Сейсмическая разведка (сейсморазведка) включает в себя комплекс методов исследования геологического строения земной коры, основанных на изучении особенностей распространения в ней искусственно возбужденных упругих волн. Вызванные взрывом или другим способом ( ударом, вибрацией) упругие волны распространяются во все стороны от источника колебаний, проникают в толщу земной коры на большие глубины. В процессе распространения в земной коре упругие волны претерпевают процесс отражения и преломления. Часть сейсмической энергии возвращается к поверхности Земли, где вызывает слабые колебания. Эти колебания регистрируются специальной аппаратурой.
Схематическое представление процесса проведения сейсмических исследований 1 – скважина с источником возбуждения упругих колебаний, 2 – буровые установки, 3 – взрывная установка, 4 – сейсмические приемники, подключенные к сейсмическим косам, 5 – установка с регистрирующей сигналы аппрарурой, 6 – схематический разрез горных пород
Сейсмоприемники предназначены для преобразования механических колебаний почвы в электрический сигнал.
Набор нескольких сейсмических трасс, принято называть сейсмограммой. Именно сейсмограммы обычно являются исходными данными для обработки. Данные, записанные от одного «взрыва» (одна детонация взрывного или невзрывного источника энергии) на одну точку приема, именуются сейсмической трассой, и записываются как функция времени (время с момента взрыва). Т.к. это время представляет собой время, которое потребовалось энергии, чтобы пройти сквозь землю, отразиться и затем вернуться к поверхности, его было бы правильнее назвать «временем в оба конца». Во время обработки эти трассы комбинируются вместе различными способами, и изменяются с помощью достаточно сложных математических операций, но они всегда остаются «трассами».
Для изображения сейсмических трасс есть очень много способов. Наиболее часто показывают непрерывную сглаженную форму волны. При этом предполагают, что значения выше линии нуля представляют положительные числа, тогда как значения ниже линии – отрицательные
Когда рассматривают более длинные трассы или набор трасс, переходят к более условным изображениям. Например, показывают «трассу с не закрашенной положительной областью», показывают «трассы с закрашенной положительной областью» показывают типы «меняющейся плотности» показывают цветное изображение. Для этих изображений положительные значения будут смещаться вправо, или будут изображаться черными или красными «пиками» на изображениях с меняющейся плотностью.
Пример типичной сейсмограммы 1 – прямая волна, 2 – преломленная волна, 3 – отраженная волна, 4 – поверхностная волна, 5 – звуковая волна 1 2 3 3 4 5
Полученные в результате обработки материалы анализируются и интерпретируются. В итоге можно определить глубину залегания, форму и свойства тех слоев, на границах между которыми произошло отражение или преломление упругих волн, скорости в различных толщах пород...
Пример суммарного временного разреза, полученного в результате обработки данных
Пример временного куба, полученного в результате обработки данных
Пример структурной схемы, полученной в результате обработки и интерпретации
Метод сейсморазведки основан на изучении кинематики ( времени пробега ) различных волн от пункта их возбуждения до сейсмоприемников и их динамики ( интенсивности ). Возможность использования сейсморазведки для решения разнообразных задач основана на том, что различные горные породы имеют различные скорости распространения упругих волн. В результате, как уже указывалось, создаются предпосылки для возникновения на границах геологических образований явления отражения и преломления упругих волн. В соответствии с этим явлением в сейсморазведке существуют 2 основных метода – метод отраженных волн (МОВ) и метод преломленных волн (МПВ). Используют также сейсмокаротаж (СК) – наблюдения прямых (проходящих) волн в скважинах и вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) – изучение прямых, отраженных, и др. волны в скважинах
1. По классу целевых (изучаемых) волн выделяют: - Метод отраженных волн МОВ, - Метод преломленных волн МПВ, Сейсмический каротаж СК Вертикальное сейсмическое профилирование ВСП 2. По типу целевых волн различают методы: - продольных волн - поперечных волн - поверхностных волн Существует множество классификаций методов сейсморазведки по различным признакам и категориям. Рассмотрим некоторые из них.
