Волны в сейсморазведке реферат

Обновлено: 02.07.2024

Сейсмическая разведка (сейсморазведка) это один из важнейших видов геофизической разведки земных недр, который основан на изучении особенностей распространения в земной коре искусственно возбужденных упругих волн.
Вызванные взрывом или другим способом упругие волны, распространяются во всех направлениях от источника колебаний и проникают в толщу земных недр на большие глубины.
Упругие волны в процессе распространения отражаются и преломляются. И часть упругих колебаний возвращается к поверхности Земли, где регистрируются специальной, достаточно сложной аппаратурой.

Файлы: 1 файл

Лекции по геологической интерпретации геофизических данных семестр 2 ч 1.doc

Тема: Сущность сейсморазведки

Вызванные взрывом или другим способом упругие волны, распространяются во всех направлениях от источника колебаний и проникают в толщу земных недр на большие глубины.

Упругие волны в процессе распространения отражаются и преломляются. И часть упругих колебаний возвращается к поверхности Земли, где регистрируются специальной, достаточно сложной аппаратурой.

Полученные данные подвергаются обработке с применением современной вычислительной техники. После обработки сейсмической информации определяется глубина залегания, форма и свойства тех слоев, на поверхности которых произошло отражение или преломление упругих волн.

Возможность использования сейсморазведки для решения геологических задач основана на том, что горные породы, как правило, имеют различные скорости распространения упругих волн.

Различие в скоростях распространения упругих волн и проявляется на границах геологических образований, и обуславливают процессы отражения и или преломления упругих волн. Таким образом, на границах слоев, где скорости меняются, могут образоваться отраженные, преломленные, рефрагированные, дифрагированные и другие волны. Регистрируя волны на земной поверхности, можно получить информацию о скоростном разрезе, а по нему судить о геологическом строении.

Существуют два основных метода сейсморазведки - метод отраженных волн (MOB) и метод преломленных волн (МПВ). Методы, использующие другие методы находят меньшее применение.

Метод отраженных волн основан на изучении особенностей распространения упругих волн, отразившихся от границы раздела двух геологических слоев, различающихся по упругим характеристикам.

Метод преломленных волн основан на регистрации преломленных упругих волн вдали от источника, скользящих вдоль кровли геологических образований.

Упругие волны в безграничном пространстве

Источником распространения упругих волн в сейсморазведке являются механические воздействия на горные породы. Эти воздействия стремятся изменить размеры и форму горных пород. Внутренние силы частиц горных пород противостоят внешним воздействием и стремятся возвратиться к своему первоначальному состоянию. Это свойство горных пород сопротивляться изменениям размеров или формы и возвращаться в первоначальное недеформированное состояние называться упругостью.

Связь между силой, действующей на единицу площади (напряжением) и изменением формы и размеров (относительной деформацией) описывается законом Гука.

При воздействии источника упругих волн на горные породы происходит передачи энергии и распространения ее во все стороны от него в виде сейсмической волны. В безграничном изотропном пространстве возникают два типа сейсмических волн: продольные и поперечные.

Продольные сейсмические волны являются наиболее быстрыми и приходят от источника к любой точке наблюдения первыми. Этим волнам присвоен индекс Р (первая буква слова prima - первый).

Поперечные сейсмические волны регистрируются вторыми и им присвоен индекс S (первая буква слова secunda - второй).

Основные положения геометрической сейсмики

Наиболее простым для понимания с основными понятиями теории сейсморазведки является сферический источник сейсмических волн.

Рассмотрим взрыв в небольшом объеме некоторого количества взрывчатого вещества.

От такого источника, действующего некоторое время Δt, во все стороны будет распространяться объемная сферическая волна. Если среда изотропная, т.е. V=const, то выделяются три зоны:

- внутренняя сфера (I) радиусом r_В, в которой возмущения, вызванные источником, уже прекратились;

- сферический слой (II) с внутренним радиусом r_В и толщиной Δr=VP·Δt, где частицы еще колеблются

- наружная область (III) с радиусом r_H=r_B+Δr, куда упругие колебания еще не дошли.

Поверхность, разграничивающая области I и II, называются задним фронтом, или тылом волны.

Поверхность наружной области называют передним фронтом волны.

Фронт и тыл волны распространяются в среде со скоростью v.

Таким образом, вокруг точки возбуждения колебаний образуется расширяющаяся область, где колебание частиц уже прекратилось, а в колебательный процесс вовлекаются частицы, все более удаленные от точки взрыва.

Поверхность фронта волны в какой-то конкретный момент времени называется изохроной. Совокупность изохрон одной волны составляет семейство изохрон. Линии, перпендикулярные к изохроне или фронту волны, называются сейсмическими лучами.

Вдоль лучей переносится энергия упругой волны. В однородной среде (v = const) лучи являются отрезками прямых линий, а изохроны имеют вид сферических поверхностей с центром в точке взрыва. В неоднородной среде (v≠const) лучи приобретают вид ломаных линий (кривых), а изохроны могут принимать сложную конфигурацию.

Распространение упругих волн в горных породах подчиняется принципам и законам геометрической оптики.

Так, законы распространения фронтов волн в упругой среде выводятся из принципов Гюйгенса— Френеля и Ферма.

Принцип Гюйгенса — каждая точка фронта волны является источником самостоятельных колебаний. Строя элементарные волновые фронты из центров, лежащих на заданной изохроне (тыл волны), можно определить положение соседней изохроны (фронта волны) как поверхности, огибающей элементарные фронты. Существует дополнение Френеля — принцип наложения или суперпозиции волн: если в среде распространяется одновременно несколько волн, то каждая из них движется независимо от других, а интенсивность суммарной волны определяется сложением (суперпозицией) интенсивностей элементарных волн. Учитывая принцип Френеля, при построении изохрон определенной волны можно пренебречь существованием в среде других волн.

Принцип Ферма (принцип наименьшего времени): упругая волна движется между двумя точками по пути, требующему наименьшего времени для его прохождения, т. е. по лучу.

