У кристаллических пород

На различных стадиях эпигенетических преобразований более значительные изменения _р происходят у терригенных пород (рис. 80).

Рис. 80. Тенденция изменения скорости распространения упругих волн в

Осадочных терригенных породах, в зависимости от стадий их преобразования

Графическое изображение полей сейсмических возмущений

При сейсморазведочных работах определяют времена t_i прихода волны в точки х_i дневной поверхности, определяемые как расстояние между пунктами возбуждения и приема. Зависимость t от х носит название годографа. Построение таких графиков для известных моделей геологической среды составляет прямую задачу сейсмической разведки, а процесс сравнения (подбора) годографов, построенных по наблюденным значениям, с таковыми для модельных сред – суть решения обратной задачи сейсморазведки.

Для поверхностной (прямой) волны годограф состоит из двух отрезков прямых линий, проходящих через начало координат, точку 0 (рис.81-а). Уравнение годографа будет иметь вид:

_к=∆х/∆t (67),

где _к – кажущаяся скорость.

Рис. 81. Годографы прямой (а), отраженной (б) и преломленной (в) волн

Для отраженных волн годограф представляет собой совмещенные на отметке взрыва (координата 0 на оси расстояний) две ветви гипербол, характеризующих зависимости времён пробега волн от точки возбуждения упругих колебаний (пункт взрыва-ПВ) до точек расположения сейсмоприёмников (пункты приёма-ПП), если они размещёны по обе стороны от ПВ (рис. 81-б). Формула годографа:

_к = √2m*(∆U/∆t) (68),

где U=t₂²-t₁²

Для преломленных волн, как и для поверхностных, годографы являются линейными графиками. Они не пересекаются с осью t, так как образуются на определенном удалении от источника (рис. 81-в).

ТЕМА: Технология проведения сейсморазведочных работ. Автоматизированная (цифровая) обработка данных. Применение сейсморазведки при решении структурных задач.

Основные методы сейсморазведки

В сейсморазведке из полезных волн в основном используют отраженные и преломленные, и, в соответствии с этим, методы, основанные на их регистрации, получили название МОВ - метод отраженных волн и МПВ - метод преломленных (головных) волн.

Для эффективного использования МОВ подбирают мощность источника таким образом, чтобы упругие колебания, то есть сейсмические волны имели достаточную амплитуду. В таких случаях на фоне многократно отраженных волн создаются условия для преимущественного выделения однократных.

Впрактике полевых работ распространение получил способ, получивший названиеОГТ - общей глубинной точки (центр между ПВ и ПП). При этом появляется возможность «привязывать» наблюдения на отражающей горизонтальной границе к каждой конкретной её точке (рис. 82-а) или к площадке, образуемой вместо точки по восстанию отражающей наклонной границы (рис. 82-б).

Рис. 82. Схемы размещения ПВ и ПП в методе ОГТ

Замечательная особенность ОГТ в создании перекрытий. Суть в том, что всю линию источник-приемник последовательно «сдвигают» (перемещают) по профилю с заданным шагом (рис. 83). При этом не охватываются только первые и последние расстановки сейсмоприемников. Преимущества технологии очевидны: осуществляется накапливание и суммирование сигналов и появляется возможность фильтровать полезные сигналы (однократные волны) на фоне волн помех.

Рис. 83. Система наблюдений ОГТ способом перекрытий

Методика работ МПВ учитывает факт возникновения преломленных волн на определенном удалении от источника (см. рис. 81). Расстояние х между источником и первым сейсмоприемником оценивают по формуле:

х ≥ h_о·tgi (69),

где i - критический угол, h_о –толщина слоев до отражающе-преломляющей границы (кратчайшее эхо-расстояние).

Величина х может составлять от первых до нескольких десятков и даже сотен метров, в зависимости от глубины залегания преломляющей границы раздела.

При работах МПВ различают расстановку сейсмоприемников с расположением пунктов возбуждения на двух или одном флангах. По результатам наблюдений в первом случае строятся встречные, а во втором нагоняющие годографы.

Система встречных годографов за счет их увязки во взаимных точках, соответствующих пунктам возбуждения 0₁ и 0₂, позволяет уверенно распознавать волны от преломляющих границ и их прослеживание по площади (рис. 84-а).

Система нагоняющих годографов, построенных по данным возбуждений в двух односторонних пунктах, дает возможность проследить непрерывность преломляющей границы по признаку параллельного смещения годографов на величину ∆t (рис. 84-б).

