Геофизика

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Дисциплина: «Геофизика»

Внимание! Перед выполнением задания в обязательном порядке необходимо прочитать материал, изложенный по теме «Сейсморазведка» рекомендуемой литературы.

Задание 4. Сейсморазведка

I. Общая часть

Наименование темы задания: «Определение уровня грунтовых вод по сейсмическим данным метода преломленных волн».

Цель – формирование заявленных в УМК профессиональных компетенций путем закрепления и углубления имеющихся, приобретения новых знаний, умений и навыков в процессе изучении теоретического блока дисциплины и решения задач практического блока по теме «Сейсморазведка».

Задачи, решаемые в задании:

a.Построение вдоль линии наблюдения (сейсмического профиля), совмещенного с осью х:

•годографа t пр.в (x) прямой волны;

•прямого t1 (х) и встречного t2 (х) годографов головной преломленной волны, т.е. волны, преломленной на зеркале уровня грунтовых вод (УГВ) как преломляющей границы.

b.Построение трансформант системы встречных годографов:

•разностного годографа Q (x) головной преломленной волны;

•линии to (х) головной преломленной волны;

c.Построение графика высотных отметок hинд (х) для пунктов приема (ПП) упругих волн

вдоль сейсмического профиля;

d.Вычисление:

•средней скорости VСР упругих волн в покрывающих границу УГВ отложениях;

•граничной скорости Vr упругой (скользящей) волны в подстилающих границу УГВ отложениях;

•глубины Н (х) залегания преломляющей границы.

e.Построение сейсмогеологического разреза.

II. Данные для выполнения задания

Для определения глубины залегания УГВ в песчаных отложениях вдоль прямолинейного профиля на основании известных формул (табл. 1) проведены сейсмические наблюдения методом преломленных волн (МПВ). Фиксация времени прихода упругих волн в ПП производилась по методу первых вступлений и полученные результаты помещены в таблицу 2.

Система наблюдения в данном задании представляется следующими параметрами:

1. расстояния между пунктами приема (ПП) упругих колебаний вдоль линии наблюдения (сейсмический профиль) х = 10 м.

2.В данной расстановке используется один сейсмоприемник на сейсмический канал (группирование ПП отсутствует).

3.Взрывной интервал (расстояние между соседними пунктами возбуждения (ПВ) сейсмических волн) l = 250 м.

4.Пункты возбуждения последовательно размещались на обоих флангах (левосторонняя и правосторонняя фланговые расстановки) базы приема, что позволяет обрабатывать результаты сейсмических наблюдений по системе встречных годографов .

5.База приема (расстояние от первого до последнего ПП на сейсмическом кабеле (сейсмическая коса) рассматриваемой установки) L = 250 м.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

6.Альтитуды (абсолютные высотные отметки) h, м пунктов приема упругих колебаний также приведены в таблице 2.

Внимание! Каждый студент индивидуально изменяет параметр h, м на величину №№ в соответствии с формулой:

hинд (х), м = h(х) + №№,

где №№ - для студентов очного отделения номер фамилии в журнале группы (например, 01, 02, … 21, 22), а для студентов заочного отделения две последние цифры номера зачетной книжки прибавляемые к табличным значениям h(х) в разряд единиц (табл. 2). Пример: 105 м +74 = 179 м, где №№ = 74 или 105 м +07 = 112 м, где №№ = 07.

Отдельно вдоль короткого профиля, совпадающего с основной линией наблюдения, при использовании левофланговой расстановки с базой приема L = 40 м были проведены наблюдения (табл. 3) с целью более точного определения скорости распространения упругих волн в сухих песках выше УГВ по годографу прямой волны.

III.Сведения из теории

Сейсморазведка – представляет собой раздел разведочной геофизики, в котором изучаются поля упругих деформаций происходящих в геологических средах вследствие механических воздействий. Это взрывы, удары, техногенные вибрации, тектонические процессы, в частности землетрясения. Как и в других разделах геофизики поля разделяются на искусственные, используемые преимущественно в сейсморазведке, и естественные, которые изучают в основном в сейсмологии.

В результате упругих деформаций в природных объектах возникают упругие объемные волны, основными полезными из которых являются продольные υр и поперечные υs., а второстепенными дифрагированные, интерференционные и боковые.

Помимо объемных волн на границе с дневной поверхностью возникают также и поверхностные волны: Релея и Лява, которые в разведочной геофизике, как правило, являются помехами.

