Сейсморазвелка

Общие сведения. Сейсморазведка – это геофизический метод изучения геологических объектов с помощью упругих волн. Он основан на том, что скорость распространения упругих волн зависит от типа пород, их литологического и петрологического состава, пористости, трещиноватости, кавернозности, газо- и водонасыщенности, напряженного состояния и возраста горных пород (Рис.., стр.135). При изучении распространении упругих волн толщу пород можно расчленить на части, отличающиеся друг от друга по их скоростям распространения. Выделенные части могут соответствовать разным типам горных пород, геологических тел или указывать на изменение состава пород одного и того же типа в плане и на глубину. Для разных пород отношение скоростей продольных и поперечных волн изменяется следующим образом. Для высокопористых газонасыщенных пород, таких как известняки, песчаники и кварцсодержащие породы эти соотношения составляют 1.3 – 1.6. Для сильно сцементированных осадочных, водонефтенасыщенных, магматических и метаморфических пород эти величины составляют 1.5 – 2.0. Для рыхлых плохо сцементированных пород они резко возрастают и достигают 2.0 – 3.0.

Изучение распределения скорости в сейсморазведке проводят путем возбуждения упругих волн в ряде пунктов изучаемой площади и измерения времени пробега волн от пункта возбуждения до пункта наблюдения. Источник упругих волн (в дальнейшем источник) и пункты наблюдения могут располагаться на дневной поверхности, вблизи ее - в скважинах или горных выработках. Наиболее мощными источниками упругих волн являются тектонические движения земной коры. Изучением Земли методом изучения возникающих при землетрясении волн занимается наука сейсмология. Практическим применением достижений сейсмологии является сейсморазведка.

Предметом сейсмологических исследований является волновая природа упругих колебаний земной коры. Объектом исследований являются толщи пород, мощность которых измеряется от нескольких десятков метров до десятков километров. Волны, возбуждаемые источником на земной поверхности, распространяются по всей толще пород и возвращаются к земной поверхности за счет одного из четырех эффектов – отражения, преломления, рефракции и дифракции упругих волн. В сейсморазведке используют отраженные, преломленные, рефрагированные и дифрагированные волны.

Основной измеряемой величиной в сейсморазведке является время пробега волны от источника до приемника наблюдений. Зная это время и расстояние между источником и каждой точкой наблюдения, можно найти зависимость времени прохода волны от расстояния, установить, за счет какого эффекта образовалась наблюдаемая волна и как изменяется скорость волны в той толще, которую она прошла.

Измерительная установка включает источник упругих волн, набор сейсмоприемников колебаний Земли, регистрирующее устройство и прибор для точного отсчета времени от момента возбуждения волны. Пункты наблюдения и пункты возбуждения располагаются на одной прямой, называемой линией профиля.

После возбуждения и регистрации волн всю измерительную установку перемещают на некоторое расстояние. Таким способом обеспечивают непрерывное и надежное изучение распределения скорости в исследуемой толще.

Колебание грунтов в точке установки приемного устройства или волны выделяют на фоне колебания поверхности, вызванными иными причинами: микроземлетрясениями, ветром, раскачкой деревьев, кустарников, трав, волновым прибоем, работой механизмов и транспорта. Уровень таких естественных помех устанавливает предел глубинности сейсмических исследований. Им является величина от поверхности Земли, соответствующая глубине затухания естественных и техногенных малоамплитудных колебаний.

Исследование геологических объектов сейсмическими методами наиболее просто при наличии неоднородностей замкнутой или неправильной формы. По этой причине сейсморазведка успешно решает задачи, связанные с обнаружением границ между литологически или петрологически различными породами. В каждом из выделенных слоев определяют скорость распространения волн. При прослеживании ее изменений можно установить характер литогого-фациальной или петролого-фациальной изменчивости пород, степень из сохранности или тип заполняющего поры флюида. Малоамплитудные поднятия, выклинивания, тектонические нарушения, древние речные долины, лагуны, карстовые полости, соляные купола, характер складчатости и многие другие структурные неоднородности выявляются по данным сейсморазведки. Именно это обстоятельство обусловило ведущую роль сейсморазведки при поисках нефти и газа.

Сейсмические методы решают также успешно и некоторые инженерно-геологические задачи: 1.определения мощности рыхлых пород, перекрывающих скальные основания, 2.степень эродированности скальных оснований, 3. закарстованность погребенных толщ, 4. наличие погребенных долин древних рек, 5. положение уровня грунтовых вод, 6. ослабленные зоны, где можно ожидать оползневую деятельность. Эти задачи возникают при строительстве промышленных объектов, мостов, дорог, проектировании вскрышных работ, при прогнозировании изменения геологической среды под влиянием техногенных воздействий.

Методика сейсморазведки заключается в организации совокупности приемов, обеспечивающих оптимальные условия для реализации возможностей того или иного метода. Расположение источника возбуждения упругих волн относительно приемника и способы перемещения его и пункта возбуждения на поверхности наблюдений определяются системой наблюдений

В наземной и морской сейсморазведке информацию о распределении скорости в изучаемой среде можно получить только путем изучения зависимости времени прихода волн от расстояния между источником и находящимся на поверхности приемником. График зависимости времени прохода волны от расстояния «источник-приемник» называется годографом отраженной или приломленной волны для соответствующей отражающей или преломляющей границы. Возможности, которые открываются при наблюдениях на земной поверхности, выявляются при решении прямых кинематических задач соответствующих методов. Рассмотрим лишь некоторые наиболее используемые из них: методы отраженных и приломленных волн.