Рис. 84. Системы встречных (а) и нагоняющих (б) годографов преломленных волн

Аппаратура и технология сейсморазведочных работ

Элементарный сейсморазведочный модуль состоит из источника упругих колебаний и их регистратора (приемника). Однако, для выделения полезных волн, возникает необходимость использования систем накапливания и суммирования сигналов. Предусматриваются разнообразные способы группирования и расстановки сейсмоприемников. С последних сигналы передаются на усилители и далее регистрируются в цифровом виде. Предусматривается визуализация результатов на экране дисплея. Функциональная схема сейсморегистрирующего канала приведена на рис. 85.

Рис. 65. Функциональнаясхема

сейсморазведочного канала

СП – сейсмоприемник, У – усилитель,

Ф – фильтр, АЦП – аналогово-цифровой

преобразователь, Э.Р. – электронный регистратор

Совокупность усилительных каскадов и регистрирующих устройств составляют сейсморазведочную станцию (рис. 86).

Рис. 86. Типовая блок-схема цифровой сейсмостанции

Электрические сигналы от сейсмоприемников поступают на входы сейсмических усилителей и далее через коммутирующее устройство на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Кодирование сигналов начинается лишь с момента поступления сигнала синхронизации с усилителя-формирователя импульса запуска, на вход которого подключается сейсмоприемник, устанавливаемый на землю рядом с пунктом возбуждения.

Технологии сейсморазведочных работ объединяют операции подготовки и производства наблюдений. Это изучение геолого-геофизических условий, оценка местности, разбивка профилей, выбор аппаратуры и технических средств, топографическая привязка, составление и оперативная корректировка последовательности работ и.т.д. Технологии существенно отличаются при проведении сейсморазведки на суше, акваториях, в скважинах и горных выработках. Основные отличия заключаются как в специфике самих работ, так и в применяемых аппаратурных модулях и технических средствах. Используются различные сейсмостанции, сейсмические косы (многожильные сейсмические кабели) и присоединяемые к ним сейсмоприемники, буровые станки, передвижные пункты взрыва, установки невзрывного возбуждения, вспомогательный транспорт и.т.д. Пример производства сейсморазведочных работ для решения инженерно-геологических и экологических задач приведен на рисунке 87.

Рис. 87. Процесс производства сейсморазведочных работ

В морской сейсморазведке применяют специально оснащенные плавсредства (суда), на которых устанавливаются сейсмостанция, оборудование для буксирования источников и приемных устройств (кос), навигационная аппаратура и др. Сейсмические косы являются цифровыми (стримеры) и делятся на плавающие и донные (при работах на мелководье и малых водоемах). Сейсмическими источниками служат группы пневмо- и (или) электроискровых (спаркеры) излучателей. Все это, как и в наземной сейсморазведке, предопределяет различные системы наблюдений методами МПВ и МОВ. Сейсморазведка 2D выполняется, как правило, в виде продольного многократного профилирования с одной косой, а сейсморазведка 3D реализуется с помощью буксируемой базы наблюдений (один источник и несколько параллельных кос).

Скважинная сейсморазведка в основном состоит из сейсмокаротажа (определение средних и пластовых скоростей распространения упругих волн) и вертикального сейсмического профилирования – ВСП (изучение волновой картины в стратиграфическом разрезе). Исследования выполняются в глубоких буровых скважинах по схеме скважина-поверхность (рис. 88). Для выполнения работ требуется термостойкая скважинная сейсморегистрирующая аппаратура, устанавливаемая на спецавтомобиле, на котором помимо цифровой сейсмостанции находится лебедка с многожильным каротажным кабелем.

Рис. 88. Схема наблюдений методом ВСП

Интерпретация сейсморазведочных данных

Процесс интерпретации многоуровневый и, как для других геофизических разделов, включает на два этапа: 1) собственно сейсмическая интерпретация (интерпретация сейсмотрасс), 2) геологическая интерпретация, то есть решение обратной задачи сейсморазведки.

Сейсмическая интерпретация состоит из визуального воспроизведения записей (на бумажном носителе или на экране дисплея) с их последующим нормированием (выравниванием) и фильтрацией в различных частотных диапазонах по сейсмотрассе. Правильность ввода данных и качество первичного (полевого) материала оценивается при анализе волновой картины (рис. 89). Для этого все введенные данные визуализируются на дисплее ЭВМ (повальный вывод) в том порядке, в каком они были получены в поле, то есть в сортировке ОПВ без применения процедур обработки.