На рис. 1 (где α и α`- углы падения и отражения волны) показано, если есть граница раздела сред, отличающихся по акустической жесткости А (произведение скорости υ на плотность σ, т. е. А= υ∙σ), то при падении на нее, например продольной Р-волны образуется еще четыре волны: Р1S1 – отраженная поперечная, P1P1 – отраженная продольная волна, P1P2 – преломленная проходящая продольная волна, P1S2 – преломленная проходящая поперечная волна.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

сейсмических волн, и проходят в них значительную часть пути именуют методом преломленных волн (МПВ). Возбуждение сейсмических колебаний ведётся на поверхности или

вскважинах и шурфах взрывными или невзрывными источниками сейсмических колебаний. Преломлённые головные волны, образование которых демонстрирует рис.1 б, регистрируют на поверхности стандартными или специализированными сейсморазведочными станциями, расположенными на относительно значительном удалении от пункта возбуждения ПВ волн.

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 головных преломлённых волн возрастает, поскольку регистрируются волны, преломлённые во всё более глубоких слоях земной коры. Основная модификация МПВ - корреляционный метод преломлённых волн (КМПВ), 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 геологических условиях ограничиваются изучением только первых вступлений (метод первых вступлений).

При интерпретации полученных данных определяют время пробега преломлённой волны от источника её возбуждения до пункта регистрации, вычисляют глубину залегания, наклон поверхности пластов с повышенной скоростью сейсмической волны 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 средних скоростей распространения сейсмических волн в толще, перекрывающей преломляющую границу, используются, как правило, данные, полученные методом отражённых волн или сейсмического каротажа.

Таким образом, условия возникновения головной преломленной волны рассматриваемой

взадании сводятся к следующему:

1.На границу преломления от пункта возбуждения ПВ падает сейсмическая волна, имеющая сферический или цилиндрический фронт при угле падения α (рис. 1 а и б), равному некоему критическому углу i

sin(α = i) = v1 , v2

2.Скорость V в покрывающих преломляющую границу отложениях должна быть меньше, чем в подстилающих отложениях и, соответственно. в подстилающих больше.

При соблюдении этих двух условий, возникает головная преломленная волна ( явление подобное полному внутреннему отражению в оптике). В случае скольжении неоднородной волны по границе в нижележащем более скоростном слое при угле падения большем критического происходит отрыв фронта проходящей преломленной волны от фронта падающей волны, и этот фронт, растекаясь по границе, порождает в первой среде согласно принципу Гюйгенса-Френеля преломлённую (головную) волну, которую и регистрируют на поверхности

спомощью сейсмоприемников в ПП. Головная волна компенсирует разрыв сплошности среды

ираспространяется вдоль границы со скоростью, равной скорости в более высокоскоростной среде (рис. 1 б). Другими словами преломляющая граница сама начинает генерировать в точках

прохождения фронта граничной (скользящей) волны собственно головную волну, которая выходит на поверхность. На рис. 2 А представлены траектории распространения сейсмических волн разных классов при горизонтальной границе раздела и срабатывании ПВ вблизи поверхности наблюдения.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Из теории также известно, что годографы (графики зависимости времени прихода сейсмических волн в пункты приема от расстояния между ними и пунктом возбуждения) прямой и головной преломленной волн вдоль прямолинейных профилей представляются прямыми линиями, а годографы отраженных волн имеют вид гиперболы (рис. 2 Б ).

Рис. 2. А: Траектория распространения сейсмических волн различных классов в случае двухслойной модели среды и горизонтальной границы раздела: S – пункт возбуждения; D – сейсмоприемник; z – мощность слоя; V1 и V2 – скорости сейсмических волн соответственно в покрывающей и подстилающей сейсмическую границутолщах; Б: общий вид годографов прямой, головной и отраженной волн

Ниже приводятся формулы необходимые для решения поставленных в задании задач (табл. 1).

Таблица 1

Расчетные формулы

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

IV.Отчетные материалы, представляемые в обязательном порядке для защиты результатов работы и их последовательность

На совмещенном графике (рис. 3) представить следующие материалы:

1.годограф прямой волны tпр.в. (х), мс, полученный по наблюдениям специально поставленным для изучения средней скорости в сухих песках (табл. 3);

2.прямой годограф головной преломленной волны t1 (х), мс;

3.встречный годограф головной преломленной волны t2 (х),мс;

4.разностный годографголовной преломленной волны Q (х),мс;

5.линия to (х),мс дляголовной преломленной волны;

6.Результат вычисления средней скорости VСР, м/с распространения прямой волны в покрывающих преломляющую границу отложениях (формулытабл.1).

7.Результат вычисления граничной скорости Vr , м/с распространения скользящей волны в подстилающих преломляющую границу отложениях (формулы табл. 1).

8.Схематический геолого-геофизический (сейсмогеологический) разрез (пример, рис. 4) с линией УГВ.

V.Порядок выполнения работы

1.Вычислить глубину hинд (х), м по формуле 5 (табл. 1) и занести полученные значения в таблицу 2 во второй столбецвместо заданных значений h, м (абс. отм).

