Pemprofilan Seismik Refraksi dari Bagian Atas Batuan dasar dalam Takaran Batubara di Inggris UtaraP. J. Brabham* & N. R. GoultyJurusan Sains Geologi, Universitas Durham, Jalan Selatan Durham DH1 3LE, Inggris Raya* Alamat sekarang: Jurusan Geologi, University College, P.O. Box 78, Cardiff CF1 1XL, UK

Abstraksi

Metode refraksi seismik menggunakan gelombang kompresi telah digunakan dalam penyelidikan situs selama bertahun-tahun untuk menemukan "bedrock top". Hasil dari beberapa survei di bagian utara Inggris, di mana Kuarter pergerakan glasial menumpangtindih Ukuran Batubara, menunjukkan bahwa gelombang sekunder menunjukkan kontras positif yang besar dalam kecepatan seismik antara overburden dan batuan dasar,sedangkan rentang kecepatan seismik gelombang kompresi pada overburden dan batuan dasar tidak sangat dipisahkan. Akibatnya, kecepatan gelombang geser adalah indikator yang lebih handal untuk litologi, dan refraksi profil seismik menggunakan gelombang geser dapat menjadi teknik yang lebih baik untuk memperkirakan kedalaman bedrock top.Kecepatan gelombang kompresional sangat rendah telah terukur selama ditinggalkan pekerjaan tambang. Jika ini adalah efek subsidensi, mungkin terbukti berguna untuk mencari pengerjaan tambang tua.

PendahuluanHasil yang dijelaskan di sini diperoleh selama program penelitian untuk menyelidiki aplikasi teknik survei seismik dalam batubara opencast Eksplorasi (Goulty & Brabham 1984). Dalam konteks itu ada dua alasan untuk mencoba untuk memperkirakan kedalaman dari rockhead oleh refraksi survei seismik. a tersebut Survei dapat dilakukan sebelum pengeboran apapun telahdilakukan untuk menentukan ketebalan hanyut. Beberapa situs denganpenutup hanyut tebal mungkin kemudian dihilangkan dari program eksplorasi karena rasio overburden akan uneconomically tinggi. seismik refraksi profiling juga dapat dilakukan antara lubang bor, sehingga posisi di mana lapisan batubara subcrop di dasar drift dapat disimpulkan.Dalam makalah ini kami melaporkan hasil seismik refraksi dari Northumberland dan Durham, di bagian utara Inggris, di mana gelombang kedua kompresi dan geser bagian bias diperoleh dari enam berbeda situs (Gambar 1). Meskipun survei ini digaruk keluar untuk eksplorasi batubara opencast, pengamatan tersebut dari tentu saja yang relevan dengan investigasi situs.Metode seismik refraksi telah digunakan untuk bertahun-tahun untuk menggambarkan geologi dekat permukaan struktur untuk proyek-proyek rekayasa skala besar seperti bendungan, pembangkit listrik dan terowongan (Sjogren 1984). Makalah paling diterbitkan menghadapi situasi di mana batuan dasar terdiri dari batuan beku atau metamorf dengan tinggi kecepatan gelombang kompresional (misalnya Hatherly Neville & 1986; Kilty et al. 1986). Dimana batuan dasar adalah batuan sedimen yang tidak termetamorfosakan, seperti ukuran Batubara Inggris utara (lihat,Misalnya, Taylor et al. 1971), kontras antara kecepatan gelombang kompresional overburden dan batuan dasar umumnya sangat rendah sehingga kedatangan pertama tidak bisa diperoleh dari beberapa meter atas batuan dasar.Penggunaan gelombang geser di refraksi seismik dangkal profiling memiliki tiga keunggulan utama. Pertama, Rasio kecepatan antara gelombang kompresi dan geser berkisar 1,5-2,0 untuk batuan yang dikonsolidasikan, sedangkan untuk sedimen yang tidak dikonsolidasi rasio setinggi 9.0 telah diukur (Stiimpel et al 1984;. Wiest & Edelmann 1984). Dengan demikian kontras antara kecepatan rockhead dan overburden dikonsolidasi dapat empat kali lebih besar untuk gelombang geser dari kompresi gelombang. Ini kontras kecepatan yang lebih besar berarti bahwa itu adalah lebih mudah untuk mendapatkan kedatangan pertama dari rockhead, dan sudut kritis untuk gelombang geser jauh lebih kecil. Akibatnya resolusi lebih baik, terutama di mana terdapat relief topografi tinggi pada refraktor. Kedua, variasi kecepatan dalam overburden tak terkonsolidasi tidak besar untuk gelombang geser, sedangkan untuk gelombang kompresi lapisan tanah dapat memiliki kecepatan jauh lebih rendah daripada drift yang mendasarinya. Jadi kedalaman rockhead dihitung dari geser gelombang lebih akurat daripada yang dihitung dari gelombang kompresi. Ketiga, kecepatan gelombang geser tidak langsung dipengaruhi oleh keberadaan air di ruang pori, sehingga permukaan air tidak bertindak sebagai batas pembiasan dalam survei gelombang geser.

