Projekt realizowany był w konsorcjum: Instytut Technik Innowacyjnych ITI EMAG, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią IGSMiE PAN i Centrum Transferu Technologii CTT EMAG Sp. z o.o..

Czas Realizacji Projektu: 01.01.2013 – 31.12.2015 

http://lofres.ibemag.pl/

Celem projektu było opracowanie systemu niskoczęstotliwościowej pasywnej tomografii sejsmicznej do monitorowania przypowierzchniowych warstw ośrodka geologicznego.

Opracowany w wyniku realizacji projektu system LOFRES, ze względu na sprzęt i oprogramowanie, jest przystosowany do badań dwoma metodami sejsmiki LFS:

• sondowaniem mikrosejsmicznym MS ( Microseismic Sounding),
• interferometrią sejsmiczną IS ( Seismic Interferometry).

Metody sejsmiki LFS bazują na szumie sejsmicznym, który jest wykorzystywany do wydzielenia fal powierzchniowych. Wynikiem przetwarzania i interpretacji są obrazy zmian różnych parametrów sejsmicznych.

W przypadku:

• MS jest to obraz zmian amplitudy widma z głębokością,
• IS jest to obraz zmian prędkości fali poprzecznej z głębokością.

Obrazy te są pomocne w analizie budowy, właściwości i rozwoju procesów fizyczno-mechanicznych w ośrodku geologicznym. Założenia projektu wynikały z podstaw naukowych stosunkowo nowej metody wykorzystującej globalny i lokalny szum sejsmiczny tzw. sejsmikę niskich częstotliwości (LFS – Low Frequency Seismic). Częstotliwość analizowanych sygnałów sejsmicznych wynosi na ogół od 0,1 do 3Hz, a w przypadku szumu kulturowego nawet do 30 Hz. Przedział głębokościowy rozpoznania zależy od częstotliwości analizowanej fali sejsmicznej i może wynosić od kilkudziesięciu metrów do kilku tysięcy metrów. W kraju przed realizacja projektu brak było systemu umożliwiającego prowadzenie takich badań. Brak było również skonkretyzowanych podstaw metodycznych, których opracowanie w ramach projektu umożliwiło optymalne zaprojektowanie systemu. W świecie zagadnienie to jest stosunkowo nowe i rozwiązywane jest wycinkowo przez różne zespoły badawcze, wśród których zespół badawczy zakończonego projektu wniósł zasadniczy wkład opracowując system pomiarowy i podstawy metodyczne stosowania metod MS i IS.

System LOFRES umożliwia w sposób automatyczny prowadzenie ciągłych pomiarów drgań w zakresie niskich częstotliwości za pomocą odpowiednio skonfigurowanych modułów pomiarowych i współpracującego z nimi centrum gromadzenia danych, przetwarzania i zobrazowania wyników.

Do zasadniczych zrealizowanych celów szczegółowych projektu zaliczyć można:

• opracowanie koncepcji systemu, która umożliwiła w sposób maksymalnie zautomatyzowany dokonywanie ciągłych pomiarów prędkości drgań w warunkach terenowych z odpowiednią dynamiką w zakresie niskich częstotliwości oraz zapis i przetwarzanie dużych rejestracji a następnie ich interpretację,
• opracowanie teorii, modelowania procesu pomiarowego, niezbędnej metodologii dokonywania pomiarów, algorytmów przetwarzania i interpretacji oraz kalibracji systemu,
• zweryfikowanie praktycznie w ramach przewidzianych w projekcie prac badawczych modelu systemu opracowanych teorii, modeli i metodologii dokonywania pomiarów,
• opracowanie oprogramowania systemu,
• opracowanie, wytworzenie i praktycznie przebadanie w warunkach terenowych systemu pomiarowego LOFRES w postaci demonstratora technologii, zdolnego do monitorowania przypowierzchniowych warstw ośrodka geologicznego metodą interferometrii sejsmicznej lub sondowania mikrosejsmicznego,
• przystosowanie opracowanego systemu LOFRES do wykonywania pomiarów w różnych konfiguracjach pomiarowych uzależnionych od potrzeb użytkowników i stosowanej metody pomiarowej,
• wykonanie optymalnej wersji systemu pomiarowego do prowadzenia badań pod nadzorem: z mobilnymi autonomicznymi stacjami pomiarowymi wyposażonymi w jedno lub trójskładowe niskoczęstotliwościowe czujniki i stacjonarne stacje trójskładowe (referencyjne) wyposażone w trójskładowe niskoczęstotliwościowe czujniki; stacje pomiarowe i referencyjne wyposażono w zasilanie akumulatorowe, odbiornik GPS do precyzyjnej synchronizacji podstawy czasu i określania położenia czujników podczas dokonywania pomiarów; ponadto system wyposażono w nośniki pamięci o dużej pojemności gromadzące rejestrowane dane i nadajniki radiowej transmisji do przesyłania danych do centrum przetwarzania i interpretacji za pośrednictwem mobilnego serwera rejestracji danych i modemów GSM LTE,
• zapewnienie minimalizacji kosztów podczas sesji pomiarowej, w której mobilne stacje pomiarowe mogą być cyklicznie przestawiane w różne węzły siatki pomiarowej, co umożliwia wielokrotne użycie sprzętu systemu i badanie założonego obszaru z wykorzystaniem mniejszej liczby stacji pomiarowych,
• zapewnienie w przypadku zastosowań, w których konieczne będzie ciągłe śledzenie w czasie rzeczywistym zmian (np. w górnictwie – kontrola zmian stanu naprężenia i deformacji w górotworze) możliwości zabudowany systemu w terenie na stałe (kosztem większej liczby użytych stacji pomiarowych).

