyć, że jego wartości wyznaczone dla źródeł położonych blisko końców profili są z reguły większe od wartości tego współczynnika dla źródeł połozonych w punktach bardziej oddalonych od końców profili. Zależność ta powiazana jest z tłumieniem wyższych częstotliwości z odległością. W związku z tym, przy badaniach przeprowadzanych w ten sposób, należałoby stosować stałe odległości między geofonami i punktami wzbudzania fali. Ze względu na częste trudności w spełnieniu tego warunku podczas pomiarów terenowych w odpowiedni sposób skalibrowano względem siebie współczynniki tłumienia obliczone dla PS-ów położonych na końcach profilów i w odstępach od ich końców, a następnie wyznaczono średnie arytmetyczne zredukowanych funkcji tłumienia z obu stron profilu, które opisują efekt anizotropii ośrodka. Wielkość tą nazwano współczynnikiem anizotropii K S [4]. Dla zilustrowania zmian anizotropii na terenie badań w Lalikach i Milówce skonstruowano powierzchnie zmienności wartości współczynnika K s dla tłumienia energii refrakcyjnej fali S. Powierzchnie te zostały skonstruowane przez uśrednienie metodą krigingu wyników obliczeń w układzie dwóch profili dla każdego z terenu badań (rys. 4.5). Rys Powierzchnie zmian współczynnika anizotropii KS w układzie dwóch profili dla energii refrakcyjnej fali S dla a) terenu Lalików, b) terenu Milówki [4] Fig Surfaces of changes of anisotropy coefficient KS for refraction S-wave energy in a) Laliki area, b) Milówka area [4] Dla warunków pomiarowych w Lalikach pokazane zmiany współczynnika anizotropii są zgodne z kierunkiem nachylenia powierzchni terenu. Jest to również kierunek w przybliżeniu rozciągłości warstw podłoża fliszowego. Południowo-zachodnia i zachodnia część terenu badań (położona niżej) jest również silniej zawodniona w porównaniu do części północnozachodniej, położonej wyżej. Zróżnicowane zawodnienie zwietrzeliny jest prawdopodobnie głównym czynnikiem obserwacji zmian współczynnika K s. Zauważono również, że w przypadku parametrów fali S uzyskano dużą rozdzielczość obrazu. Dla terenu Milówki kierunek nachylenia powierzchni sejsmicznych jest w przybliżeniu południowo-wschodni. Kierunek ten jest zgodny z kierunkiem zapadania warstw. 5. Podsumowanie Tłumienie energii refrakcyjnej fali S jest dobrym parametrem do określania anizotropii warstw podłoża. Zarówno w przypadku Lalików jak i dla podłoża fliszowego w Milówce parametr ten był dobrze skorelowany z parametrami przestrzennymi warstw. Generalnie, wielkość współczynnika tłumienia dla zwietrzeliny fliszu karpackiego w Lalikach była większa 504

9 od wielkości tego współczynnika dla bardzo słabej jakości utworów fliszu karpackiego (serii łupkowej) w Milówce. Funkcja tłumienia pozwoliła wyznaczyć współczynnik K s jako miarę anizotropii ośrodka. Przedstawione wyniki badań wskazują na przydatność współczynnika tłumienia obliczonego dla energii fali S do określania warunków propagacji fali i jakości górotworu. Literatura [1] Dokumentacja techniczna budowy drogi ekspresowej II klasy technicznej S-94 Bielsko Biała Żywiec Zwardoń, odcinek w Lalikach, część tunelowa, km km Mostoprojekt Kraków, [2] Pilecka E. 2002: Geologiczne uwarunkowania w projektowaniu tuneli drogowych w Beskidzie Śląskim i Żywieckim, Technika Poszukiwań Geologicznych, Geosynoptyka i Geotermia, Wyd. IGSMiE PAN, nr 6, Kraków. [3] Introduction to SeisImager/2D and installation, OYO Corporation Tsukuba Technical Research & Development Center, [4] Praca zbiorowa po redakcją H. Marcaka i Z. Pileckiego, 2003: Wyznaczanie właściwości utworów fliszu karpackiego metodą sejsmiczną dla potrzeb budownictwa tunelowego. Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków. Preliminary investigation results of attenuation properties of the Carpathian Flysch formations using seismic refraction technique The preliminary investigation results of attenuation properties in the Carpathian Flysch formations using seismic refraction technique have been presented. The attenuation of refraction S-wave energy was analysed. The results in the form of attenuation function and anisotropy coefficient K S for S-wave energy have been presented. Usability of attenuation coefficient for S-wave energy in determining of wave propagation conditions and rock mass quality have been indicated. Przekazano: 26 marca 2003 r. 505