Metode Lapangan

Seismograf tambahan A 12-channel digunakan untuk Data rekaman, dengan geophone vertikal untuk kompresi gelombang dan geophone horisontal berorientasi pada arah melintang untuk gelombang geser. geophone yang digunakan secara tunggal, biasanya berjarak 3 atau 5 m terpisah, dan memiliki frekuensi resonansi 30 Hz. Rekaman yang dimainkan pada perekam strip-grafik yang tergabung dalam seismograf. Gelombang kompresi yang dihasilkan oleh bahan kimia bahan peledak dalam lubang tembakan dangkal. gelombang geser yang dihasilkan oleh mencolok berdiri baja melintanghorizontal dengan 6,3 kg godam-palu (Gambar 2). Dengan membalik arah pemogokan palu dan orientasi geophone, adalah mungkin untuk meningkatkan amplitudo gelombang geser sementara biasanya menekan kedatangan kompresi sebelumnya, yang juga dihasilkan dengan sumber palu, meskipun mereka biasanya amplitudo yang lebih rendah. Teknik ini diilustrasikan pada Gambar. 3. The geophone maksimal mengimbangi untuk memilih

Gambar. 1. Situs di Inggris utara di mana bagian seismik refraksi telah diperoleh dengan menggunakan kedua gelombang geser dan kompresi.

kedatangan pertama menggunakan sumber palu ternyata menjadi sekitar 150 m, meskipun pada terkena situs pada hari berangin mungkin sesedikit 60 m. itu maksimal mengimbangi berbagai menggunakan bahan peledak itu biasanya lebih dari 150 m, bahkan ketika ukuran muatan dibatasi sampai 100 g dalam lubang tembakan kedalaman 1 m. Tes gelombang harus dilakukan pada setiap lokasi untuk menentukan kisaran offset di mana kedatangan pertama diperoleh dari

Gambar. 2. Sumber Palu untuk menghasilkan gelombang sekunder.

horison pembiasan yang berbeda. Seismik refraksi profiling dilakukan dengan cara biasa, sehingga kedatangan dibiaskan dari cakrawala bunga yang diterima pada setiap geophone stasiun di kedua arah maju dan mundur.

Gambar. 3. Teknik lapangan untuk survei seismik refraksi menggunakan gelombang sekunder terpolarisasi horizontal.

Pada beberapa tempat drift terdiri dari dua lapisan kecepatan yang berbeda, dan umumnya ada dua horizon dalam pengukuran Batubara yang memunculkan kedatangan pertama di geophone offset digunakan. Yang terakhir Mei akan secara sederhana digambarkan sebagai bagian atas lapuk dan batuan dasar yang tidak terlapukkan.

