книги из ГПНТБ / Невский, М. В. Квазианизотропия скоростей сейсмических волн

глубинном сейсмическом зондировании при изучении анизотропии в верхней мантии Земли [15, 16, 75, 76].

А.К. Урупов [7 ] предложил использовать наблюдения по методу отраженных волн по системе радиально расположенных профилей для изучения анизотропии в горизонтальной плоскости. Зависимость эф­ фективной скорости от азимута, получаемая в результате интерпрета­ ции, характеризует совместное влияние на эффективную скорость как горизонтальной анизотропности, так и неоднородности среды.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО АНИЗОТРОПИИ СКОРОСТЕЙ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В РЕАЛЬНЫХ СРЕДАХ

В настоящем разделе приводится сводка экспериментальных данных по анизотропии скоростей сейсмических волн, изученной в условиях естественного залегания горных пород. Сводка составлена по опубли­ кованным результатам полевых сейсмических экспериментов, выпол­ ненных непосредственно для изучения анизотропии скоростей продоль­ ных и поперечных сейсмических волн. Приводимые данные получены с применением методических приемов, описанных в предыдущем раз­ деле.

Следует отметить, что сведений по анизотропии скоростей упругих волн, изученной в сейсмическом диапазоне частот в условиях естест­ венного залегания, сравнительно немного. Тем не менее представляет­ ся интересным и важным проанализировать имеющиеся эксперименталь­ ные результаты. Рассмотрим вначале данные по анизотропии скоростей продольных сейсмических волн.

Анизотропия скоростей продольных сейсмических волн

Результаты изучения анизотропии скоростей продольных сейсмичес­ ких волн приведены в табл. 1 , где кроме значений скоростей и коэф­ фициентов анизотропии даны сведения о районе эксперимента, литоло­ гии и возрасте изученных толщ, а также о методике работ. Необходимо указать, что мы рассматриваем анизотропию скоростей для осадочных толщ земной коры. Имеющиеся в настоящее время данные по анизотро­ пии скоростей в породах верхней мантии нами не приводятся. Эти сведе­ ния содержатся в работах 115, 16, 75, 76].

Используем данные табл. 1 для обсуждения вопросов о масштабах проявления анизотропии в реальных средах, зависимости коэффициентов анизотропии от глубины и литологии пород, а также для обсуждения возможных причин анизотропии скоростей сейсмических волн в оса­ дочных толщах. Ранее подобные вопросы ставились в работе [8 ]; они касались лишь двух скважин в одном из районов Северной Сахары.

В табл. 1 видно, что около половины имеющихся данных о коэффи­ циентах анизотропии получено с помощью способа скважинного сейсмо­ графа. Следовательно, эти коэффициенты анизотропии являются средними и, как указывалось, содержат информацию как об анизотропности, так и об неоднородности исследованных разрезов. На рис. 1 представлена зави-

20

Т а б л и ц а 1 (продолжение)

Т а б л и ц а 1 (окончание)

Р и с . 1. Зависимость среднего коэффициента анизотропии продольных волн кр от глубины

Р и с . 2. Зависимость пластового коэффициента анизотропии продоль­ ных волн кр от глубины для осадочных пород разного литологического состава

1 - карбонатные породы (известняк и ангидриты, мел); 2 - глинис­ тые отложения, сланцы; 3 - песчаники; 4 - соленосные отложения

симость средних коэффициентов анизотропии /Гр от глубины в соот­ ветствии с табл. 1. Как видим, закономерного изменения кр с глу­ биной не наблюдается. Значения достигают 1,20, а в некоторых слу­ чаях 1 ,3 -1 ,4 .

Значительно больший интерес для представления о масштабах про­ явления анизотропии в реальных средах представляют пластовые коэф­

При этом наиболее чистые данные получены Сегонзаком и Стоепом, применявшими ультразвуковой каротаж для изучения скоростного разреза и учета скоростных неоднородностей при интерпретации.

Зависимость пластовых коэффициентов анизотропии от глубины для осадочных пород разного литологического состава приведена на рис. 2

25

Р и с . 3. Средние и пластовые коэффициенты анизотропии продольных волн в зависимости от величины средней или пластовой скорости Vp

1 - средние коэффициенты анизотропии кр ; пластовые коэффициенты анизотропии Хр- 2 - соленосные отложения; 3 - глинистые отложения, сланцы; 4 - карбонатные толши; 5 - песчаники

по данным табл. 1 , большинство из которых получено для глинистых отложений и сланцев. Коэффициенты анизотропии для этих типов пород достигают 1 ,1 0 -1 ,1 3 . Несколько большие их значения (1 ,1 7 - 1 ,2 0 ) возможны в карбонатных породах (известняки, ангидриты). Но в це­ лом экспериментальные данные не свидетельствуют о закономерной связи между коэффициентом анизотропии и литологическим составом пород. Не наблюдается закономерного изменения пластовых коэффици­ ентов анизотропии с глубиной и для пород приближенно одинакового литологического состава.

Итак, экспериментальные данные свидетельствуют о существенном проявлении анизотропии скоростей продольных сейсмических волн в осадочных толщах. Для обсуждения вопрос^ о возможных причинах ани­ зотропии скоростей продольных волн в осадочных толщах рассмотрим зависимость коэффициентов /Гр и кр от величины средней или пласто­ вой скорости. Эта зависимость, полученная по табл. 1, приведена на рис. 3.

