3. Etap prac polowych
3.4 Parametryzacja układów pomiarowych - testy polowe
Fot.3. System pomiarowy użyty w czasie badań refleksyjnych- Geode DZ.
W badaniach zastosowano system generujący drgania sejsmiczne firmy Seismic -Source, składający się z akcelerowanej masy (ok. 200 kg), przyspieszanej układem mechanicznym, opartym o sprężyny azotowe. Urządzenie było wyposażone w układ synchronizujący źródło sejsmiczne z systemem rejestrującym Geode DZ. Do przewożenia źródła w terenie wykorzystano samobieżny ciągnik gąsienicowy IC 35 (Fot.2). Decyzję o wykorzystaniu wspomnianego typu źródła sejsmicznego podjęto z powodów metodycznych i logistycznych. Zastosowanie źródła impaktowego nie wymagało zaangażowania dodatkowej obsługi jak ma to miejsce w przypadku źródła wibratorowego. Dodatkowo użyte źródło sejsmiczne stanowi ugruntowaną w praktyce formę wzbudzenia drgań w ośrodku polodowcowym.
3.4 Parametryzacja układów pomiarowych - testy polowe
Prace akwizycyjne skupiały się wokół metody sejsmiki refleksyjnej 2D. Etap testowy polegał na wykonaniu pojedynczego rozstawu sejsmicznego wzdłuż wybranego fragmentu profilu badawczego, stanowiącego poligon testowy. Głównym celem działania było oszacowanie jakości danych sejsmicznych, pozyskanych ze wstępnie założonej geometrii
33 pomiarowej. Równie ważnym elementem testu było dopasowanie parametrów rozstawu do lokalnych warunków terenowych i geologicznych Równiny Wałeckiej. Próbne pomiary przeprowadzono z uwagi na indywidualne podejście do realizacji prac polowych w sejsmice inżynierskiej (Bergman 2002, 2004, 2005, 2006; Park 2002; Pullan 1990; Whiteley 1998). Dodatkowo przeprowadzono test aparatury i źródła sejsmicznego. W aspekcie technicznym test polowy przy użyciu 48 kanałowej aparatury miał dwa podstawowe cele. Pierwszym z nich było oszacowanie czasu poświęconego badaniom na pojedynczym rozstawie. Celem drugim stała się weryfikacja systemu wyzwalania radiowego firmy Seismic Source. Lokalizacja rozstawu testowego miała miejsce w środkowej części profilu badawczego sejsmiki inżynierskiej (Rys. 3.1 - 1). Długość linii odbioru wynosiła 235 metrów (Rys. 3.4 - 1). W zakresie rozstawu testowego przeprowadzono wzbudzanie fali w punktach jeden S1 i S2. Częstotliwość próbkowania tras sejsmicznych wynosiła 0,125 msec, natomiast długość rekordów ustalono na 2 sekundy. Procedura na wczesnym etapie realizacji badań wniosła wiele istotnych informacji, określających w sposób ilościowy podejście do akwizycji. Rysunek 3.4 - 1 przedstawia konfigurację pojedynczego rozstawu testowego. Podkreślono w nim dwie podstawowe postaci rekordów sejsmicznych (1) i (2), posiadające lokalizację punktu wzbudzania na skraju i wewnątrz układu odbiorników. Wspomniane pozycje źródła sejsmicznego wpływają na rozmiar strefy zakłóceń koherentnych, ilość rejestrowanych zjawisk refleksyjnych oraz na rozmiar strefy cienia sejsmicznego fali odbitej.
Wstępie oszacowano rozmiar strefy martwej fali refrakcyjnej (dx i dx1) oraz zakresu cienia sejsmicznego płytkich refleksów na około 10 kanałów tj. 50 m. Oznacza to, że od dziesiątego kanału obserwowano pierwsze wstąpienie zakrytycznej fali refrakcyjnej, które na niewielkich odległościach od źródła współwystępowało ze zjawiskiem fali odbitej. Oznaczono je czerwoną płaszczyzną na rysunku 3.4 - 1. Równocześnie była to granica czasowa, od której pojawiał się sygnał użyteczny. Na tej podstawie oszacowano możliwość detekcji najpłytszego horyzontu refleksyjnego. Dokonano oceny możliwych pozycji źródła w zakresie rozstawu sejsmicznego. Z rysunku 3.4 - 1 wynika, że najpóźniejszy czas przyjścia na rekordzie numer 2 posiada horyzont refleksyjny oznaczony kolorem zielonym (głęboka granica odbijająca na czasie 270 msec). Kształtuje się ona wyraźnie pomiędzy 110 a 235 metrem. Stanowi to około 1/2 długości rozstawu. Najgłębszy horyzont posiada strefę cienia równą ok. 130 m. Wspomniana informacja jest bardzo istotna, ponieważ dzięki niej sprecyzowano maksymalny zakres pozycji punktów wzbudzania poza rozstawem, równy 120 metrów.