3. По мерности наблюдений изучения среды выделяется: - Одномерная сейсморазведка 1 D – вдоль ствола скважины или поверхности земли с регистрацией только времени прихода волн ( t), Пример записи данных одномерной сейсморазведки
- Двухмерная сейсморазведка 2 D – при расположении источников и приемников на линейном профиле (x, t), Пример полевых сейсмограмм (а) и результат интерпретации данных (б) двумерной сейсморазведки
- Трехмерная сейсморазведка 3 D – при расположении источников и приемников на различных профилях (x, у, t), Пример полевых сейсмограмм (а) и результат интерпретации данных (б) двумерной сейсморазведки
- Четырехмерная сейсморазведка 4 D (мониторинг) – периодические наблюдения во времени при расположении источников и приемников на различных профилях (x, у, t, t), В настоящее время часто используются различные дополнительные модификации классификации по мерности наблюдений изучения среды: 3С – дополнительное измерение угла прихода волн и азимута в точку приема 9С - дополнительное измерение угла прихода волн и азимута в точке приема и точке возбуждения. Поэтому в литературе часто встречаются такие символьные обозначения, как 3 D/3C (сейсморазведка 3 D в модификации 3С), 3D/9C, 4D/3C, 4D/9C ( 8D ).
5. По типу источника колебаний: Взрывной (c использованием взрывчатых веществ, с использованием патронов), - Невзрывной (кувалда, падающий груз, вибрационный, импульсный) Пример различных источников возбуждения упругих колебаний, применяющихся в сейсморазведке
6. По характеру возбуждаемых колебаний: - Импульс – импульсная СР - Вибрация – вибрационная СР, вибросейс Шум бурового инструмента – СР в процессе бурения, Естественные шумы – естественно-шумовая СР, Искусственные шумы – искусственно-шумовая СР 7. По объекту исследований. При - изучении глубинного строения Земли вдоль геотраверсов (протяженных профилей) выделяют глубинное сейсмическое зондирование ГСЗ (с глубинностью изучения от 5 км) - поисках и разведке месторождений нефти и газа – нефтегазовую сейсморазведку (до 2-3 км), - контроле за разработкой месторождений нефти и газа – нефтепромысловую СР, - поисках и разведке угольных (рудных) месторождений – угольную (рудную) СР, - инженерных исследованиях – инженерную СР (до 500 м).
8. По изучаемым свойствам объекта выделяется: - структурная СР, литосейсмика (вещественный состав и литология), прямые поиски (коллекторские свойства пород), палеоструктурная сейсморазведка, сейсмостратиграфия (характер процесса осадконакопления). 9. По частотному диапазону регистрируемых колебаний: - Менее 20 Гц – низкочастотная СР, - 10-100 Гц - среднечастотная СР, - 100-1000 Гц – высокочастотная СР, - 1-20 КГц – акустические исследования, - Более 20 КГц – ультразвуковые исследования. 10. По условиям проведения работ выделяются: морская СР, наземная СР, шахтная СР, речная СР, скважинная СР.
Упругие волны распространяются в реальных условиях. Пространственное распределение скоростей в реальных средах определяется рядом факторов, главные из которых — слоистость и горное давление. Кроме этого, на численные величины скоростей влияют и другие факторы, связанные, например, с неравномерным распределением физических свойств и геологических характеристик пород по горизонтали и вертикали, с невыдержанностью литологических границ, разной степенью обводненности или нефтенасыщенности пород и др. В результате распределение скоростей в общем случае представляет собой очень сложную функцию. Для ее описания используют аппроксимационные функции. В первом приближении сейсмические среды подразделяются на изотропные и анизотропные.
В изотропной среде упругие (и другие) свойства среды одинаковы по всем направлениям распространения упругих волн. В анизотропной среде упругие свойства среды различны по различным направлениям распространения упругих волн.
Оба класса сред в свою очередь могут быть однородными, либо неоднородными. В однородных средах упругие свойства одинаковы во всех точках рассматриваемой части горных пород. В неоднородных средах упругие свойства могут меняться от точки к точке. Реальные геологические среды, слагаемые породами разного состава, с различными упругими свойствами неоднородны. Неоднородные среды подразделяются на три основных типа: слоисто-однородные, непрерывные (градиентные), и слоисто-непрерывные (слоисто-градиентные).