Analisis Data

Analisis awal dari data dilakukan dengan menggunakanplus / minus metode Hagedoorn (1959), seperti yang dijelaskandalam banyak buku teks (misalnya Kearey & Brooks 1984).Dimana drift itu lebih dari dua kali geophone yang spasi, metode timbal balik umum dari Palmer(1980) digunakan untuk meningkatkan resolusi horizontal padayang refraktor.Contoh dari data gelombang geser dari profil disitus D ditunjukkan pada Gambar. 4. Perhatikan bahwa dua atas posisi geophone pada catatan yang lebih rendah adalah sama sebagai bawah dua posisi geophone di atasrecord, dan titik sumber adalah sama untuk keduacatatan. Tanda centang pada seismogram menunjukkankedatangan kali pertama dipilih oleh interpreter.Semua mengambil kedatangan kali pertama sepanjang profil ini ditampilkan pada grafik tempuh terhadap jarak pada Gambar. 5 (a). Posisi dari geophone 12-channel menyebar dengan poin sumber yang digunakan untuk setiap spread ditunjukkan pada Gambar. 5 (b).Grafik waktu tempuh kumulatif pada Gambar. 5 (c) (juga dikenal sebagai grafik waktu tempuh 'phantomed') adalah diperoleh dengan meningkatkan waktu tempuh dari titiksumber bagian dalam dengan perbedaan waktu yang terukur pada stasiun geophone digunakan untuk titik sumber beruntun. grafik waktu tempuh kumulatif dengan demikian mewakili waktu tempuh sepanjang horison pembiasan

Gambar4. Contoh data refraksi gelombang geser

yang telah diperoleh jika poin sumber telah diperbaiki pada setiap akhir profil (pada 0 m dan 177 m dalam kasus). Alasan mengapa titik sumber tidak tetap dalam praktek ini terutama karena pada offset lagi, pertama kedatangan akan diperoleh dari interface lebih dalam landasan.Variasi dalam kecepatan lapisan penutup, yang jelas terdiri dari setidaknya dua lapisan di pusat profil, menimbulkan masalah di mengkonversi kali plus metode plus / minus (Atau kedalaman waktu timbal balik umum Metode) ke kedalaman. Asumsi harus dibuat. Untuk menghasilkan profil kedalaman ditunjukkan pada Gambar. 5 (d) diasumsikan bahwa ada 'tanah' lapisan atas kecepatan variabel dengan ketebalan konstan 3,3 m, ditentukan dari waktu intercept, atasnya lebih rendah melayang lapisan ketebalan bervariasi tetapi kecepatan konstan.Perhatikan bahwa lapisan apungan yang lebih rendah, yang kita asumsikan hadir sepanjang seluruh profil, adalah lapisan 'tersembunyi' di ujung kanan profil karena tidak menimbulkan kedatangan pertama pada grafik waktu tempuh (Fig.5a) . Kecepatan lapisan bagian atas yang diinterpolasi secara linier antara tiga titik sumber di mana pengukuran itu dilakukan. Kecepatan dari lapisan apungan yang lebih rendah dibawa menjadi 350 m S -1, dengan asumsi bahwa komposisi keseluruhan lapisan tersebut cenderung menjadi lateral konsisten. Asumsi yang dibuat mengenai lapisan penutup ketika memperkirakan kedalaman seharusnya menarik bagi kemasukakalan dalam hal geologi. Kesalahan hanya dapat diperkirakan dengan menggunakan beberapa dugaan, dan sebaiknya dinilai dengan perbandingan dengan kontrol lubang bor. Jelas, pengukuran waktu tempuh ke geophone pada jarak pendek harus dilakukan pada interval terpendek yang dapat diterapkan. Sebuah sistem rekaman dengan 24 saluran akan memungkinkan cakupan yang memadai di berbagai jarak yang akan diperoleh dalam waktu singkat daripada dengan sistem 12-channel.

Hasil

Karena tidak ada rekaman profil seismik refraksi yang menjadi sangat penting secara individual, kami merangkum hasil di sini seringkas yang kami bisa tanpa penyederhanaan berlebihan. Kontrol lubangbor yang tersedia untuk semua profil, dan rincian lebih lanjut dari profil dijalankan pada beberapa lokasi yang diberikan oleh Brabham (1986). Namun, tidak semua profil yang dijalankan untuk tujuan utama mencari induk batuan (puncak dari batuan dasar). Banyak yang dijalankan untuk mencari patahan, seperti yang dijelaskan oleh Goulty & Brabham (1984). Pada profil ini jumlah catatan yang terbatas dibuat dengan geophone dekat dengan titik sumber untuk menentukan secara akurat perubahan lateral dalam kecepatan drift. Selain itu, beberapa profil yang mn dengan gelombang kompresional maupun gelombang sekunder, tetapi tidak keduanya. Jadi kita ragu-ragu untuk membandingkan secara kuantitatif akurasi dengan yang puncak batuan mungkin terletak dengan kedua jenis gelombang. Namun, survei kami telah cukup luas untuk menunjukkan