Сейсмический луч, распространяющийся от источника колебаний во все стороны, попадает на границу двух сред с разными физическими свойствами (v1≠ v2). Здесь он отражается и преломляется. Основным законом геометрической сейсмики является закон преломления — отражения, включающий два основных положения:

падающий, отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости, совпадающей с нормалью к поверхности раздела в точке падения луча;
углы падения α, отражения γ и преломления β связаны между собой соотношениями:

или угол α равен углу β – это закон отражения.

или - это закон преломления.

Типы сейсмических волн

Пусть на земной поверхности расположен источник колебаний – назовем его пункт взрыва. От него на поверхность раздела двух сред падают лучи прямой волны.

В точке падения луча возникают отраженная и преломленная волны. Каждый падающий луч вызывает отраженную волну со скоростью v1. Эта отраженная волна регистрируется на поверхности и в точке возбуждения колебаний, и на некотором удалении от пункта взрыва.

По принципу Гюйгенса—Френеля, скользящая волна сама является источником элементарных колебаний. Именно они достигают поверхности и регистрируются. Эти волны, порожденные скользящей или граничной волной, называются головными. Скорость распространения головных волн на поверхности равна скорости движения скользящей волны, а следовательно, и скорости преломленной волны v2.

Таким образом, зарегистрировав на поверхности головную волну, рассчитывается скорость распространения преломленной волны.

Когда возникает скользящая и вслед за ней головная волны. Для этого необходимо, чтобы угол преломления был равен 90° (sin β=1). Следовательно, по закону преломления . Получается, угол падения прямой волны α должен быть меньше 90°, иначе прямой луч не попадет на границу раздела.

Отсюда sin α v1. Таким образом, скорость распространения упругих волн в подстилающем слое больше скорости распространения их в верхнем слое. Угол падения прямой волны, при котором угол β равен 90°, называется углом полного внутреннего отражения.

Многослойный геологический разрез бывает представлен слоями, в которых скорость распространения упругой волны возрастает с глубиной. Тогда лучи проходящих через слои преломленных волн могут искривиться и выйти на поверхность. Такие волны называются рефрагированными.

Если волна попадает на геологический объект, который имеет свойства (скорость, плотность) отличающие от вмещающей среды, и при этом обладает небольшими по сравнению с длиной волны размерами, то наблюдается эффект рассеивания волн - дифракция. Согласно принципу Гюйгенса—Френеля, такой геологический объект сам становится источником вторичных волн, которые как бы отражаются от него во все стороны и создают эффект рассеивания или огибания падающей волной встреченного объекта. В этом случае регистрируемые волны называются дифрагированными, или волнами огибания. Дифракция волн характерна для районов развития дайковых тел, разломов, сбросов, рудных тел и т. д.

В сейсморазведке изучают в основном продольные отраженные и преломленные волны.

Это объясняется тем, что скорость продольных волн больше скорости поперечных. Скорости продольных волн имеют большую энергией и, следовательно, проникают на большую глубину. Продольные волны возникают практически при любых условиях возбуждения взрывными или невзрывными источниками, в то время как для поперечных волн требуются источники, использующие горизонтально направленное воздействие на среду. Тем не менее, в последние годы получает распространение комплексное использование методов продольных и поперечных волн для извлечения из сейсморазведочных данных максимума информации и получения всех возможных физико-механических характеристик пород.

В сейсморазведке различают монотипные и обменные волны. Если от продольной падающей волны получаются отраженные и преломленные продольные волны (т. е. того же типа, что и падающие), то регистрируемые волны называются монотипными. Если тип волны меняется (от продольных волн получились отраженные или преломленные поперечные волны и наоборот), то регистрируемые волны называются обменными.

Помимо названных волн существуют волны-помехи:

прямая продольная волна, распространяющаяся вдоль поверхности земли от точки возбуждения;
поверхностная волна, распространяющаяся в верхнем рыхлом слое с небольшой скоростью 200— 1000 м/с;
микросейсмы, т. е. беспорядочные движения почвы, вызываемые различными внешними причинами (ветром, дождем, движением транспорта, работой машин и т. п.);
звуковые волны, возникающие при взрыве и распространяющиеся в воздухе со скоростью 300—350 м/с;
нерегулярные волны, вызванные рассеянием полезных волн на мелких неоднородностях в толще геологических слоев, и другие помехи.

От влияния этих волн на запись полезных колебаний приходится избавляться различными способами.

Годографы сейсмических волн

Распространение упругих волн обычно наблюдают на земной поверхности вдоль профилей. С этой целью на пикетах профиля расставляют специальные приборы-сейсмоприемники, позволяющие фиксировать колебания почвы под ними. Сейсмоприемники улавливают колебания, вызванные одной или несколькими, следующими друг за другом волнами, и позволяют произвести записи этих колебаний. Записи колебаний от одного источника возбуждения сводят в сейсмограмму.

По форме записи на сейсмограмме выделяют колебания, обусловленные одной волной, и определяют время прихода этой волны к каждому сейсмоприемнику. Затем строят график зависимости времени прихода волны t от расстояния сейсмоприемников до пункта взрывах.

Такой график называется годографом. Для построения годографа по горизонтальной оси откладывают расстояние х, а по вертикальной оси — время прихода волны t к каждому сейсмоприемнику. Через полученную систему точек проводят кривую.

Годограф прямой волны, распространяющейся вдоль профиля наблюдений, представляет собой два отрезка прямых, исходящих из начала координат под определенным углом ψ. Уравнением годографа прямой волны служит уравнение отрезка прямой, в котором параметрами являются время V, расстояние x и скорость волны v1.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

1)Классификация методов сейсморазведки

2)Виды сейсморазведочных работ

3)Метод отражённых волн

4)Метод общей глубинной точки

5)Метод преломленных волн

1)Методы сейсморазведки различаются по типу используемых полезных волн, по стадии геологоразведочного процесса, по решаемым задачам, по способу получения данных, по размерности, по типу источника колебаний и частоте колебаний целевых волн.