Слоисто-однородная среда представляется в виде серии однородных (изотропных или анизотропных) слоев. В слое упругие константы неизменны. Непрерывная (градиентная) среда представляет собой среду, упругие свойства которой являются функциями координат точек пространства. Слоисто-непрерывная (слоисто-градиентная) среда состоит из слоев, упругие свойства которых зависят от координат. На границах слоев терпят разрыв либо упругие константы, либо их производные. Примеры слоисто-однородной (а), градиентной (б) и слоисто-градиентной (в) сред
Общие сведения о распространении упругих волн
Типы волн различаются характером смещения точек среды в момент прохождения сейсмических волн. Для продольных направление движения частиц среды совпадает с направлением распространения волны. Для поперечных волн направление движения частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны. P S источник распространение волны
Особенностью продольной волны является изменения элементарных объемов вещества, которое создается при ее распространении, происходит сжатие или растяжение объема, поэтому волну называют волной дилатации или волной растяжения. Уравнение распространения продольной волны: где Vp 2 = ( +2 )/ – скорость распространения продольной d олны, - плотность, и - модули упругости, U - составляющая смещения частиц среды по отношению к положению равновесия.
Уравнение распространения поперечной волны: где Vs 2 = / – скорость распространения поперечной волны. Особенностью поперечной волны являются малые повороты элементарных объемов, ее называют волной сдвига.
При возбуждении упругих колебаний в среде распространяются возмущения, затрагивающие определенный объем горных пород - объемные волны. На удалениях, близких к источнику, такие волны имеют сферическую форму, а на очень больших расстояниях – принимают вид плоскости. Т.о. различают сферические и плоские волны. источник поверхность земли сферическая волна плоская волна Рассмотрим характер распространения сферической продольной волны в среде.
Предположим, что имеется источник гармонических колебаний, представляющий собой сферическую полость с центром в точке О. Вызываемые источником расширения и сжатия вызывают смещение окружающих частиц среды, приводящее к возникновению объемной сферической волны во всей окружающей среде.
Пусть функция f ( t ), описывающая действие источника, отличается от нуля в течение ограниченного времени t, которое назовем временем действия источника. Рассмотрим распределение смещений в момент времени t t. Возмущение среды будет наблюдаться только в тех точках, где функция f ( t ) отличается от нуля, т. е. в пределах некоторого сферического слоя r : Vp t r Vp ( t - t )
С увеличением времени t область существования возмущения перемещается. При этом все пространство, окружающее источник в каждый момент времени t> t, разделяется на три области: 1. внутреннюю область радиусом r в, в которой возмущения, вызванные источником, уже прекратились; 2. сферический слой толщиной r = Vp t в котором в рассматриваемый момент времени существуют возмущения; 3. наружную область, которую возмущения еще не достигли. источник r в r
Поверхность, ограничивающая снаружи (относительно источника) слой, в котором существуют возмущения, называется передним фронтом (фронтом) волны. Поверхность, ограничивающая изнутри слой, в котором существуют возмущения, называется задним фронтом (тылом) волны. Линии, исходящие из источника и ортогональные волновым фронтам, называют лучами. Вдоль лучей переносится энергия упругой волны Вблизи источника фронт упругих волн сферический, а вдалеке - практически плоский. источник фронт тыл луч
Рассмотрим смещения вдоль одного из лучей, исходящих из источника О, при постоянном значении времени. Если откладывать по оси абсцисс расстояния r, по оси ординат — смещения Аp частиц среды от их положения равновесия, то это профиль волны. Точка, в которой в данный момент наблюдается наибольшее положительное (при выбранном направлении отсчета) смещение, называется горбом волны, а точка, в которой наблюдается наибольшее отрицательное смещение, — впадиной волны. Расстояние в между двумя соседними горбами или впадинами называется видимой (преобладающей) длиной волны. в
Если по оси абсцисс отложить время t, по оси ординат — смещение частиц среды Аp, то это график колебаний. Время, когда к частице среды подходит фронт волны и она начинает колебаться - время вступления волны в данной точке. Время прохождения через точку фронта и тыла волны – длительность импульса. длительность импульса
Наибольшее отклонение частицы среды от положения равновесия называют видимой амплитудой колебаний Ав. Промежуток времени между двумя одноименными соседними экстремумами (максимумами или минимумами) смещений называют видимым (преобладающим) периодом колебаний Тпр. Время Тпр между моментами прихода в произвольную точку среды соседних впадин (или горбов), разделенных в пространстве расстоянием в, будет
Помимо видимого периода колебаний, в сейсморазведке также пользуются понятием видимой (преобладающей) частоты ( число «волновых циклов в секунду»): и понятием видимой (преобладающей) круговой частоты: пр = 2 f пр Кроме этого, часто используют понятие волновое число – k = 2 / Если профиль волны по мере ее распространения не изменяется, то горбы и впадины волны движутся с постоянными скоростями V p. В случае гармонических волн эта скорость называется фазовой ( скорость распространения рассматриваемой фазы колебаний):
Классы волн
Рассмотрим задачу о падении на плоскую границу раздела двух однородных областей W 1 и W 2 плоской синусоидальной продольной волны Р 1. Через Vp 1, V s 1, Vp 2, Vs 2 обозначим скорости распространения продольных и поперечных волн в обеих средах. Падение волны P 1 на границу создает возмущение в обеих средах.