Прежде всего заметим, что скорости продольных волн в осадочных горных породах изменяются приблизительно от нескольких сотен мет­

26

что таким значениям соответствуют гетерогенные толщи, представлен­ ные, например, чередованием прослоев высокоскоростных и низкоско­ ростных пород. Именно в этом случае и наблюдаются достаточно боль­ шие коэффициенты анизотропии, в то время как в высокоскоростных и низкоскоростных, а следовательно, литологически однородных толщах анизотропия отсутствует. Таким образом, на основании анализа экс­ периментальных данных можно предполагать, что наиболее вероятной причиной анизотропии скоростей в осадочных толщах является гетеро­ генность. Гетерогенность проявляется, согласно данным ультразвуково­ го каротажа, в тонкой слоистости - характерном свойстве реальных осадочных сред [78 - 80 ].

Приведенные соображения, естественно, являются лишь предположи­ тельными. Ни в одной из работ по изучению анизотропии скоростей сейсмических волн не ставилась задача сопоставления скоростных раз­ резов по УЗК с соответствующими значениями пластовых коэффициен­ тов анизотропии. Поэтому прямые экспериментальные доказательства связи анизотропии скоростей с тонкой слоистостью в сейсмической практике отсутствуют.

Анизотропия скоростей поперечных сейсмических волн

К настоящему времени имеются лишь единичные опубликованные результаты по изучению анизотропии скоростей поперечных сейсмичес­ ких волн. В табл. 2 приводятся данные, полученные при сейсмораз­ ведочных работах с применением специальных способов возбуждения поперечных колебаний. Как видим, анизотропия скоростей может весь­ ма сильно проявляться для поперечных волн. Коэффициенты анизотро­

волн SV.

Данные по анизотропии поперечных волн интересно сопоставить с соответствующими значениями коэффициентов анизотропии продольных

по этим данным, встречающееся в сейсмической литературе мнение о том, что коэффициенты анизотропии поперечных SH волн всегда боль­ ше коэффициентов анизотропии продольных волн [56], экспериментом не подтверждается. Оно справедливо лишь для максимальных извест­ ных значений коэффициентов анизотропии поперечных и продольных волн. Так, если максимальные значения коэффициента анизотропии Р

27

Т а б л и ц а 2

Данные по анизотропии скоростей поперечных сейсмических волн в условиях естественного залегания горных пород ( V, и - скорости вдоль и вкрест слоистости)

Глава в т о р а я

СКОРОСТИ УПРУГИХ волн В ПЕРИОДИЧЕСКИХ ТОНКОСЛОИСТЫХ МОДЕЛЯХ ПОПЕРЕЧНО-ИЗОТРОПНЫХ СРЕД

Настоящая глава посвящена детальному анализу скоростей распро­ странения упругих волн в периодических моделях тонкослоистых сред. Несмотря на то что теоретический подход к описанию кинематики упру­ гих волн в квазианизотропных средах в основном разработан в работах Ю.В. Ризниченко, Постма и других исследователей, применение теории сейсмической квазианизотропии к конкретным сейсморазведочным за­ дачам требует дальнейших теоретических исследований и расчетов.

Нами рассмотрены вопросы о пределах применимости теории сейсми­ ческой квазианизотропии, вопросы аппроксимации индикатрис скоростей в квазианизотропной среде, введены эффективные упругие параметры тонкослоистой среды, более удобные для целей сейсморазведки, а так­ же детально проанализирован характер изменения скоростей продоль­ ных и поперечных волн в тонкослоистых средах. На основе анализа скоростей сейсмических волн в указанных моделях выделены типы ани­ зотропии скоростей в реальных тонкослоистых средах. Рассмотрены также факторы, усложняющие явление квазианизотропии скоростей, а именно: влияние анизотропности тонких прослоев и влияние отклонения структуры среды от строго периодической.

1. ПРЕДЕЛЫ ПРИМЕНИМОСТИ ТЕОРИИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ КВАЗИАНИЗОТРОПИИ

Согласно работам Ю.В. Ризниченко, Постма и Бейкуса [1, 3 ,2 7 ], тонкослоистые среды ведут себя в отношении скоростей распростране­ ния длинных упругих волн как среды поперечно-изотропные, или квазианиэотропные, по терминологии Ю.В. Ризниченко. Формулы для скорос­ тей распространения упругих волн в тонкослоистых средах были выве­ дены в указанных работах при предположении, что мощности отдельных чередующихся прослоев h- много меньше преобладающей длины вол­ ны А, т.е. h- « А . Для выяснения вопроса о применимости теории сейсмической квазианизотропии к реальным средам представляется важным получить количественные оценки условия тонкой слоистости. Иными словами, следует прежде всего оценить точность формул для скоростей длинных упругих волн в тонкослоистой среде в зависимости от соотношения мощностей прослоев и длины волны.

С этой целью воспользуемся результатами работы С.М. Рытова [2 ], рассмотревшего задачу о распространении упругих волн в среде,

29

состоящей из двух однородных чередующихся прослоев мощностями

и h2, плотностями р ^ и р2 и упругими постоянными Л2, 'р2*

С.М. Рытовым получены дисперсионные уравнения для скоростей про­ дольных и поперечных волн в направлениях, перпендикулярном и парал­ лельном слоистости, при произвольном соотношениимощностей прослое» и длины волны Л.

Используя эти уравнения, можно оценить точность формул для ско­

применимости теории сейсмической квазианизотропии.

Для случая продольных волн, распространяющихся в направлении,

Из последнего уравнения после некоторых преобразований выводит­ ся известная формула для скоростей длинных продольных волн в тонкск

30