Gambar. 5. Analisis profil refraksi gelombang geser (a) grafik waktutempuh kedatangan pertama. (b) Distribusi titik sumber dan sebaran geophone (c) grafik waktu tempuh Kumulatif pada refraksi kedatangan pertama dari batuan dasar. (d) profil Kedalaman diperoleh dari data.

bahwa kecepatan seismik terukur adalah representasi dari ukuran Batubara dan penutup apungan di wilayah tersebut. Kami memberikan rentang kecepatan seismik yang diamati pada masing-masing dari enam lokasi pada Tabel 1 untuk drift dan batuan dasar. Titik penting yang kita ingin tekankan adalah kontras yang lebih besar dalam kecepatan seismik antara penutup apungan glasial dan batuan dasar untuk gelombang sekunder daripada untuk gelombang kompresi. Semakin besar kontras kecepatan, yang lebih cocok adalah metode seismik refraksi untuk memperkirakan kedalaman antarmuka.Kecepatan gelombang kompresi lebih tinggi yang diamati di sebagian besar tempat, tapi bisa secara jelas diidentifikasi berasal dari tempat yang lebih dalam, lebih sedikit horison lapuknya dalam batuan dasar. Dengan demikian rentang kecepatan seismik yang diberikan untuk batuan dasar diterapkan untuk zona dangkal, batuan dasar lapuk atau dekat top batuan dasar. Ketidakpastian di kedalaman umumnya menghalangi kita dari pembedaan kecepatan seismik dalam batulempung, serpih dan batupasir atas batuan dasar, seperti tempat lapisan individu yang umumnya tipis. Di lokasi A, B, dan C, pada dataran pantai timur Northumberland dengan pusat ukuran Batubara di puncak batuan, penutup apungan glasial berubah-ubah dalam ketebalan dari 5 m sampai lebih dari 30 m di saluran apungan kecepatan gelombang sekunder terukur dalam drift berkisar antara 180 & 400 m s -1. Dimana drift menjadi lebih dalam, di situs B, itu terdiri dari lapisan bagian atas (tebal 6-7 m) dengan kecepatan gelombang sekunder dari 200m s -1 menumpangtindih lapisan yang lebih rendah dengan kecepatan gelombang sekunder dari 400 ms -1. Batas kemungkinan berhubungan dengan dasar pasca-pengendapan melapuk dalam pondokan glasial, yang telah dijelaskan oleh Eyles & Sladen (1981). kecepatan gelombang sekunder dari ukuran Batubara dekat puncak batuan berkisar antara 900 dan 1400ms -1. Untuk gelombang kompresi, kecepatan dalam drift berkisar antara 1050 dan 1800 ms -1, dan ukuran Batubara

TABEL 1. Gelombang kompresi dan kecepatan seismik gelombang sekunder untuk drift dan batuan dasar yang dangkal