По типу используемых волн выделяются: Метод отраженных волн (МОВ) – основан на выделении волн, однократно-отраженных от целевой геологической границы. Наиболее востребованный метод сейсморазведки, позволяющий изучать геологический разрез с детальностью до 0,5% от глубины залегания границы. Используется в сочетании с методикой многократных перекрытий, в которой для каждой точки границы регистрируется большое количество сейсмических трасс. Избыточная информация суммируется по признаку общей средней или глубинной точки (ОСТ или ОГТ). Метод общей глубинной точки значительно расширяет возможности МОВ и применяется в большинстве сейсморазведочных работ. Метод преломленных волн (МПВ) – ориентирован на преломленные волны, которые образуются при падении волны на границу двух пластов под определенным углом. При этом образуется скользящая волна, распространяющая со скоростью нижележащего пласта. МПВ используется только для решения специальных задач из-за существенных ограничений метода.

По стадии геологоразведочного процесса различают региональную, поисковую и детальную сейсморазведку.

По решаемым задачам сейсморазведка подразделяется на глубинную, структурную (нефтегазовую) и инженерную.

По способу получения данных выделяют наземную, скважинную, морскую и лабораторную сейсморазведку.

По размерности сейсморазведка различается на 1D, 2D и 3D варианты. В одномерном варианте упругая волна возбуждается и регистрируется вдоль одного единственного вертикального луча – в стволе скважины. Двухмерная сейсморазведка реализуется расстановкой пунктов возбуждения и приема вдоль линейного профиля. Объемная (3D) сейсморазведка проводится при размещении пунктов приема по площади.

По типу источника различается взрывная, вибрационная и невзрывная импульсная сейсморазведка.

По частоте колебаний сейсморазведка классифицируется на низкочастотную, средне-частотную, высокочастотную и сейсмоакустику.

2)Сейсморазведочные работы проводятся по технологии 2Д и ЗД в различных сейсмогеологических и физико-географических условиях, в т.ч. в труднодоступных горных условиях, в переходных зонах и мелководье. Специализированными отрядами выполняются скважинные сейсмические исследования VSP.

Залогом успеха является выбор наиболее эффективной методики исследования для получения качественного материала.

При полевых работах используется современная аппаратура и оборудование, что обеспечивает наивысшее качество работ:

• регистрирующие системы INPUT/OUTPUT- 2000, INPUT/OUTPUT SYSTEM FOUR AC; INTROMARIN, BIZON, Прогресс - T-2; Прогресс - T155

• буровые станки УРБ-2А-2, УРБ-2,5А;

• многоканальные скважинные сейсмические зонды;

• спутниковые системы привязки (GPS).

При проведении сейсморазведочных работ используются взрывные, вибрационные и пневматические источники возбуждения упругих колебаний.

Постоянная оптимизация систем наблюдений, условий возбуждения и приема, в зависимости от геологических задач, является гарантией эффективности работ.

3) Метод отражённых волн (МОВ)— метод сейсморазведки, основанный на изучении упругих волн, отразившихся от границы раздела двух сред, обладающих различными волновыми сопротивлениями. Теоретические и технические основы МОВ разработаны в СССР В. С. Воюцким (1923), в практику сейсморазведки МОВ начал внедряться с 1935 г. и в настоящее время является основным методом сейсморазведки при поисках и разведке нефтеносных структур различной амплитуды и степени сложности. Основные особенности МОВ: сравнительно высокая разрешающая способность, т. е. возможность исследовать тонкослоистые среды; возможность регистрации отражений, независимо от того, увеличивается или уменьшается волновое сопротивление при переходе из верхней среды в нижнюю; возможность прослеживания при небольших расстояниях взрыв — прибор одновременно большого количества отражений в значительном интервале глубин: по годографам отраженных волн можно вычислять эффективную скорость, изучать ее распределение с глубиной и по площади, это значит получить параметры, необходимые для определения положения сейсмических границ. Методика наблюдений в МОВ мало зависит от глубины исследования. Основной системой наблюдений, т. е. системой взаимного расположения пунктов взрыва и точек установки сейсмоприемников, в МОВ является непрерывное профилирование, обеспечивающее корреляцию отраженной волны по кинематическим признакам вдоль всего профиля. Применяется однократное, полуторное и двойное профилирование, реже — дискретное профилирование. Интерпретация в МОВ состоит из нескольких этапов. Производится выделение полезных отраженных волн и их корреляция по всем сейсмограммам, составляющим сейсмический профиль или систему профилей, и построение сейсмических годографов и корреляционных схем. По годографам вычисляются эффективные скорости (Vэф) сейсмических волн, отличающиеся от истинных скоростей в реальных средах вследствие неоднородности последних. Точность вычисления скоростей по годографам и построение графиков и карт эффективных и пластовых скоростей в основном зависит от скоростной характеристики среды. Для повышения точности используется сейсмокаротаж специальных параметрических скважин. Значительно ускоряет и облегчает интерпретацию возможность ввода получаемых в МОВ записей в аналоговые вычислительные машины. Результатом интерпретации данных МОВ являются сейсмические разрезы и карты опорных сейсмических горизонтов. Если опорных горизонтов нет, то строятся условные сейсмические горизонты, осредняющие отдельные границы отражающих площадок. Точность и надежность построения структурных схем при оптимальной методике зависят в основном от прослеживаемости отражающих границ и точности определения скоростей и определяются особенностями геол. строения р-нов. В благоприятных условиях МОВ обладает большой точностью определения относительных превышений сейсмических границ, что позволяет выделять структуры с амплитудой 30 — 50.

4) Метод общей глубинной точки - основной способ сейсморазведки, основанный на многократной регистрации и последующем накапливании сигналов сейсмических волн, отражённых под разными углами от одного и того же локального участка (точки) сейсмические границы в земной коре. Способ ОГТ впервые предложен американским геофизиком Г. Мейном в 1950 (патент опубликован в 1956) для ослабления многократных отражённых волн-помех, в CCCP применяется c конца 60-x гг.