В методе отраженных волн основную информацию получают из годографа отраженных волн. Получение его возможно только тогда, когда на сейсмограмме надежно выделяются волны, отраженные от соответствующей границы. Для этого необходимы следующие условия:

1. интенсивность источника должна быть такой, чтобы отраженные от всех интересующих границ волны значительно превышали уровень естественных помех.

2. Расстояние между приемниками не должны превышать величину, при которой можно распознать волны, отраженные от одной и той же границы.

3. Длина приемной расстановки (длина годографов) должна позволять уверенно определять эффективную скорость.

4. Шаг наблюдений или расстояние, на которое смещают всю измерительную установку вдоль профиля, должен обеспечивать непрерывность прослеживания целевых горизонтов на всей изучаемой площади.

5. Соблюдение всех условий, предъявляемых к сейсмическим данным, в процессе их обработки.

Особенно востребованным в морских исследованиях рыхлых или слаболитифицированных толщ океаническогодна метод общей глубинной точки (ОГТ). Он заключается в следующем. В каждой точке наьлюдения на профиле необходимо получить несколько записей при систематическом разносе приемника и источника относительно этой точки. Число таких позиций определяет кратность перекрытия и эффективность дальнейшей обработки полученных сейсмических данных. Наблюдения ведцт следующим образом. Точки наблюдения располагают по линейному профилю с определенным шагом размерности, равным шагу приемной установки. При каждой позиции приемной расстоновки пункт возбуждения располагают в одной из точек профиля около первого приемника – фланговая расстоновка без выноса или на расстоянии кратному шагу наблюдения,- фланговая расстоновка с выносом. После возбуждения сигнала и регистрации упругих волн всю расстоновку «источник-приемник» перемещают на один шаг вдоль профиля. Таким образом, источник и приемник последовательно располагаются на всех точках наблюдения вдоль профиля. В каждой точки наблюдений измерительной установки в свое время окажится и источник.

При проведении работ по методу преломленных волн используют системы наблюдений, обеспечивающие надежное распознавание волн и их прослеживание по всей исследуемой площади. Это достигается при наблюдениях по системе встречных или нагоняющих годографов (длины приемных установок). При получении встречных годографов в каждой позиции приемной установки возбуждение проводят с правого и левого флангов. Затем всю измерительную установку перемещают по профилю с некоторым шагом. При получении нагоняющих годографов возбуждение проводят только с одного фланга. После этого измерительную установку перемещают вдоль профиля. В этом заключается решение прямой кинематической задачи (Рис.).

Замечательной особенностью метода примломленных волн является возможность наблюдать раньше всех других волн при условии залегания слоистой толщи на полупространстве или однородном слое большой мощности. Это свойство преломленных волн широко используется при решении инженерно-геологических и гидрогеологических задач, когда необходимо найти положение границы раздела рыхлых и консолидированных отложений, а также сухих и водонасыщенных.

Обработка и интерпретация данных сейсмических наблюдений. Под обработкой сейсмических данных понимают совокупность операций, проводимых в определенной последовательности по каждой сейсмотрассе или группы сейсмотрасс. Целью этой манипуляции служит максимальное подавление регулярных и нерегулярных помех и наиболее полного выявления кинематических и динамических характеристик изучаемых волн.

В процессе сейсмической интерпретации из множества зарегистрированных на сейсмограммах волн выделяют однократные отраженные или преломленные (рефрагированные) волны. По кинематике и динамике этих волн изучают распределение скорости и некоторых упругих параметров в толще пород как по глубине, так и в плане.

В процессе геологической интерпретации результаты сейсмической интерпретации получают геологическое истолкование. Обычно их сопоставляют с данными бурения, геологического картирования, с тектоническими условиями района исследования. Выделенные по различию в скоростях распространения упругих волн интервалы внутри исследуемой толщи отождествляют с породами того или иного состава и возраста. С теми или иными изменениями в свойствах пород одного состава или возраста.

В настоящее время сейсмические материалы обрабатываются с использованием компьютерных технологий поэтому собственно обработка и сейсмическая интерпретация тесно переплетаются. Разделение этих этапов исследований теряет всякий смысл.

Положение отражающих и преломляющих границ и распределение скоростей тех или иных волн в изучаемой толще по сейсмическим данным изучают путем решения обратной кинематической задачи сейсморазведки. Решение ее возможно лишь в рамках некотороых априорных предположений относительно свойств и состава исследуемой среды. Система таких предположений включает в себя эмпирические данные и известные физические закономерности, которые контролируют образование отложений и формирование их свойств. Такую систему знаний о них используют при создании сейсмологических моделей среды. В такой модели вместо реальных геологических отложений присутствуют среды, описываемые только набором упругих параметров и законом их изменения в пространстве модели как по глубине, так и в плане. Более подробно о сейсмических методах разведки земных недр можно узнать в монографиях Гурвича И.И., Боганик Г.И. Сейсмическая разведка. М., Недра, 1980 и учебника В.К.Хмелевского геофизические методы исследования. М., Недра, 1988.