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
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
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
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] Aki K, Richards P.G. 1980: Quantitative seismology, Vol. I, II. W.H. Freeman and Company, San Francisco. [2] 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. [3] Park C. B., Xia J., Miller R. D 1999: Using MASW to Map Bedrock in Olathe Kansas. Open-file Raport No. 99 9. [4] 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