Рис. 89. Сейсмограмма ОПВ при расположении ПВ между ПК-44 и ПК-45

Волновая картина, вид которой приведен на рисунке 89, - это сводная сейсмограмма отображения волнового поля конкретного источника (в данном случае взрыв тротилового заряда 0,5 кг в скважине на глубине 10 м). Картина отображает характер регистрации волн на сейсмограммах, их динамические и кинематические параметры, области прослеживаемости на профиле, регулярные и нерегулярные помехи.

Основная задача сейсмической интерпретации - выделить однократные волны, которые несут полезную информацию на фоне многократных волн-помех. Далее производится сопоставление отфильтрованных сейсмотрасс, то есть их корреляция (рис. 90). При этом следует отметить, что в процессе фильтрации однократных волн от маркирующих горизонтов, последние уверенно выделяются лишь в тех случаях, когда толщина слоев сопоставима с длиной волны. В противном же случае фиксируются отражения от неких промежуточных горизонтов, так как тонкие слои являются «прозрачными».

Рис. 90. Корреляция сейсмотрасс отфильтрованных однократных волн

I – IV – сейсмотрассы, А,Б,В – пакеты однократных волн маркирующих горизонтов

Последующий процесс многоуровневой интерпретации сейсмических записей сводится к анализу годографов, то есть по сейсмотрассам в каждой точке приёма анализируются годографы, и, таким образом, прослеживается непрерывность той или иной границы. Обязателен учет влияния ЗМС, который позволяет привести сейсмотрассы к некой условной границе (рис.91).

Рис. 91. Влияние ЗМС на кинематику отраженных волн (а) и пример приведения годографа, построенного по экспериментальным данным, к исправленным значениям (б)

1,2 - годографы, построенные по экспериментальным (1) и исправленным значениям (2)

Конечным результатом сейсмической интерпретации является восстановление волновой картины. Выполняется монтаж сейсмотрасс, который дает качественную картину о строении геологического разреза исследуемого участка земной коры. Этот монтаж сейсмотрасс носит название временного разреза (рис. 92).

Рис. 92. Временной сейсмический и соответствующий ему геологический разрезы на участке распространения пластовых льдов (Ямал, газоконденсатное месторождение)

Поверхностные условия – маломощный СТС, ниже промежуточный мерзлый слой

Следует отметить, что временный разрез не позволяет оценить глубины залегания тех или иных пластов. Поэтому производится перевод временного разреза в глубинный, на котором расстояния между точками наблюдения и отражающей границей соответствуют толщине по вертикали. Перевод временного разреза в глубинный требует машинной обработки. Используется формула:

F_o(t)*t = Ф_о(t) (70),

где Ф_о(t) – функция глубинного разреза F_o – функция сейсмотрасс однократных волн.

При построении глубинных разрезов обязателен учет априорных данных, к которым относятся в первую очередь результаты бурения и других геофизических методов. Пример сопоставления временного и глубинного разрезов приведен на рисунке 93.

Рис. 93. Временной (А) и глубинный (Б) разрезы ОГТ на оползневом участке

1 – кровля карбонатных отложений, 2 – поверхность смещения, 3 – кровля глин, 4 – дифракционная волна

Геологическая интерпретация заключается в переводе сейсмогеологического разреза в геологический. Предусматривается определение количественных показателей стратиграфического разреза, то есть глубины залегания стратиграфических слоев, изменения их мощности (толщины) и строения. Обязательно определение скорости распространения упругих волн для каждого интервала между отражающими границами, сопоставление данных с бурением, электроразведкой и гравиразведкой.

Временные и глубинные разрезы строятся с помощью специальных компьютерных программ. Поэтому современные технологии сейсморазведки предусматривают регистрацию сейсмических данных в специальных форматах, чтобы обрабатывающие системы прежде всего могли автоматически распознавать и считывать первичную информацию, относящуюся к «описанию» всех необходимых для сейсмических трасс данных (дата, участок, профиль, регистрирующие параметры и.т.д.).

Принято представлять системы наблюдений на обобщённой плоскости, где положения ПВ и ПП для каждого отдельного наблюдения отображаются вполне однозначно (рис. 94).

Рис. 94. Изображение системы наблюдений на обобщенной плоскости: ПП – пункты приема (совмещенные с пунктами возбуждения – ПВ), ОПП – линии общего пункта приема, ОПВ – линии общего пункта возбуждения, ОСТ – линии общей средней (глубинной) точки

Для того, чтобы показать, на каком интервале профиля расположены ПП (интервал наблюдений) при возбуждении на каком-либо определённом ПВ, на вспомогательной линии, исходящей от этого ПВ под углом 45⁰, зачерняют тот интервал, на который проецируется линиями под углом -45⁰ интервал расположения ПП. Следовательно, изображение на обобщённой плоскости не только однозначно определяет положение ПВ и ПП на профиле, но в случае многократных перекрытий позволяет легко формировать сейсмограммы общего пункта возбуждения (ОПВ), общего пункта приёма (ОПП), общих удалений (ОУ), общей глубинной (ОГТ) или средней (ОСТ) точки.