di dekat puncak batudasar antara 1800 dan 2900 m 8 -1, Sehingga kontras kecepatan antara overburden dan batuan dasar jauh lebih besar pada gelombang geser daripada gelombang kompresi. Refraktor batuandasar gelombang kompresi biasanya ditemukan di bawah litologi batuandasar direkam oleh pengebor, menyiratkan adanya 'zona tersembunyi' dari pelapukanlapuk di batuandasar dengan kecepatan menengah. Dengan meningkatkan jangkauan geophone dari ledakan, itu memungkinkan untuk memperoleh awal kedatangan dengan kecepatan lebih dari 3000ms -1 dari lapisan yang lebih dalam yang sebagian besar bisa diidentifikasi sebagai batupasir. Kedalaman untuk pondasibatuan diperkirakan dari profil refraksi gelombang sekunder berada dalam perjanjian yang lebih baik dengan para pengebor log ', tetapi juga cenderung lebih besar di beberapa tempat.Pada situs D, diatas ukuran Batubara lebih rendah di Northumberland selatan, pergerakan menjadi lebih dangkal, kedalaman antara 2 dan 10 m. Kecepatan gelombang sekunder dari pergerakan ditemukan sekitar 300 ms -1, sedangkan pada batuan dasar kecepatan gelombang sekunder berkisar antara 500 dan 1000m s -1. Kecepatan yang lebih tinggi sampai 1200 ms -1 juga diamati tetapi ini dikaitkan dengan batupasir bawah rockhead.Untuk gelombang kompresi, kecepatan seismik diukur dalam drift adalah sekitar 900 ms -1, saat berada pada batuan dasar kecepatan berkisar antara 1900 dan 3000 ms -1. Dengan demikian kontras kecepatan antara lapisan penutup dan batuan dasar sebanding untuk gelombang sekunder dan kompresi di situs ini. Selain itu, meskipun ada beberapa korelasi antara hasil bagian gelombang geser dan kompresional, zona lapuk batuan dasar di top batuandasar ditunjukkan oleh kecepatan seismik yang lebih rendah tidak selalu bersamaan. Di situs ini tak satupun jenis gelombang jelas lebih disukai dalam mengestimasi kedalaman top pondasibatuan.Profil seismik refraksi di situs A, B, C dan D di Northumberland semua berjalan di atas tanah murni, tanpa ada pengerjaan tambang bawah tanah. Di County Durham lapisan batubara produktif telah dikerjakan hampir disetiap tempat yang mereka temukan. Pada situs E dan F beberapa lapisan di Tengah dan bawah ukuran Batubara telah ditambang oleh pekerja bawah tanah. Kami menduga bahwa kecepatan seismik diatas pengerjaan telah dikurangi oleh efek penurunan lapisan. Efek seperti itu sebelumnya telah diamati dalam data refleksi seismik (misalnya Goulty & Ziolkowski 1985).Pada Situs E, batu landasan di puncak batuan berupa satuan batu pasir tebal, tempat rendah utama, yang berwarna coklat dan retak. Satuan ini memiliki kecepatan gelombang kompresi sangat rendah dekat rockhead, berkisar dari 1350 hingga 1750ms -1. Kecepatan ini akan tentu telah dikaitkan dengan pergerakan tanpa kontrol lubang bor. Tabel air di situs ini dalam, seperti di semua situs yang dikunjungi, karena memompa dari tambang batu bara aktif yang mendalam di wilayah tersebut. Kecepatan gelombang kompresi dari gerakan berkisar antara 800 dan 1200ms - ~. Dalam batuan dasar meningkat menjadi lebih dari 2000 ms -1 sekitar 20 m di bawah rockhead, di mana batu pasir berwarna abu-abu dan tidak melapuk. Kecepatan gelombang geser di situs E berada dalam rentang normal, sehingga bedrock top bisa diidentifikasi tanpa kontrol lubang bor. Dalam pergerakan, rentang kecepatan adalah 150 sampai 400ms -1, sementara pada rockhead kisaran 750 hingga 1000ms -1. Jadi litologi rockhead bisa saja diidentifikasi oleh kecepatan gelombang sekundernya tanpa kontrol lubang bor, tetapi tidak dengan kecepatan gelombang kompresionalnya. Pada situs F gerakan dangkal, kedalaman 2 sampai 5 m dengan kecepatan gelombang geser dari 160 ms -1 dan kecepatan gelombang kompresional sekitar 500ms -1. Enam jalur yang diprofilkan melewati sesar yang dibatasi pengerjaan lama dalam lapisan berkedalaman 20 m. lapisan lebih dalam yang dikerjakan pada kedua sisi sesar, tapi kecepatan seismik di rockhead secara konsisten lebih rendah pada sisi sesar di mana lapisan dangkal itu bekerja. Namun, adalah mungkin bahwa kecepatan yang lebih rendah hanya karena litologi yang berbeda. Kecepatan gelombang geser berkisar antara 700 dan 900 ms -1, sedangkan kecepatan gelombang kompresi berkisar antara 1500 dan 2350 ms -1. Kedua jenis gelombang sama-sama efektif di lokasi bedrock top.