34 Rys. 3.4 - 1 Rekordy sejsmiki refleksyjnej, zarejestrowane na rozstawie testowym.
35 Estymacja modelu przypowierzchniowego nie wymaga dużych krotności pokrycia. Istotna jest konfiguracja geometrii pomiarowej, która pozwala na rejestrację fali obitej zarówno od płytkich jak i głębokich granic geologicznych.
Rys. 3.4 - 2 Opracowany schemat konfiguracji pomiarowej w wariancie refleksyjnym. Posiadając informacje o charakterze zapisu, zadecydowano o sposobie realizacji prac związanych z metodą refleksyjną. Ustalono interwał wzbudzania poza rozstawem na dziesięć metrów, natomiast w obrębie rozstawu co 20 metrów. Odstępy pomiędzy pozycjami rozstawów sejsmicznych określono na 120 metrów. Ostateczną postać wykorzystanej geometrii przedstawia rysunek 3.4 - 2, gdzie w punktach (1) i (3) ukazano niesymetryczną postać klasycznego rozstawu sejsmicznego, prezentowanego na rysunku 3.3 - 1 - A. W części (2) zastosowano dodatkową pozycję układu pomiarowego, którego funkcją było uzupełnienie zbioru rekordów sejsmicznych o dodatkowe rejestracje refleksów od granic głębokich. Późniejsza realizacja prac terenowych potwierdziła efektywność pomiarową obranej strategii realizacji prac polowych. Wykorzystana geometria pozwoliła na utrzymanie wysokiego pokrycia trasami zawierającymi sygnał fali odbitej od płytkich oraz głębokich warstw. Przedstawiony w poprzednim podrozdziale system akwizycji Geode Dz posiada moduł umożliwiający selektywną analizę widma rejestrowanych danych w czasie rzeczywistym. Wiedza dotycząca redukcji spektrum sygnału sejsmicznego pomogła oszacować promień rozwierania sferycznego - ok. 10 metrów. Tym samym zdefiniowano rozmiar kolekcji
36 wspólnego punktu odbicia - bin-u. Rozmiar wykorzystany w badaniach wysokiej rozdzielczości był nietypowy, ponieważ zwykle osiąga on wartości 2,5 do ok. 7 m (Pugin 1999). Jego powiększenie było kompromisem pomiędzy utrzymaniem stosunku sygnału użytecznego do szumu, zachowaniem odpowiedniej rozdzielczości strukturalnej modelu oraz zapewnieniem redukcji wpływu zakłóceń koherentnych i zjawisk współtowarzyszących o charakterze fal prowadzonych.
Rys. 3.4 - 3 Rozkład pokrycia w kolekcjach wspólnego punktu odbicia.
Zaprojektowanie geometrii pomiarowej pozwoliło ostatecznie na powstanie stref kumulacji w rozkładzie pokrycia na rysunku 3.4 - 3, którego punkty estymacyjne o podwyższonym pokryciu spełniały istotną rolę z punktu widzenia przetwarzania danych refleksyjnych i analiz prędkości. Linią czerwoną na rysunku 3.4 - 3 oznaczono wartość średniego pokrycia w kolekcjach CMP. Białymi słupkami, zakończonymi czerwonymi markerami, kolekcje o najwyższej wartości pokrycia.
Pomiar testowy metodą MASW stanowił osobny etap realizacji pomiaru testowego, którego schemat przedstawia rysunek 3.4 - 4. Układ odbiorczy stanowił ,,land streamer” o interwale odbiorników równym 1 metr. Całość urządzenia została umocowana liną do pojazdu terenowego, służącego jako ciągnik dla kafara sejsmicznego. Długość układu odbiorczego wynosiła 24 metry. Konstrukcję wyposażono w odbiorniki sejsmiczne o częstotliwości naturalnej 4.5. W części 1 rysunku 3.4 - 4 przedstawiono rekord zarejestrowany przy wzbudzaniu na skraju układu odbiorczego (A). Kolorem czerwonym oznaczono strefę kształtowania się fali powierzchniowej. Zjawisko zdefiniowano w literaturze pod nazwą efektu bliskiego pola (ang. near- field effect, Foti 2014). Jego zakres występowania wynosi ok. 14 kanałów. Strefę oznaczono symbolem dx. Po odsunięciu pozycji
37 źródła względem rozstawu sejsmicznego o wspomnianą wartość otrzymano zapis rekordu, widoczny w sekcji 2 rysunku 3.4 - 4. Dzięki wspomnianemu działaniu otrzymano właściwy, liniowy zapis faz fali powierzchniowej oraz ustalono konfigurację rozstawu w metodzie MASW (B).