Как правило, компьютерные программы обработки сейсморазведочных данных включают операции обработки результатов и МПВ и МОВ.

Процесс обработки данных сейсморазведки МПВ предусматривает: 1) чтение, визуализацию и фильтрацию сейсмограмм, 2) редактирование трасс и ввод поправок, 3) корреляцию первых вступлений волн, 3) построение и редактирование годографов, 4) определение сейсмических скоростей и построение преломляющих границ. Обработка производится в интерактивном (диалоговом) режиме и при возникновении каких-либо невязок или сомнений возможен возврат на несколько шагов назад.

Граф обработки (последовательность процедур) МОВ-ОГТ содержит определенную последовательность обязательных процедур, состоящих из: 1) ввода полевых данных и присвоения им геометрии, 2) сортировки трасс по общим точкам (ОТВ) или пунктам (ОПВ) возбуждения и их накопление, 3) то же по ОГТ с вводом априорных кинематических поправок, частотной и пространственной фильтрацией и последующим суммированием этих трасс (трасс ОГТ). Примеры выполнения основных процедур обработки в системе RadExPro приведены на рисунках 95 и 96. Рисунок 95 иллюстрирует возможности существенного улучшения отношения сигнал/помеха посредством полосовой частотной фильтрации.

Рис. 95. Сейсмограмма ОГТ и частотные спектры сигнала (A) и помехи (B)

Это достигается при работе в интерактивном режиме путём проб и ошибок, каждый раз визуально анализируя результаты работы фильтра. Но можно процесс сделать гораздо более целенаправленным и быстрым, предварительно проанализировав частотные спектры сигнала и помехи в исходных сейсмограммах, или даже в суммарном разрезе. Так, сравнение спектров для сигнала (рис. 95-А) и помехи (рис. 95-Б), показывает, что спектр сигнала сосредоточен в основном в диапазоне частот 25-60 Гц, в то время как спектр помехи в основном низкочастотный. Исходя из этого, можно ожидать, что применение частотного фильтра с полосой пропускания, подобной спектру сигнала, даст существенное улучшение отношения сигнал/помеха.

На рисунке 96 приведен пример достижения выигрыша в отношении сигнал/помеха посредством применения пространственной фильтрации, использующей горизонтальную коррелированность сигнала.

Рис. 96. Временной разрез ОГТ после применения полосовой частотной и пространственной фильтрации

В таких случаях одним из исходных условий применения метода ОГТ является предположение о плоскости границ и их незначительном наклоне в пределах общей отражающей площадки. Логично выполнение этого условия и в более широких пределах – для нескольких соседних ОГТ. Тогда сигналы, отраженные от этих точек, также можно суммировать с целью еще большего усиления на фоне нерегулярных помех. Фильтр рекомендуется применять в самом конце обработки для улучшения прослеживаемости границ на суммарном временном разрезе ОГТ.

Применение сейсморазведки при решении геологических задач

В наибольших объемах сейсморазведка применяется для изучения структурных форм геологических разрезов. Особое внимание уделяется геологическим структурам и зонам, где можно предполагать наличие нефти и газа. При этом, ввиду высокой стоимости сейсморазведочных работ, принято их планировать для решения только таких задач, которые не могут быть решены другими методами.

При изучении глубинных геологических структур, перспективных на нефть и газ, основное значение имеет МОВ-ОГТ. Наиболее эффективны эти технологии на акваториях, где бурение скважин обходится очень дорого, а качество сейсмических данных значительно лучше, чем на суше.

Применение сейсморазведки помимо структурной и нефтегазовой геологии эффективно в рудной и угольной геологии. С помощью как МПВ, так и МОВ удается регистрировать волны, возникающие в ослабленных зонах, связанных с тектоническими нарушениями. Последние важны для изучения в рудной геологии в связи с приуроченностью к тектоническим зонам рудных скоплений, а, в угольной геологии опережающий прогноз тектонических разрывов, особенно малоамплитудных, необходим при проектировании строительства и в процессе эксплуатации шахт и карьеров, поскольку непредвиденная встреча тектонических нарушений резко снижает эффективность добычи углей.