Способ ОГТ применяется при поиске и разведке месторождений нефти и газа в различных сейсмогеологических условиях. Его применение практически повсеместно повысило глубинность исследований, точность картирования сейсмических границ и качество подготовки структур к глубокому бурению, позволило в ряде нефтегазоносных провинций перейти к подготовке к бурению неантиклинальных ловушек, решать в благоприятных условиях задачи локального прогноза вещественного состава отложений и прогнозировать их нефтегазоносность. Способ ОГТ используют также при изучении угольных и рудных месторождений, решении задач инженерной геологии.

Перспективы дальнейшего совершенствования способа ОГТ связаны c разработкой приёмов наблюдений и обработки данных, обеспечивающих существенное повышение его разрешающей способности, детальности и точности восстановления изображений трёхмерных сложнопостроенных геологических объектов; c разработкой способов геолого-геофизической интерпретации динамических разрезов на структурно-формационной основе в комплексе c данными др. методов полевой разведочной геофизики и скважинных исследований.

5)Метод преломлённых волн - метод сейсмической разведки, основанный на регистрации волн, которые преломляются в земной коре в слоях, характеризующихся повышенной скоростью распространения сейсмических волн, и проходят в них значительную часть пути. Возбуждение сейсмических колебаний ведётся на поверхности или в скважинах и шурфах взрывами ВВ или невзрывными источниками сейсмических колебаний. Преломлённые волны регистрируют на поверхности стандартными и специализированными сейсморазведочными станциями, расположенными на значительном удалении от источника или пункта взрыва. Расстояние между источником и приёмником обычно превышают в 1,5-2 раза значение глубины до преломляющей границы. По мере удаления от пункта взрыва число наблюдаемых преломлённых волн возрастает, поскольку регистрируются волны, преломлённые во всё более глубоких слоях земной коры. Основная модификация метода преломленных волн - корреляционный метод преломлённых волн, который основан на изучении первых и последующих вступлений преломлённых волн, исследовании формы их колебаний и их фазовой корреляции (как и в методе отражённых волн). В простых геол. условиях ограничиваются изучением только первых вступлений (метод первых вступлений). При интерпретации данных метода определяют время пробега преломлённой волны от источника её возбуждения до пункта регистрации, вычисляют глубину залегания, наклон поверхности пластов с повышенной скоростью и величину этой скорости. Граничная скорость в преломляющем пласте характеризует его литологический состав, что позволяет в ряде случаев отождествлять преломляющий горизонт с определённой стратиграфической границей. Для вычисления средней скоростей распространения сейсмических волн в толще, перекрывающей преломляющую границу, используются, как правило, данные, полученные методом отражённых волн или сейсмического каротажа.

Метод преломленных волн применяется при региональных исследованиях строения земной коры (изучение рельефа поверхности кристаллического фундамента, структуры осадочной толщи) на глубине до 10-20 км, трассировании тектонических нарушений, а также при инженерно-геологических изысканиях.

Простейшая модификация метода преломленных волн предложена в 1919 в Германии Л. Минтропом, корреляционный метод преломлённых волн - в 1938 в СССР Г. А. Гамбурцевым с участием Ю. В. Ризниченко, И. С. Берзон, А. М. Епинатьевой, Е. В. Каруса. В кон. 70-х гг. в СССР предложена модификация метода преломленных волн - методика общей глубинной площадки, при обработке данных которой используются некоторые принципы сейсморазведки методом отражённых волн по способу общей глубинной точки.

Геофизическая разведка является одним из наиболее прогрессивных современных средств изучения земных недр. Исследование разнообразных физических явлений на поверхности земли, в горных выработках и скважинах позволяет делать выводы о структурных особенностях и составе горных пород, наличии залежей полезных ископаемых. Благодаря своей дешевизне и эффективности геофизическая разведка дает возможность быстрее обнаруживать и разведывать месторождения ценных видов минерального сырья. Роль геофизических методов в геологоразведочных работах непрерывно возрастает.

Содержание

Введение 3
Глава1. Сущность сейсморазведки……………………….……………………..4
Глава2.Методы сейсморазведки………………………………. 7
Глава3.Сети профилей при сейсоразведке. Технические средства сейсморазведки ………………………………………………………………….21
Глава4.Обработка полевых материалов………………………………………. 36
Глава5.Интерпретация…………………………………………………………..42
Глава6. Области применения сейсморазведки………………………………. 51
Заключение 60

Вложенные файлы: 1 файл

Курсовая.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский Федеральный Университет

Специальность: №020302 - геофизика

Сейсморазведка - как метод разведочной геофизики.

Сейсмическая разведка (сейсморазведка) является одним из важнейших видов геофизической разведки и включает совокупность методов исследований геологического строения земной коры, основанных на изучении распространения в ней искусственно возбужденных упругих волн. Сейсморазведка позволяет с высокой точностью определять углы наклона слоев осадочной толщи даже при большой глубине их залегания. Поэтому сейсмические методы особенно широко используют при решении структурно-геологических задач, особенно при поисках месторождений нефти и газа. Сейсмические методы широко используют для поисков месторождений углей, каменной соли, бокситов, а также для решения разнообразных инженерно-геологических задач. В последнее время сейсмические методы широко применяют в рудной геологии. Большую роль играет сейсморазведка также при изучении региональной геологии. С ее помощью удается получать сведения о глубинном строении земной коры.

Глава 1.Сущность сейсморазведки.

Сейсмическая разведка (сейсморазведка) - это геофизический метод исследования строения Земли и геологической среды, поисков и разведки нефти и газа, а также других полезных ископаемых, основанный на изучении распространения упругих волн, возбужденных искусственно с помощью тех или иных источников: взрывов, ударов и др. Горные породы отличаются по упругим свойствам и поэтому обладают различными скоростями распространения упругих волн. Это приводит к тому, что на границах слоев, где скорости меняются, могут образоваться отраженные, преломленные, рефрагированные, дифрагированные и другие волны, регистрируя которые на земной поверхности, можно получить информацию о скоростном разрезе, а по нему судить о геологическом строении.