В области W 1 возникают продольная Р 11 и поперечная Р 1 S 1 волны, а в области W 2 продольная Р 12 и поперечная Р 1 S 2 волны. Р 11 и Р 1 S 1 - отраженные, а Р 12 и Р 1 S 2 – проходящие P 1 P 11 P 1 S 1 P 12 P 1 S 2 Таким образом, при падении на границу волны образуются вторичные волны различных типов — продольные и поперечные.
Вторичные волны того же типа, что и падающая волна, называют монотипными ( Р 11, Р 12 ), а вторичные волны, тип которых отличается от типа падающей волны,— обменными (Р 1 S 1, Р 1 S 2 ) Все вторичные волны, образовавшиеся на границе R при падении на нее падающей волны Р 1, называют сопряженными волнами с волной Р 1 на границе R. В общем случае при падении на границу наблюдаются все четыре сопряженные волны. Углы, составляемые лучом соответствующей волны и нормалью к границе, называют углами отражения или преломления.
где а р, а s, p, s — углы, составляемые фазовыми поверхностями волн Р 11, P 1 S 1, P I2, P 1 S 2 с плоскостью наблюдений, V* - кажущаяся скорость. В общем случае ( закон Снеллиуса) Закон Снеллиуса может быть истолкован как требование равенства кажущихся скоростей падающей и вторичных волн на границе. Под кажущейся скоростью V * понимают скорость распространения некоторой особенности (горба, фронта и т. п.) волны вдоль поверхности или линии.
Из закона Снеллиуса вытекает ряд важных для практики следствий. 1) Если падающая волна приходит к границе раздела из среды, в которой скорость выше, чем в нижележащей, то (по формуле) угол преломления всегда будет меньше 90 . В этом случае волны, прошедшие через границу, не могут стать источником вторичных волн, возвращающихся в первую среду. В случае обратного соотношения скоростей V 1 < V 2 обязательно будет существовать такой угол падения исходной волны, при котором угол преломления станет равным 90. Такой угол будет определяться формулой sin =V 1 /V 2 Этот угол принято называть критическим и обозначать буквой i. В случае преломления под критическим углом, проходящая волна распространяется по кровле второй среды и называется скользящей.
Скорость распространения вдоль границы скользящей волны, возбуждающей головную волну, называют граничной скоростью. Точка, где впервые появляется скользящая волна, называется критической или предельной При распространении сферических волн по принципу Гюйгенса, критическая точка становится центром вторичных волн, от которого проходящая волна P 12 отрывается от возбудившей ее волны P 1 и распространяется в дальнейшем самостоятельно (в верхней и нижней средах). Вторичные волны, распространяются в верхней среде, называют головными волнами.
Изучение кинематических свойств головных волн имеет важное значение, поскольку эти волны несут информацию о границе, на которой образовались, а их свойства имеют много общего для всех волн, распространяющихся на значительном отрезке своего пути вдоль преломляющей границы. Такие волны называют преломленными, хотя головные волны являются частным случаем преломленных волн и образуются в случае когда угол преломления является критическим (90 ), определяющимся из условия sin i=V 1 /V 2.
2) Исходя из закона Снеллиуса можно в вести систему уравнений: Величины Арр, Аp s называются коэффициентами отражения, а Врр и B ps - коэффициентами прохождения (прозрачности).
В случае нормального падения волны, когда фазовые поверхности волны параллельны границе, т. е. = 0. Тогда коэффициенты отражения и прохождения выражаются как: Ар s = Bps =0 В этом случае обменные волны не образуются.