2.Построить на одном графике (пример рис. 3) для выбранной системы наблюдения:

a.годограф прямой волны tпр.в. (х), мс по данным полученным на специальном профиле с базой приема L = 40 м и отметить ПП в которых регистрируется прямая волна и где фиксируется головная преломленнаяволна.

b.прямой годограф головной преломленной волны t1 (х), мс

c.отметить ПП в которых регистрируетсяголовная преломленная волна;

d.встречный годограф головной преломленной волны t2 (х), мс и отметить ПП в которых регистрируется прямая волна и где фиксируется головная преломленная волна;

e.разностный годограф головной преломленной волны Q (х), мс и отметить ПП в которых вычисляется разностный годограф прямой волны и где разностный годограф головной преломленнойволны;

f.линию to (х), мс для головной преломленной волны и отметить ПП, в которых вычисляется линия to (х), мс для прямой волны и где линия to (х), мс для головной преломленнойволны;.

Внимание! Помните, что каждая волна характеризуется своей скоростью распространения в среде. Это отражается на форме годографа. Например, для прямой и преломленной волн - будут наблюдаться разные углы наклона годографов в виде прямых линий к оси 0Х вдоль линии наблюдения. Поэтому следует внимательноразобраться в каких ПП и какая волна зарегистрирована по первому вступлению.

3. Вычислить среднюю скорость VСР, м/с распространения прямой волны в сухих песках по годографу прямой волны с использованием формулы 1 (табл. 1): VСР = Х/Δtпр.в..

Внимание! В расчетных формулах значение Х, м (не путать с параметром х, м - расстояние между ПП) представляет собой произвольно (с учетом памятки в разделе V. п. 1) выбираемый на наклонном прямолинейном графике интервал оси ОХ, соответствующий регистрации прямой волны. Тогда под величиной Δtпр.в.., с будет пониматься интервал оси времен,

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

соответствующий приращению годографа прямой волны на выбранном интервале Х, м. Соответственно Х, м в данном случае находиться в интервале регистрации прямой волны, скорость которой нужно рассчитать. В общем случае при прямолинейных формах годографов Х, м может быть кратным значению х , т.е. Х = nΔх, где n – коэффициент.

4. Вычислить граничную скорость Vr , м/с распространения сейсмической волны в обводненных песках поформуле4 (табл. 1): Vr = 2 Х/ΔQ.

Внимание! Вычислительная схема по формуле 4 (табл. 1) аналогична схеме вычислений по формуле 1 (табл. 1). Здесь интервал Х, м выбирается на участке регистрации головной преломленной волны как в прямом, так и встречном годографах и для него уже по разностному годографу соответстующего участка базы приема (т.е. где есть информация о головной волне как на прямом так и встречном годографах) определяется соответствующее приращение ΔQ ,

мс.

5.В каждом ПП вычислить значение Н (х),м по формуле 6(табл. 1) и занести их втабл. 2.

6.Построить схематический геолого-геофизический (сейсмогеологический) разрез:

a.построить график изменения рельефаhинд(х), м вдоль сейсмического профиля.

b.построить преломляющую границу (УГВ) для интервала базы приема где это возможно, откладывая для соответствующих ПП значения глубины Н (х), м УГВ относительно линии рельефа, т.е. Н имеет смысл глубины залегания УГВ относительно линии рельефа.

c.нанести условные обозначения пород,слагающих разрез.

Внимание! Внимательнее относитесь к вычислению значений Н на краевых участках профиля. Помните, что информацию о глубине Н (х), м залегания УГВ и упругих свойствах обводненных породах несет сейсмическая волна распространяющая со скоростью Vr , м/с (скользящая и головная). Поэтому внимательней выбирайте участки профиля, где просматривается нужный тип волны с целью вычисления их скоростей. В случае необходимости для получения значений времен прихода головной волны натех участках профиля, где они ненаблюдаются можно воспользоваться линейной интерполяцией имеющегося годографа нужной волны на эти участки. Полученные интерполированные значения снимаемые с в таком случае с годографов далее можно использовать в вычислительных схемах для Q (х), мс и to (х), для участков базы приема, где головная волна не зарегитрирована и, таким образом, отстроить границу УГВ для всей базы приема.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

VI.Материалы для выдачи данных студентам

Таблица 2

Материалы для построения прямого t1 и встречного t2 годографов головной преломленной волны

Вариант 1

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

VII. Примерный вид отчетных графических материалов

(отвлеченные примеры)

Рис. 3. Общий вид годографов: прямой tпр.в.(х) и встречный t*пр.в.(х) годографы прямой волны, годографы (прямой t1 (x) и встречный t2 (x)) головной преломленной волны, разностный годограф Q (x) и линия to (х) головной волны; Твз. – взаимное время прихода головной преломленной волны

Указать условные обозначения к представляемому рисунку

Рис. 4. Общий вид схематического геолого-геофизического разреза (сейсмогеологический разрез)