Rys. 3.4 - 4 Schemat pomiaru testowego w metodzie wielokanałowej analizy fal powierzchniowych.
38 W trakcie późniejszego wykonywania pomiaru w metodzie MASW profil badawczy podzielono na odcinki estymacyjne o długości 20 m. W ich zakresie założono 2 metrowy interwał pomiarowy, wykonując serię 10 wzbudzeń fali sejsmicznej przy stałym odsunięciu źródła o 20 m względem pozycji układu mobilnego. Dystans pomiędzy wspomnianymi odcinkami – interwał pomiarowy pomiędzy kolejnymi odcinkami estymacyjnymi, wynosił 20 metrów. Fragmenty profilu objęte badaniami MASW zaprojektowano tak, aby uzyskać informacje o ośrodku przypowierzchniowym w miejscach występowania strefy martwej fali refrakcyjnej - względem pierwotnie realizowanych badań refleksyjnych. Zastosowanie ,,land streamera” pozwoliło uzyskać 500 rekordów sejsmicznych z dwukilometrowego odcinka w przeciągu jednego dnia pomiarowego. Schemat opracowanej geometrii pomiarowej ujęto na rysunku 3.4 - 5. Numerem 1 i 2 na rysunku 3.4 -5 zaznaczono pozycję rozstawu MASW, na dwóch sąsiadujących odcinkach estymacyjnych.
Rys. 3.4 - 5 Geometria pomiarowa, wykorzystana w wariancie wielokanałowej analizy fal powierzchniowych.
Na rysunku 3.4 - 6 przedstawiono przykładowe rekordy sejsmiczne uzyskane w trakcie pomiaru testowego MASW. W części A przedstawiono zapis fali powierzchniowej zarejestrowany przy dociskowym kontakcie odbiorników z podłożem. Przykład B jest rejestracją wykonaną przy użyciu geofonów wbijanych w grunt. Jakość prezentowanego rekordu A jest bardzo dobra. Obrazuje on niewielką ilość zniekształceń wywołanych
39 dociskowym kontaktem z podłożem. Widoczne zakłócenia o niskiej częstotliwości nie wpłynęły znacząco na postać fazową fali powierzchniowej. Test na gruncie rodzimym z użyciem układu mobilnego uznano za zakończony powodzeniem.
Rys. 3.4 - 6 Przykładowe rekordy zarejestrowane w czasie pomiarów polowych w metodzie MASW.
Ostatnim etapem badań testowych był nasłuch pasywny. Pomiar przeprowadzono przy użyciu liniowego układu 48 odbiorników 4.5 hercowych. Odległości pomiędzy czujnikami wynosiły 5 metrów. Zrezygnowano z konfiguracji dwuwymiarowej ze względu na ograniczenia terenowe, związane z pozwoleniem na badania w zakresie wąskiego pasa posesji. Test ograniczono do sprawdzenia stanu technicznego odbiorników oraz sprawności układu rejestrującego. Właściwe przeprowadzenie pomiaru planowano na czas aktywności grupy sejsmicznej w zakresie profilu badawczego. Wykonano je w pozycjach pierwotnych rozstawów refleksyjnych (Rys. 3.4 - 7 - B). Zakładano rejestrację dwóch typów źródła szumu sejsmicznego. Pierwszym były naturalne zakłócenia, natomiast drugim fala indukowana urządzeniami sejsmicznymi. Rejestracje tła pasywnego prowadzano w przeciągu 30 min,
40 zapisując je do postaci 2 sekundowych rekordów o gęstości próbkowania 0,250 msec. Uzyskano 13 rekordów zbiorczych dla każdej pozycji pomiarowej. Każdy z nich powstał poprzez składanie pionowe dwusekundowych zapisów tła pasywnego.
Rys. 3.4 - 7 Barwna ekspozycja pasywnych zapisów zbiorczych oznaczona literą A oraz geometria pomiaru pasywnego oznaczona literą B.
Przestrzenną ekspozycję rejestrowanych rekordów pasywnych przedstawia rysunek 3.4 - 7 - A. Krótkie, 2 - sekundowe miały na celu eliminację zjawisk o niskiej koherencji fazowej (Lacoss 1969, Louie 2001, Park 2005). Uznano, że 2 sekundowa bramka czasowa, w której dokonywano rejestracji, jest wystraczająca do rejestracji tła w przedziale 4.5- 20 Hz.
41