Общие выводы: 1. Отраженная волна возникает всегда, если 1 Vp 1 2 Vp 2 ( 1 2 ) Произведение плотности среды и скорости распространения волны называется волновым сопротивлением (акустической жесткостью, импедансом ) среды. 2. Преломление продольной волны происходит на границе раздела скоростей, когда Vp 1 < Vp 2 Границы раздела волновых сопротивлений называют отражающими границами, а границы раздела скоростей — скоростными границами. Обычно скоростные и отражающие границы совпадают.
Если имеется граница, разделяющая среды с разными упругими свойствами, то, помимо объемных волн, возможны и другие волны, называемые поверхностными. Их особенность состоит в том, что они наблюдаются только вблизи той поверхности, которой обязаны своим существованием. Одним из типов поверхностных волн является волна Релея (Рейли ), которая существует вблизи свободной поверхности (в сейсморазведке - поверхности между твердой средой и воздухом) упругой среды. Эта волна совершает одновременно деформации объема и сдвига.
Сейсмограмма с интенсивным цугом поверхностных волн Релея
Если скорости оказываются зависимыми от координат точек среды, то соответствующую среду называют градиентной, имея в виду, что градиент скорости в такой среде, в отличие от однородной, не равен тождественно нулю. Вследствие изменения скорости луч испытывает непрерывное преломление.
Волну, обладающую криволинейными лучами, называют рефрагированной. Одной из особенностей рефрагированных волн, имеющей большое значение в сейсморазведке, является то, что в случае, когда выполняется соотношение grad V>0, лучи рефрагированной волны возвращаются к поверхности. В разных точках, удаленных на разные расстояния от ПВ, будут наблюдаться лучи, проникшие в среду на различную глубину. z x
Сейсмограммы преломленной и рефрагированной волн
В реальных условиях, помимо сейсмических границ, существуют и другие геологические образования – порождающие вторичные волны. Если на пути волны встречается локальное образование (тектоническое нарушение, клин …), то законы отражения и преломления перестают работать, наблюдается явление дифракции. Под дифракцией в широком смысле понимают всякое отклонение в распространении волн от законов отражения – преломления в случае наличия образований с размером, меньшим длины волны.
К пояснению явления дифракции 1
В случае однородной среды, где скорость V = Const, каждому падающему лучу соответствует множество дифрагированных. Дифрагированные волны являются помехами, осложняющими волновую картину, и удаляются при обработке применением процедуры миграции.
Суммарный временной разрез, на котором показана область дифракции 1 время пикеты
В каждом методе сейсморазведки для изучения геологического строения используют волны определенного типа и вида. Но при распространении в слоистой осадочной толще упругой волны на границах раздела происходит расщепление падающей волны и образование многочисленных вторичных волн. Прибор, установленный в месте наблюдения, регистрирует суммарное смещение, создаваемое всеми волнами, приходящими к нему. Пример типичной сейсмограммы с прокоррелированными осями синфазности некоторых классов волн время каналы регистрации
Только немногие из регистрируемых волн, называемые полезными (целевыми) волнами, могут быть использованы для решения поставленных задач. В основных методах сейсморазведки полезными являются отраженные и преломленные продольные волны. Все другие волны, которые препятствуют выделению и прослеживанию полезных волн, относятся к категории помех. Все существующие виды сейсмических помех можно условно разделить на регулярные (когерентные) и случайные. Когерентными являются помехи, прослеживающиеся на нескольких соседних трассах и имеющие похожую друг на друга форму. Случайные помехи – помехи (шумы) в сейсмических записях, вид которых случайным образом меняется от точки к точке и не может быть предсказан в последующие моменты времени.
К числу помех обычно принадлежат: 1) микросейсмические колебания почвы, вызываемые внешними причинами — ветром, дождем, морским прибоем, работой машин, транспорта и т. п.; 2) звуковые волны; 3) рассеянные волны, образующиеся на мелких включениях; 4) волны, имеющие вблизи места приема иной тип, чем используемый при данном методе разведки (т. е. поперечные волны, когда используются продольные волны, и наоборот); 5) кратные отраженно-преломленные, преломленно-отраженные, кратные отраженные и суммарные волны, ложные….; 6) поверхностные волны. Отнесение той или иной волны к категории полезных волн или помех носит условный характер. В зависимости от используемого метода разведки различные волны могут входить в эти категории.