В инженерной геологии и гидрогеологии сейсморазведкой изучают особенности строения верхней части разреза, в связи с чем наблюдают преимущественно проходящие и преломленные волны, реже – отраженные. С поиощью МПВ решаются задачи отбивки границ между покровными и коренными отложениями, определения уровня грунтовых вод, оценки карстово-суффузионной опасности, строения дна водоемов и т.д.

• Проектное задание раздела 2-Б.

1) Дать характеристику сейсмоволнового поля. Описать свойства идеально упругой среды. Что выражает закон Гука.

2) Представить схематическое изображение типов волн, используемых в сейсморазведке.

3) Сформулировать основные принципы геометрической сейсмики и указать их ограничение.

4) Охарактеризовать построение и анализ годографов отраженных и преломленных волн. Объяснить какую роль они играют при анализе полевых сейсморазведочных материалов.

5) Объяснить почему основным видом регистрации сейсмических колебаний является цифровая запись и какие последовательные преобразования сейсмического колебания происходят в цифровом сейсморегистрирующем канале.

6) Назвать основные блоки цифровой сейсмической станции и пояснить их назначение, а также процесс производства записи сигналов в сейсмических регистраторах.

7) Объяснить в чем особенность возбуждения поперечных волн и какими принципами руководствуются при выборе оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний.

8) Раскрыть сущность метода общей глубинной точки (ОГТ) и объяснить как определяется степень подавления многократных отраженных волн при работе этим методом.

9) Дать определение временного разреза. Объяснить принципы его построения и какие дополнительные данные необходимо ввести для преобразования временного разреза в глубинный.

10) Назвать основные методы сейсмических исследований в скважинах и объяснить для решения каких разведочных задач каждый из них применяется.

11) Объяснить при решении каких геологических задач применяются сейсморазведочные методы.

12) Составить реферат о нормативных требованиях техники безопасности при производстве сейсморазведочных работ.

• Тесты рубежного контроля раздела 2-Б.

1.

Вопрос: Какая среда называется идеально упругой?

Ответ: Геологическая среда, в которой распространяются упругие волны. Природные среды, которые после воздействия деформаций полностью восстанавливают свою первоначальную форму. Геологические образования, где происходят некоторые изменения их объема и формы. Массивы горных пород с необратимыми изменениями первоначальной структуры.

2.

Вопрос: При каких условиях геологическая граница является одновременно отражающей и преломляющей?

Ответ: При условии контакта пород, характеризующихся различной скоростью распространения упругих волн. В геологических разрезах со стратиграфическим несогласием различных возрастных комплексов. При условии, что породы нижележащих слоев имеют большую скорость распространения упругих волн, чем вышележащие. При условии наличия в геологических разрезах разрывных тектонических нарушений.

3.

Вопрос: Из каких основных блоков состоит сейсморазведочная станция?

Ответ: Из блоков регистрации, кодирования и воспроизведения сейсмоволновых пакетов. Из системы идентичных блоков сейсморегистрирующих каналов (по числу сейсмоприемников), включающих сейсмические усилители с частотными фильтрами и аналого-цифровые преобразователи - АЦП, а также блока формирователя импульса запуска, блока контроллера и блока ЭВМ (полевого компьютера). Из сейсмоприемников, сейсмической косы и компьютера.

4.

Вопрос: Что собой представляет скважинная сейсморазведка?

Ответ: Изучение геологического разреза по системе поверхность-скважина при возбуждении упругих волн на удалении от скважины и регистрации упругих волн в ее стволе. Изучение разрезов скважин методом акустического каротажа. Это сейсморазведка, когда возбуждение упругих волн осуществляется в скважинах.

5.

Вопрос: Чем временной разрез отличается от глубинного?

Ответ: По разным масштабам построения. По более детальной конфигурации фазокорреляционных линий. По вертикальным шкалам напряжений: у первого по оси ординат время, а у второго глубина геологических границ. По условиям регистрации различных типов волн.

• Критерии оценки раздела 2-Б.

Контрольная работа.

• Литература к разделу 2-Б.

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 109-162.

2. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. Учебник. – М.: Недра, 1989. – С. 224-386, 432-513.

3. Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сейсморазведка: Учебник для вузов. Тверь: Изд-во АИС, 2006. 744 с.

Дополнительная:

1. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 137-201.

2. Федынский В.В. Разведочная геофизика. Учебное пособие. – М.: Недра, 1967. – С. 401-435.

3. Гурвич И.И. Сейсморазведка. Учебник. – М.: Недра, 1975. С. 26-56, 105-141, 144-398.

4. Сейсморазведка: Справочник геофизика; Под ред. В.П.Номоконова. М.: Недра. 1990. Кн.1. 336 с., Кн.2. 400 с.