Методика сейсморазведки основана на изучении кинематики волн или времени пробега различных волн от пункта их возбуждения до сейсмоприемников, улавливающих скорости смещения почвы, и их динамики или интенсивности волн. В специальных достаточно сложных установках (сейсмостанциях) электрические колебания, созданные в сейсмоприемниках очень слабыми колебаниями почвы, усиливаются и автоматически регистрируются на сейсмограммах и магнитограммах. В результате их интерпретации можно определить глубины залегания сейсмогеологических границ, их падение, простирание, скорости волн, а используя геологические данные, установить геологическую природу выявленных границ.

Скорости распространения упругих волн являются определенным диагностическим признаком горной породы. Методы их определения делятся на лабораторные (измерения на образцах), скважинные (сейсмические и акустические наблюдения в скважинах), полевые (расчет скорости в результате интерпретации данных сейсморазведки).

Скорости распространения волн определяются составом, строением и состоянием горных пород, которые, в свою очередь, зависят от гранулометрического и минерального состава твердых частиц, глубины залегания, возраста пород, степени метаморфизма, плотности, пористости, трещиноватости, разрушенности, выветренности, водонасыщенности, нефтегазонасыщенности и других факторов.

Наименьшими скоростями ( ) обладают рыхлые сухие пески (0,5 - 1 км/с), нефть (~1,2 км/с), вода (~1,5 км/с), глины (1,3 - 3 км/с), уголь (1,8 - 3,5 км/с). Большие скорости (3 - 6 км/с) у скальных осадочных пород (известняки, мрамор, доломит, соль и др.). Самые большие (4 - 7 км/с) - у изверженных и метаморфических пород.

Все остальные факторы, которые делают породу более массивной, сцементированной, консолидированной - например, водонасыщенность, замерзание, степень метаморфизма - делают больше. С увеличением раздробленности, трещиноватости, рыхлости, пористости ( при заполнении пор воздухом или газом) уменьшается. Нефтенасыщенные породы по мало отличаются от водонасыщенных. Для сильно рассланцованных пород характерно различие скоростей в разных направлениях (анизотропия): у них скорость на 10 - 20 % больше вдоль, чем вкрест напластования. Чем больше абсолютный возраст пород ( ) и глубина залегания ( ), тем больше скорость. Для осадочных пород известна следующая эмпирическая формула зависимости скорости от этих факторов , где - коэффициент пропорциональности.

Скорости распространения поперечных волн ( ) меньше, чем продольных ( ). Отношение меняется для разных пород: от 1,3 - 1,6 (для высокопористых газонасыщенных), к 1,5 - 2 (для сцементированных скальных или водонефтенасыщенных) до 2 - 3 (для рыхлых плохо сцементированных типа л\"ессов, песков, глин). Этим отношением определяется коэффициент Пуассона ( ).

Кроме скоростей распространения упругих волн, которыми определяется кинематика волн, важным сейсмическим свойством горных пород является степень поглощения ими сейсмической энергии, что определяет динамические характеристики волн, и прежде всего их интенсивность и дальность распространения. Поглощение вызывается потерями упругой энергии за счет необратимых процессов в среде вследствие ее неидеальной упругости. По этой причине амплитуда, например, плоской гармонической волны экспоненциально убывает с расстоянием х, т.е. , где - амплитудный параметр; - коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения, разный для разных пород, возрастает с ростом пористости, трещиноватости пород, с уменьшением глубины их залегания и водонасыщенности. В среднем у изверженных, метаморфических и сцементированных осадочных пород = 10 -5 - 10 -3 (1/м), у рыхлых осадочных = 10 -3 - 0,5 (1/м).

В связи с разным строением слоистых сейсмических сред и границ в сейсморазведке используются следующие скорости (или типы скоростей) распространения упругих волн ( и ).

· Истинная скорость - это скорость волны в малом объеме породы. Она определяется путем ультразвуковых измерений на образцах.

· Пластовая скорость - это средняя скорость распространения упругих волн в каждом пласте изучаемого геологического разреза.

· Интервальная скорость является частным случаем средней скорости для заданного интервала глубин.

· Средняя скорость в пачке пластов - это скорость, определяемая по формуле

где - мощности отдельных пластов данной слоистой среды; - времена пробега в каждом пласте, измеренные вдоль луча, перпендикулярного слоистости.

Пластовая, средняя и интервальная скорости определяются по сейсмическим наблюдениям в скважинах.

· Эффективная скорость - это некоторая средняя скорость, определяемая в результате интерпретации данных сейсморазведки методом отраженных волн в предположении, что скорость в толще, покрывающей отраженную границу, постоянна.

· Граничная скорость - это скорость распространения скользящей преломленной волны вдоль преломляющей границы. Она рассчитывается при интерпретации данных сейсморазведки методом преломленных волн.

· Кажущаяся скорость - это скорость распространения фронта любой волны вдоль профиля наблюдений. В любой точке профиля наблюдений она равна отношению приращения пути ко времени его прохождения волной , т.е. .[1]

Глава 2. Методы сейсморазведки

Сейсморазведка включает два основных метода: метод отраженных волн (MOB) и метод преломленных волн (МПВ). Существуют и другие методы сейсморазведки, имеющие подчиненное значение. Метод отраженных волн основан на изучении упругих волн, отразившихся от границы раздела двух геологических пластов. Он имеет много общего с широко известным способом измерения расстояний до цели в радиолокации, где специальный источник излучает короткий электромагнитный импульс, после чего определяется время возвращения к источнику волны, отразившейся от препятствия. Поскольку скорость распространения электромагнитной волны в воздухе заранее известна, то расстояние до отражателя определяют как половину произведения скорости на время пробега волны от момента ее возбуждения до возвращения к приемнику. В сейсморазведке процесс протекает сложнее, так как скорость распространения упругих волн в геологических средах в зависимости от их состава изменяется в широких пределах и часто заранее не известна. Тем не менее, измерив, время пробега отраженной волны от одного источника к нескольким точкам наблюдений, можно вычислить скорость распространения волны в среде и определить положение границы, на которой произошло отражение. С целью непрерывного изучения формы отражающей границы колебания регистрируются одновременно во многих точках (рис. 1). Для записи колебаний почвы используются специальные подвижные лаборатории—сейсморазведочные станции. В методе преломленных волн ведут наблюдения на больших расстояниях от источника возбуждения по сравнению с глубиной залегания исследуемых границ. В этом случае сейсмические волны значительную часть своего пути проходят в направлении, близком к направлению напластования в слое, скорость в котором превышает скорости в соседних пластах.