Diskusi dan Kesimpulan

Dalam Ukuran Batubara Northumberland dan Durham, kecepatan gelombang sekunder sekitar setengah darigelombang kompresi. Dalam tumpangtindih Kuarter, kecepatan gelombang geser pergerakan glasial melebihi 400 ms - ~ belum ditemukan, sementara kecepatan gelombang kompresi bisa mencapai 1800 ms -1 meskipun tabel air dalam Ukuran Batubara. kecepatan tertinggi untuk gelombang kompresi mungkin karena tabel air bertengger: pada penggalian untuk pertambangan batubara terbuka, lensa pasir di penutup pergerakan biasanya ditemukan menjadi jenuh dengan air. Jadi gelombang geser umumnya menunjukkan kontras kecepatan yang lebih besar di bagian puncak batudasar , yang menguntungkan untuk menerapkan metode seismik refraksi pada profil rockhead. Selain itu, kecepatan terendah diamati selama gelombang geser pada rockhead lebih dari 500 ms -1, dan biasanya lebih besar, sehingga ada demarkasi yang jelas antara kecepatan gelombang sekunder lapisan penutup dan batuan dasar. Untuk gelombang kompresi kisaran kecepatan untuk overburden dan batuan dasar saling tumpang tindih. terendah kompresi kecepatan gelombang di batuan dasar, turun ke 1350ms -1, telah ditemukan di daerah kerja tambang dahulu dimana batuan dasar dapat dipengaruhi oleh subsidence.Karena kontras kecepatan ini dan kisaran, gelombang geser yang lebih dapat diandalkan untuk menunjukkan litologi dan lebih akurat untuk mencari top dari batuandasar. Namun demikian masih diinginkan untuk memiliki kontrol lubang bor untuk profil refraksi gelombang sekunder karena mungkin ada 'zona tersembunyi' dari batuan dasar lapuk di top dari batuandasar dimana gerakannya adalah beberapa meter tebal, yang tidak akan menimbulkan kedatangan pertama. Masalah praktis untuk refraksi gelombang geser membuat profil selama tebal dari pergerakan 15 atau 20 m merupakan kebutuhan untuk sumber seismik lebih kuat daripada palu-kereta luncur. Sumber mekanik yang lebih kuat telah diproduksi, meskipun mereka merepotkan, perangkat rekayasa mahal. Dalam investigasi situs, parameter elastis penting dari massa batuan adalah nilai modulus rigiditas tersebut, yang diperoleh dari kecepatan gelombang geser dan kerapatan. Dari sudut pandang teknik, parah atau yang sangat pada batuan sedimen lapuk dapat diklasifikasikan bersama dengan pergerakan yang tidak cocok dijadikan fondasi sehingga efek 'zona tersembunyi' mungkin tidak merugikan terlalu serius. Pengukuran kedua kecepatan gelombang sekunder dan kompresi dapat dilakukan untuk menentukan rasio Poisson, secara mandiri dari densitas. Jika densitas diketahui, nilai modulus sebagian besar atau nilai modulus elastis lainnya juga dapat dihitung.Kecepatan gelombang kompresional sangat rendah diamati pada batu pasir di situs E patut untuk diselidiki lebih lanjut. Tampaknya mungkin bahwa mereka sebagian karena subsidensi yang disebabkan oleh kegiatan tambang bawah tanah yang ditinggalkan, dan juga pelapukan, sehingga pengukuran kecepatan gelombang kompresional mungkin berguna untuk mencari daerah yang terkena dampak pekerjaan tambang. Pengukuran lubang silang dari kecepatan seismik antara lubang bor yang dibor ke batuan dasar bisa dilakukan di bawah zona yang lapuk, sebagaimana McCann et al. (1986) telah dilakukan untuk mendeteksi pengaruh rekah hidrolik dalam granit. Efek subsidensi pada kecepatan seismik kemudian hanya akan harus dipisahkan dari litologi ~ al variasi.

UCAPAN TERIMA KASIH. Kami berterima kasih kepada Eksekutif Batubara British Opencast untuk dukungan keuangan dan staf geologi dari Timurlaut Re # on untuk bantuan profesional. Namun, pandangan yang dikemukakan adalah dari penulis, dan belum tentu orang-orang dari British Coal. Kami juga berterima kasih kepada J. Dent untuk bantuan teknis dan NERC untuk menyediakan PJB dengan beasiswa CASE.

Referensi

Diterima 21 Mei 1987; naskah direvisi diterima 10 November 1987.