W wyniku badań systemu na różnych poligonach badawczych sformułowano następujące zasadnicze wnioski:

• interferometria sejsmiczna pozwala na identyfikację stopnia naruszenia górotworu prowadzoną eksploatacją na podstawie pola prędkości fali poprzecznej,
• przy projektowaniu układu pomiarowego dla potrzeb rozpoznania pola prędkości fali poprzecznej należy zbadać charakterystykę częstotliwościową oraz kierunkowość szumu sejsmicznego w rejonie pomiarowym,
• analiza względnych zmian prędkości fali koda uzyskanych metodą interferometrii sejsmicznej może dostarczyć cennych informacji o stopniu naruszenia górotworu,
• wykorzystanie wszystkich składowych (Z, N, E) zmniejsza błędy estymacji względnych zmian prędkości fal koda związane z niejednorodnością pola falowego szumu sejsmicznego.
• w warunkach silnego szumu sejsmicznego wyniki uzyskane metodą MASW są mniej użyteczne w porównaniu do interferometrii sejsmicznej lub refrakcji, pomimo stosowania różnego rodzaju filtracji.
• metodyka interferometrii sejsmicznej umożliwia wyznaczenie pola prędkości fali S w ośrodku geologicznym. Ma to istotne znaczenie dla zastosowań inżynierskich. Zaproponowana w pracy metodyka przetwarzania i interpretacji okazała się skuteczna w warunkach pomiarowych przeprowadzonych badań.
• wyniki dotychczasowych pomiarów wskazują, że interferometria sejsmiczna może znaleźć zastosowanie do rozpoznania budowy i właściwości sprężystych przypowierzchniowego ośrodka geologicznego, a także analizy czasoprzestrzennych zmian tych właściwości związanych z ruchem osuwiskowym.

Znajomość struktury ośrodka geologicznego, a zwłaszcza stopnia jego naruszenia jest niezbędna dla posadowienia różnego rodzaju obiektów budowlanych wielkopowierzchniowych, a także tuneli, lotnisk, szlaków komunikacyjnych, obwałowań, obiektów i zbiorników hydrotechnicznych czy osiedli mieszkaniowych. Na terenach czynnej i dokonanej eksploatacji górniczej opracowany system może wspomagać ocenę zagrożenia powierzchni skutkami deformacji ciągłych i nieciągłych oraz umożliwi wybór optymalnej i skutecznej metody ich rewitalizacji. System wykorzystany może być również do rozpoznania stopnia naruszenia górotworu w rejonach zagrożonych sejsmicznością indukowaną, a zwłaszcza wystąpieniem bardzo silnych wstrząsów tektonicznych o charakterze regionalnym, oddziaływujących destrukcyjnie na powierzchnię terenu. System może być również przydatny do monitorowania stopnia wyeksploatowania różnego rodzaju złóż np. ropy naftowej, gazu (w tym łupkowego), soli kamiennej, siarki metodą podziemnego wytapiania itp..

Zaletą opracowanego systemu pasywnej tomografii niskoczęstotliwościowej w stosunku do stosowanej tomografii aktywnej jest brak konieczności stosowania do wytworzenia prześwietlającej fali ładunków wybuchowych lub kosztownych wzbudników samochodowych, z czym wiąże się uszkodzenie powierzchni trenu. W nowym rozwiązaniu pomiar jest prawie bezinwazyjny (tylko montaż czujników). System umożliwia również pomiar ciągły na terenach eksploatacji górniczej. Systemem zainteresowane są przede wszystkim firmy budowlane realizujące budowę obiektów wielkopowierzchniowych, firmy zajmujące się geofizyką poszukiwawczą i górnictwo do oceny zagrożenia wystąpienia wstrząsów tektonicznych oraz tomografii rejonu ściany wydobywczej z wykorzystaniem interferometrii sejsmicznej.

System LOFRES składa się z części aparaturowej i programowej służącej do przetwarzania i interpretacji danych sejsmicznych.

Metodyka MS przewiduje wykorzystanie, co najmniej 2 stanowisk pomiarowych. Jedno stanowisko referencyjne, nazywane również bazą, jest stałe i nie zmienia swojego położenia w czasie pomiarów. Pozostałe są ruchome i mogą być przemieszczane do różnych punktów pomiarowych. Rejestracja w każdym punkcie jest prowadzona przez okres, co najmniej jednej godziny w celu osiągnięcia stacjonarności zapisu.

Metodyka IS nie wymaga spełnienia stacjonarności sejsmicznego pola falowego, dlatego nie jest konieczne zakładanie bazy referencyjnej jak w metodzie MS. Jest jednak konieczna zabudowa wszystkich punktów pomiarowych, co wymusza posiadanie większej liczby czujników.