Рис 1. Схема сейсморазведочных работ.[1]

Наблюдение преломленных волн во многих случаях дает возможность судить о литологическом составе пород, слагающих слой. Сейсмические методы разведки при решении различных геологических задач применяются в сочетании с одним или несколькими геофизическими и геологическими методами. Комплексное применение разных методов в конкретных геологических условиях позволяет повысить геологическую эффективность. Сейсмическая разведка является сложной динамической системой, предназначенной для исследования земной коры. В этой системе происходят процессы преобразования энергии и информации, важнейшими из которых являются возбуждение сейсмическим источником первичных волн, их распространение в геологической среде с образованием на ее неоднородностях вторичных волн, прием и запись упругих колебаний в точках наблюдения, обработка и интерпретация сейсмических записей. Целенаправленную последовательность этих процессов можно рассматривать как сейсморазведочный канал, преобразующий воздействие источника упругих колебаний (входной сигнал) в сейсморазведочную информацию (выходной сигнал). Сейсморазведочный канал состоит из трех последовательно действующих систем (рис. 2). Первая и основная из них — объект исследования, сейсмо- геологическая среда, т. е. геологическая среда в том виде, как она проявляется при формировании поля упругих колебаний. Наблюдаемое в некоторой точке среды поле можно считать результатом прохождения импульса источника через некоторый пространственно ограниченный объем среды — сейсмогеологический канал. Строение среды в пределах этого объема является той информацией, которая извлекается из сейсморазведочных наблюдений. Наблюденное поле служит входной информацией для второй системы — сейсморегистрирующего канала, включающего сейсморазведочную технику и методику, т. е. инструмент исследования. На выходе сейсморегистрирующего канала получаются сейсмические записи (сейсмограммы), которые являются входной информацией для третьей системы — сейсмообрабатывающего канала. Здесь сейсмограммы преобразуются в результативный материал — сейсмический разрез. На этом этапе особенно велика роль геофизика-интерпретатора.[1]

Рис. 2. Структура сейсморазведочного канала[1].

Так же в сейсморазведке выделяют наиболее важные методы такие как:

2.Корреляционный метод преломленных волн.

3. Метод регулируемого направленного приёма.

5. Глубинное сейсмическое зондирование.

Пример обработки преломленных волн и их комплексирования с отраженными волнами представлен на сейсмических материалах МОВ-ОГТ, полученных с радиотелеметрической аппаратурой в транзитной зоне Российского сектора Каспийского моря. Использование этой аппаратуры обеспечило возможность отработки системы наблюдений с максимальными удалениями источник-приемник до 12480 м, что позволило зарегистрировать как отраженные, так и преломленные волны от одних и тех же геологических границ.

Предлагаемая методика обработки включает несколько направлений.

1) Обработка преломленных волн на основе миграции сейсмических записей встречных и нагоняющих систем наблюдений и построение волнового изображения преломляющих границ любой конфигурации с учетом явления проницания преломленных волн. Важной особенностью алгоритма является возможность формирования динамического разреза для нескольких преломляющих границ одновременно. На основе миграции уточняются значения граничной скорости и скорости в покрывающей среде. Предлагаемый подход позволяет автоматизировать обработку сейсмических записей МПВ с привлечением не только кинематических, но и динамических параметров волн. Представление результатов обработки МПВ в виде, аналогичном для результатов МОВ-ОГТ, упрощает сопоставление двух методов и делает более эффективным их совместное использование в концепции комбинированной сейсмической разведки геологических сред. Мигрированный по преломленным волнам разрез менее разрешен, чем его аналог, полученный по отраженным волнам, но он может давать интересную информацию о глубоких горизонтах (рис 3).

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Опыт применения сейсморазведки ОГТ для решения инженерно-геологических задач

И. А. Санфиров, А. Г. Ярославцев

Появление цифровых портативных сейсмостанций и эффективного программного обеспечения, реализованного на современных персональных компьютерах, создает предпосылки для применения при решении инженерно-геологических задач высокоинформативной методики общей глубинной точки (МОГТ) [12]. С этой целью, как и в нефтяной сейсморазведке, нам необходимо: обоснование параметров систем интерференционной регистрации, выбор источника упругих колебаний и характеристик регистрирующей аппаратуры, формирование графа цифровой обработки и оценка степени достоверности интерпретационных выводов.

При обосновании параметров в основном опираемся на следующие общие положения [2, 3, 5, 6, 11]:

1. Максимальное удаление пунктов возбуждения (ПВ) от пунктов приема (ПП) сопоставимо с глубиной нижней целевой границы.

2. Минимальное удаление ПВ от ПП не превышает глубины верхней целевой границы.

3. Шаг между ПП (х) больше радиуса корреляции случайных шумов, но меньше половины длины волны. Величина задается исходя из горизонтальных размеров поисковых объектов, которые могут быть выделены, если превышают 1/2 - 1/3 диаметра первой зоны Френеля [I].

4. Шаг между ПВ обычно выбирается равным Длс, и кратность наблюдений определяется как половина от числа каналов сейсмостанций.

Выбор источника упругих колебаний при изучении приповерхностных отложений зависит от технологических, экономических, экологических и целого ряда других факторов. Для глубин 50 - 100 м известны различные типы источников упругих колебаний [4, 10, 13]. Их можно разделить на две группы: поверхностные и заглубленные. Первая группа включает кувалду, падающий груз, портативные вибраторы, воздушные пушки. Во второй выделяются взрывные (детонатор, малые заряды, сейсморужья) и невзрывные (электроискровой) источники.

При полевых экспериментах нами опробованы два вида импульсных источников, относящихся к первой группе: кувалда и строительный пистолет [8]. В обоих случаях ударная система состоит из трех компонент: боек, плита-подложка, масса присоединенного грунта. Результаты расчетов показывают, что в соответствии с требуемым частотным диапазоном (f > 100 Гц) при рыхлом поверхностном слое (V= 300. 400 м/с), размер рабочей поверхности источника с энергией удара 300 - 500 Дж должен быть не более 15 - 20 см [7].

При возбуждении упругих волн в местах с твердым покрытием (асфальт, бетон) можно производить удары и без применения плиты-подложки. Ничтожно малая величина рабочей поверхности кувалды и строительного пистолета позволяет излучать упругие колебания в широком спектре частот.

В настоящее время существует большой выбор сейсмоприемников. Они обладают полосой пропускания до 2000 Гц. Значительное влияние на характеристики сейсмоприемников оказывает качество крепления к поверхности наблюдений. В силу того, что линии наблюдений зачастую пролегают внутри зданий, на асфальтированных площадках и даже на вертикальной поверхности кроме обычного заглубления сейсмодатчиков возможны различные, оригинальные виды креплений [9].

Цифровая обработка и интерпретация полученных данных основывается на общепринятых положениях с учетом повышенного частотного диапазона волнового поля. Граф обработки содержит все обязательные этапы:

 корректирующую фильтрацию (полосовая частотная, обратная);

 вычитание волн-помех (в двумерной области скоростей и волновых чисел);

 ввод и последующую совместную коррекцию статических и кинематических поправок;

 коррекцию формы записи (устранение остаточного фазового разброса, усиление интенсивности регулярной составляющей);

 получение и обработку окончательного временного разреза (когерентная фильтрация).

Ряд процедур носит итеративный характер. Например, совместная коррекция статических и кинематических поправок, вычитание волн-помех с последующей нормализацией спектра результирующей записи.

Обычно при проведении инженерных сейсморазведочных исследований отсутствуют данные прямых измерений скоростей распространения упругих волн. Оценка кинематических параметров поля отраженных волн производится по обработанным сейсмограммам ОГТ. Данный процесс содержит несколько этапов:

1) определение эффективных скоростей на основе вертикальных и горизонтальных спектров; 2) регуляризация; 3) построение скоростной модели среды; 4) оценка достоверности результатов скоростного анализа.

В большинстве случаев при изучении приповерхностных отложений приходится отказываться от ввода априорных статических поправок. Это связано с тем, что перепад отметок земной поверхности по профилю сравним с глубинами до целевых горизонтов, и, следовательно, ввод статики приведет к уничтожению полезной части записи. В таких случаях используются только процедуры коррекции высокочастотных статических сдвигов.

Ниже приводится ряд практических результатов, полученных при инженерных сейсморазведочных исследованиях МОГТ на различных природных и техногенных объектах.

Первый пример относится к территории, где развит карбонатный карст в пределах нефтяного месторождения на юге Пермской области (Рис.1). Необходимость исследований обусловлена проблемой сохранности инженерных сооружений, обеспечивающих эксплуатацию месторождения. На временном разрезе, отмечается ряд наиболее динамически выраженных осей синфазности, которые соответствуют целевым сейсмическим отражающим горизонтам (ОГ), приуроченным к конкретным геологическим границам. Стратиграфическая привязка ОГ выполнена в соответствии со скоростным законом, установленным в процессе обработки. Так, до времени в 16 мс скорость 1000 м/с, до 30 мс - 1800 м/с, до 60 мс - 2600 м/с. Следовательно, ОГ1, регистрируемый на времени приблизительно 16 мс, находится на глубине 7 - 8 м, ОГ2 - 12 - 14 м, ОГЗ - 30 - 32 м и ОГ4 -75 - 78 м. В соответствии с априорной геологической информацией можно предположить, что ОГ1 - приурочен к промежуточной границе в толще суглинков (щебень, глина), ОГ2 - кровля гипсов, ОГЗ - их подошва, ОГ4 - кровля доломитов.

На волновой картине выделяется два локальных прогиба по кровле гипсов в интервале от 31 до 60 м и от 86 до 123 м. Второй прогиб, наиболее обширный, сопровождается потерей интенсивности сейсмической записи и коррелируется с прогибом по вышележащим отложениям. Обе аномалии находятся в створе карстовых воронок, причем вторая соответствует наиболее глубокой.

Прогибы по кровле гипсов вызваны, очевидно, их выщелачиванием с изменением гипсометрии. Зоны выщелачивания кровли гипсов могли образоваться в отдаленное геологическое время с последующим заполнением аллювиальными отложениями. В общем случае они отражают только потенциальную угрозу современного процесса карстообразования. При его реализации и возникновении карстовых полостей в интервале между ОГ2 - ОГЗ неизбежно развитие процессов разрушения и обрушения вышележащих пород. Сейсмическими признаками активизации карстообразования в таких зонах могут являться: отрицательная гипсометрия отражающей границы в аллювиальных отложениях, низкие значения скоростей распространения упругих волн и их интенсивности в гипсово-ангидритовой толще.

Второй пример иллюстрирует возможности инженерной сейсморазведки на площади с предположительно техногенным разрушением приповерхностных отложений (Рис.2). Данная площадь находится в зоне влияния горных работ калийного рудника, а область разрушения пространственно совпадает с краевой частью отработки. Основная задача исследований заключалась в оценке пределов распространения разрушений по разрезу и по площади. Наблюдения проводились по сети профилей в пределах жилой застройки частным сектором.

На временном разрезе (см. рис. 2, а) выделяется три отражающих горизонта. Первый, согласно результатам скоростного анализа, находится на глубинах от 5 до 9 м. Он связан с подошвой четвертичных отложений. Глубина второго ОГ составляет 30 - 31 м, он приурочен к зеркалу подземных вод в терригенно-карбонатной толще. Третий ОГ отвечает кровле соляно-мергельной толщи, его глубинные отметки изменяются от 54 до 58 м. По волновой картине нарушения структуры геологического разреза прослеживаются вплоть до 3 ОГ. Аналогичный вывод следует и из анализа скоростной характеристики (см. рис. 2, б), представляющей распределение значений эффективных скоростей в плоскости временного разреза. На основе комплекса сейсмических признаков подобных приповерхностных объектов, выполнен прогноз их распространения в пределах площади исследований.

Следующий объект исследований - катастрофический карстовый провал в пределах городской застройки. Как показали инженерные сейсморазведочные исследования (Рис.3), наиболее вероятной причиной данного обрушения является размыв толщи гипсов, обусловленный взаимодействием техногенных (утечки) и природных (циркуляция подземных вод, связанная с особенностями подземного рельефа) причин.

Дана количественная оценка последствий провала в интервале глубин до 10 - 15 м для рядом расположенных участков жилой застройки. Эти выводы базируются как на качественном анализе волновой картины, представленной на временном разрезе, так и на изучении ее количественных параметров. Качественный анализ волновой картины подразумевает изучение рисунка суммарных сейсмозаписей (см. рис. 3, а) и пространственно-временного распределения их интенсивности, представленного на динамических временных разрезах (см. рис. 3,6). При интерпретации данных параметров учитывается связь со структурой геологического разреза.

Предлагаемая технология инженерной сейсморазведки успешно применяется и при картировании приповерхностных древних горных выработок на территории г. Перми. На рис. 4 (см. цвет. вкл.) приведен пример временного разреза, полученного в пределах площади с высокой вероятностью наличия выработок. На основании скоростного закона и с учетом геологической информации предполагалось, что ОГ1 - приурочен к кровле супеси, ОГ2 - к кровле песчано-гравийных отложений, ОГ Кор - соответствует кровле медистых песчаников, а горизонт ПП их подошве. Интервал возможного наличия выработок ограничивается отражающими горизонтами Кор и ПП.

По результатам моделирования установлено, что признаками погребенных выработок являются: 1) нарушение структуры волновой картины, 2) пониженная интенсивность сейсмической записи, 3) снижение скоростных свойств, отражаемое как на скоростной характеристике, так и в виде "псевдопрогиба" по нижележащему отражающему горизонту. Подобное сочетание изменений динамических и кинематических характеристик отраженных волн в интервале между ОГ Кор и ПП наблюдается на участке профиля от 5,5 до 20,5 м. Скважина, пробуренная по результатам сейсморазведочных данных, вскрыла на глубине 13,2 м деревянную крепь и песчано-грязевую массу.

Все рассмотренные выше примеры связаны с более или менее традиционными для инженерной сейсморазведки объектами, хотя данная ее модификация может применяться и при разведке малоглубинных месторождений полезных ископаемых.

Следующий пример иллюстрирует результаты сейсморазведочных работ на месторождении гипса. Цель исследований - картирование участка уменьшения мощности предохранительного целика в промышленной толще гипсов. В соответствии с результатами скоростного анализа и данными бурения выполнена стратиграфическая привязка отражающих горизонтов: Tik - кровля тульских глин, Psk - кровля песков, Psp - подошва песков, Gk и Gp - кровля и подошва промышленной толщи гипсов. На временном разрезе (рис. 5.) отражаются основные особенности геологического строения участка. В центральной части профиля (200 - 260 м) в интервале песков и в подстилающих их отложениях вплоть до гипсовой залежи выделяется локальный размыв турнейской карбонатной толщи. Он связан с притоком широтного простирания к основному руслу древней реки. В его пределах на участке от 220 до 250 м наблюдается нарушение структуры волновой картины для интервала гипсовой залежи. Дополнительные участки нарушений структуры волновой картины выделяются в конечной части профиля, начиная с 400 м, и восточнее размыва на 150 - 180 м. Все отмеченные участки характеризуются повышенным затуханием и пониженной скоростью распространения упругих колебаний.

Внедрение современных модификаций сейсморазведочных наблюдений в сферу инженерно-геологических задач определяется соотношением цены и объема информации, необходимого для их решения. Представленные материалы выбирались из достаточно обширной базы данных (более 40 объектов). Значительный объем выполненных исследований и их результаты, по нашему мнению, подтверждают положительное решение данной финансово-методической проблемы для сейсморазведки 2D.

В настоящее время известно применение в отдельных случаях инженерно-геологических изысканий и сейсморазведки 3D [14, 15, 16]. Очевидно, что перспективы ее внедрения также будут зависеть от соотношения цены и ценности сейсморазведочной информации для решения современных инженерно-геологических задач.

1. Гертнер X., Климмер Г., 1985, Оценка возможности решать геологическую задачу сейсморазведкой MOB путем сейсмического моделирования: Труды XXX Междунар. геофиз. симп. Геофизические работы на нефть и газ. Ч. III: М., 81 - 93.

2. Гурвич И. И., Боганик Г. Н., 1980, Сейсмическая разведка. Учебник для вузов: М., Недра.

3. Мешбей В. И., 1973, Сейсморазведка методом общей глубинной точки: М., Недра.

4. Палагин В. В., Попов А. Я., Дик П. И., 1989, Сейсморазведка малых глубин: М., Недра.

5. Савелов Р. П., 1986, Вопросы теории и практики применения сейсморазведки МОП": Иркутск, Изд-во ИГУ.

6. Сапфиров И. А., 1996, Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ: Екатеринбург, УрО РАН.

7. Сапфиров И. А., Фатькин К. Б., 1997, Сравнительный анализ различных типов невзрывных источников для малоглубинной сейсморазведки: Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы региональной конференции: Пермь, ПГУ.

8. Ярославцев А. Г., 2002, BuildingGun - новый источник для инженерной сесморазведки: Проблемы комплексного мониторинга на месторождениях полезных ископаемых: Пермь, Горный институт УрО РАН.

9. Ярославцев А. Г., Сапфиров И. А., 2000, Применение методик многократных перекрытий при решении инженерно-геологических задач: 300 лет горно-геологической службе России: Тезисы докладов международной геофизической конференции: СПб.

10. Hill I. A., 1992, Better than drilling? Some shallow seismic reflection case histories: Quarterly Journal of Engineering Geology, 25, 239 -248

Читайте также: