Геологические основы

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

представляет собой одну из важнейших задач МВС. Сведения о скоростях распространения поперечных волн Cs и закономерностях их распространения все еще недостаточны, чтобы формулировать определенные закономерности. Вместе с тем, по имеющимся данным можно сделать однозначные выводы о существующей связи между величинами скоростей Cs и некоторыми особенностями строения и состояния горных пород на глубине. В первую очередь это влияние литологического состава горных пород.

Литологический состав. Это наиболее важный параметр, который определяет главные черты изменения скоростей как Р, так и S волн. Значения характеристик ρ и CP,S для некоторых основных типов горных пород приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения ρ и CP,S для основных типов горных пор

В коренных осадочных отложениях ниже ВЧР выделяются в основном три группы пород. Метаморфизованные осадочные породы со значениями СР ≥ 45005000м/c и CS≥2500-3000м/c. Карбонатные и гидрохимические осадки,

обладающие СР≥3000-6500м/c, а CS≥1300-3500м/с. Большая группа терригенных пород в свою очередь подразделяются на жесткие и рыхлые песчано-глинистые осадки. Жесткие породы практически отличаются от карбонатных по значению скоростей СР и CS. А вот рыхлые, песчано-глинистые характеризуются

17

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

величинами скоростей для Р волн в интервале СР≥800-2000м/c, а для CS≥300700м/c.

Возраст горных пород

В некоторых случаях было отмечено, что при залегании однотипных пород на одной и той же глубине величина скорости тем больше, чем древнее возраст породы. Эта закономерность прослеживается не только для пород, залегающих на глубинах не более 100м, но и при исследовании глубоких скважин. При этом нельзя не отметить факт, что связь скорости с возрастом породы наиболее четко и однозначно наблюдается для песчано-глинистых осадков, чем для карбонатных. Таблица 2.

Таблица 2.

Связь скорости с возрастом породы

Глубина залегания.

Наряду с составом породы другим основным фактором, определяющим величину скорости волн Р и S, является глубина залегания в разрезе. Гравитационное давление вышележащих пород уплотняет материал на глубине, повышает одновременно плотность и упругость, что, как мы знаем, однозначно приводит к возрастанию скоростей СР и CS. Причем, замечено, что для изверженных пород увеличение С(Н) связано с возрастанием упругих связей скелета (деформацией сжатия), а для осадочных – с уменьшением их пористости. Вместе с тем, увеличение скоростей волн Р и S происходит неравномерно. При малых давлениях наблюдается большой градиент скорости. С повышением давления (глубины) градиент изменения скоростей уменьшается. Область

18

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

больших изменений градиентов скорости представляет наибольший интерес, так как включает глубины, изучаемые сейсморазведкой. Рис. 2.

Рис. 2. Графики Сср (Н) для верхней части разреза, построенные по данным трехкомпонентного каротажа, выполненного в разных районах.

1,2 – Нижнее Поволжье, 3 – Татария, 4 – Воронежская обл., 5 – Краснодарский край, 6 – Иркутская обл., 7 – Армения, 8 – лабораторные измерения в образце сухого песка.

Влагонасыщенность.

Этот показатель состояния горных пород определяется их пористостью и влияет на скоростные характеристики, особенно заметно, рыхлых отложений, т.е. для горных пород слагающих ВЧР. При этом, поведение скоростей СР и CS как функций влагонасыщенности существенно различно.

Для рыхлых отложений скорость СР возрастает по мере замещения водой объемов порового пространства. Переход к полному насыщению водой характеризуется резким увеличением СР до значений 1500м/с. В дальнейшем происходит более плавное и медленное увеличение скорости. Скорость CS поперечных волн слабо зависит от степени водонасыщенности и главным образом определяется структурными элементами породы. Возможности значительного изменения скорости поперечных волн зависят от контактного взаимодействия «связности» микрочастиц среды. Так, например, в рыхлых переотложенных и влагонасыщенных глинах, где «прочность» связей нарушена и в плотных

19

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

коренных глинах пермского возраста скорости поперечных волн различаются более чем в 2 раза. Подобные зависимости получены и для песчаных грунтов.

Водонасыщенные породы типа илов, болотных или донных отложений обладают очень высокой пористостью. В таких сложных средах отмечены аномально низкие значения скоростей CS. Так для болотных отложений Западной Сибири получены скорости CS ниже 30м/с.

1.8. Анизотропия

Следующая важнейшая характеристика геологического разреза – это сейсмическая анизотропия физических упругих свойств. Она присуща всем геологическим породам, независимо от их происхождения и размеров, конечно не в одинаковой степени. В полном смысле сущность анизотропии состоит в том, что физические параметры, измеряемые в различных направлениях относительно произвольно выбранной системы координат и положения ее начальной точки отсчета, не одинаковы. Иначе можно сказать, что анизотропность геологического разреза – это его не равносвойственность, которая, однако, не означает неоднородность. Если неоднородность – это изменение свойства от точки к точке, то анизотропность – то же самое, т.е. изменение свойств, но в зависимости от направления в одной и той же точке! В однородном, но анизотропном теле, свойства в параллельных направлениях одинаковы, но отличаются от тех, которые измерены, например, в перпендикулярных предыдущих направлениях. При этом направления, в которых измеренные параметры имеют максимальные отличия, могут быть как ортогональными, так и косоугольными.

В целом, анизотропия имеет тензорный характер и проявляет свойства симметрии.

Сейсмическая анизотропия обусловлена неравномерным распределением упругих свойств горных пород разреза по направлениям. Например, широко известное свойство возрастания скоростей распространения сейсмических волн с глубиной. В зависимости от интервалов измерения относительно длин волн различают три вида анизотропии: макро, средне- и микро масштабную

20

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

анизотропию. Понятие крупномасштабной анизотропии относится к изменению скоростей распространения сейсмических волн в зависимости от направления их движения. Это свойство измеряется в диапазоне длин сейсмических волн в интервалах от единиц до нескольких сотен метров. К среднемасштабной анизотропии относят скоростные измерения в звуковом и ультразвуковом диапазоне в поликристаллических агрегатах горных пород, когда интервалы измерения и длины волн превышают размеры отдельных кристаллических зерен.

Мелкомасштабная анизотропия относится к случаю измерения анизотропии упругих свойств на отдельных зернах минералов, когда она определяется свойствами кристаллических решеток, обусловленных их строго упорядоченным внутренним строением. Одна и та же геологическая среда может проявлять анизотропию при исследованиях в одном масштабе (при соответствующей величине длины упругой волны) и та же среда может быть изотропной в другом масштабе. Было установлено, что такими неоднородностями, вызывающими появление сейсмической анизотропии и наиболее распространенными в консолидированных породах являются системы ориентированных трещин, вызванных действующими в земной коре неоднородными распределениями механических напряжений.

Большинство современных исследователей выделяют пять главных причин появления сейсмической анизотропии.

1Линейно согласованная ориентация кристаллов, которая может возникать при воздействии механических напряжений в условиях ползучести и перекристаллизации (истинная анизотропия).

2Литологическая анизотропия, вызванная структурой линейно упорядоченных литологически однородных зерен.

3Анизотропия, обусловленная тонкой периодической слоистостью.

4Анизотропия, непосредственно индуцированная напряжением, которая становится значимой в том случае, когда действующее внешнее напряжение становится больше величины предела прочности породы.

21

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

5Анизотропия, индуцированная трещинами и микротрещинами, имеющими всеобщее распространение в земной коре (трещинная, экстенсивная

дилатансионная анизотропия) (ЭДА).

Этот последний фактор в настоящее время рассматривается как наиболее вероятный и широко распространенный при возникновении сейсмической анизотропии в консолидированной земной коре. Сущность этой гипотезы ЭДА сводится к тому, что благодаря высокой податливости и подвижности флюидов, поддерживающих поры и микротрещины в открытом состоянии, под действием ориентированных в пространстве горной породы напряжений, происходит закрытие одних (тех, что ориентированы перпендикулярно максимальному сжатию) и раскрытие других пор и трещин (ориентированных перпендикулярно максимальному напряжению растяжения). Напряжение равно могут и не открывать новые поры и трещины, а просто изменять форму уже существующих пор и трещин.

Возникновение и поведение трещин в коренных породах контролируется множеством факторов, среди которых выделяются следующие внешние причины: вертикальное литостатическое давление, горизонтальное напряжение, температура, свойства массива горных пород. Внутренние условия: давление, сжимаемость, вязкость поровой жидкости, обломки пород в трещинных пустотах, отношение пар-жидкость, свойства поровой жидкости при высокой температуре и давлении. Динамические факторы: скорость деформации и залечивания трещин, их роста. Параметры трещин: ориентировка, размеры, видовое отношение распределения, гладкость трещинных поверхностей, степень обособленности, геометрия самих трещин. Все эти причины, влияющие на распространение сейсмических волн, прямо или косвенно, в конечном счете, порождаются механическими напряжениями. Как только образец горной породы извлечен из массива, или горная порода изучается в месте ее залегания (акустический каротаж) она частично разгружается горной выработкой (скважиной), то возникает новое поле напряжений, которое приводит к нарушению геометрии трещин. По этой причине требуется большая осторожность при экстраполяции

22

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

лабораторных и каротажных результатов на естественные условия на месте залегания пород. Ясно, что отдельные трещины, заполненные флюидами, будут оказывать ничтожно малое влияние на закономерности распространения сейсмических волн с типичными длинами от десятка до сотен метров. Но достаточно большой объем горного массива, исследуемого сейсмическими волнами, будет являться анизотропным, если общее количество включений в массиве (поры и трещины) будет иметь преимущественную ориентировку.

При распространении сейсмических волн в анизотропной среде всегда существуют три типа реальных упругих волн с взаимно ортогональным состоянием поляризации (движением частиц среды во фронтах волн). Эти движения частиц в изотропной среде совпадают с динамическими направлениями, образованными волновым и вектором распространения, лежащими в лучевой плоскости. Основное отличие движения волн в анизотропной среде состоит в том, что движение частиц во фронте волны не совпадает по направлению ни с волновым и вектором распространения, ни ортогональным к ним направлениям, лежащим на поверхности фронтов волн. Объемные волны, у которых движение частиц не совпадает с динамическими ортами носят название квазипродольной qP, и квазипоперечных qSv и qSh волн, соответственно терминам, принятым для изотропной среды. Скоростная анизотропия определяется по формуле:

k= 1− Vmin ×100% .

Vmax

Следствием изменения скорости упругих волн с направлением в анизотропной среде является не совпадение направлений распространения и вектора потока энергии – Умова. Кроме того, простое представление о том, что Sh и Sv волны имеют различные скорости распространения в анизотропной среде, является истинным и строгим только вдоль некоторых направлений (плоскостей симметрии). Во всех остальных случаях распространяются две квазипоперечные волны с неодинаковыми скоростями и ортогональными состояниями поляризаций, которые могут быть промежуточными между Sh и Sv.

23

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

Вслабо анизотропной среде распространяются, как и в изотропной три объемные волны. Две из них имеют взаимно ортогональные векторы смещений с фиксированной ориентировкой относительно плоскости симметрии среды. Фиксированное состояние поляризации двух квазипоперечных волн изменяется только в том случае, когда волны распространяются в других направлениях, но ортогональность их векторов смещений сохраняется. Однако скорости их распространения не остаются постоянными, в связи с этим эти волны конструктивно интерферируют, сохраняя скоростную разницу по каждому из направлений распространения.

Вусловиях слабой анизотропии скорости qP, qSh и qSv объемных волн меняются в зависимости от азимутального угла, отсчитываемого от плоскости симметрии, проходящей через направление «источник-приемник» (саггитальная плоскость симметрии). Эта зависимость может быть выражена следующими формулами:

qP : ρC12 = A1 + B1 cos2θ + D1 cos4θ;

qSh:ρC22	= A2 + B2 cos4θ;		где: ρ - плотность среды, С1 С2 и С3 –
qSv:ρC2	= A + B cos2θ ,
3	3	3

скорости распространения qP, qSh и qSv волн соответственно, коэффициенты А1,

А2, ….., D – упругие постоянные среды, θ - азимутальный угол, отсчитываемый от плоскости содержащей направление «источник-приемник».

В анизотропной среде вектор групповой скорости плоских волн не параллелен волновому вектору. Вектор потока энергии в этом случае отклоняется от положения в плоскости падения (если эта плоскость не совпадает с плоскостью упругой симметрии среды). Законы отражения-преломления упругих волн на границе между изотропным полупространством и полупространством, обладающим скоростной анизотропией становятся более сложными. В частности:

1.изменение скорости упругих волн с направлением приводит к изменению углов преломления и значений критических углов и амплитуд проходящих волн;

2.изменение состояний поляризации в анизотропной среде приводит к генерации qSh волн для всех типов падающих объемных волн P, Sh и Sv.

24

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

Сопряженное движение Sh и Sv частиц среды может быть сильным для падающих поперечных волн потому, что движение частиц qSv и qSh генерируется анизотропией, а не состоянием поляризации падающей волны;

3.перенос энергии отклоняется от плоскости падения и может составлять для некоторых ориентировок этих плоскостей угол более 20°.

Вреальных геологических ситуациях анизотропия горных пород встречается

ввиде отдельных слоев. На фоне слабой анизотропии всего геологического разреза, отдельные слои и объекты обладают достаточно сильными анизотропными свойствами, когда плоскости симметрии упругих свойств могут быть расположены совершенно произвольным образом. В этих случаях опыт показывает, что аномалии, вызванные падающей продольной волной, являются относительно малыми, поскольку большая часть энергии преобразуется в qP продольную волну и только малая часть энергии переходит в квазипоперечные волны. Для поперечных волн при плоскостях распространения расположенных вне плоскостей симметрии упругих свойств, амплитуды возбужденных квазипоперечных волн могут быть большими. Эти волны проходят анизотропный слой с различными скоростями и на выходе из анизотропного слоя интерферируют, формируя единую проходящую поперечную волну. Интерференционные эффекты определяются мощностью анизотропного слоя, периодом падающей волны и величиной разницы скоростей распространения. Существуют две главные аномалии при прохождении объемных волн сквозь анизотропный слой:

1.падающие P и Sv волны генерируют волны Sh на каждой границе;

2.падающие Sv и Sh волны возбуждают равные по амплитуде обе Sv и Sh волны, при этом проходящие импульсы поперечных волн представляют собой объединение двух импульсов, которые приходят на близких временах. Если мощность анизотропного слоя велика по сравнению с длиной волны, то поперечная волна расщепляется в соответствии с симметрией анизотропной среды и в изотропном пространстве распространяются с накопленным временным сдвигом. Если мощность анизотропного слоя мала, то форма проходящего

25

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

импульса поперечной волны искажается. Импульс становиться шире по времени и обладает более сложной формой по сравнению с падающим. При регистрации сейсмических волн на дневной поверхности, прошедших через анизотропную среду (отраженные волны), можно выделить следующие эффекты:

1.диаграммы движения частиц часто имеют крестовидный характер, обусловленный разделением во времени разно поляризованных волн;

2.эффекты, связанные с прохождением волн через анизотропный слой, существенно заметнее проявляется в поле поперечных волн;

3.при углах подхода меньших критического движение частиц в горизонтальной плоскости с незначительными изменениями воспроизводит состояния поляризации, приобретенные поперечными волнами в анизотропной среде;

4.при углах подхода, больших критического, дневная поверхность затрудняет выделение эффектов, связанных с влиянием анизотропии пород, залегающих на больших глубинах, накладывая свои аномалии на поляризацию падающих и восходящих волн.

1.9. Время

В геологии в целом время играет важную и можно сказать исключительную роль. В отличие от других естественных наук, таких как физика или химия, которые изучают мир главным образом в его современном состоянии, геология имеет дело с прошлым. Огромная продолжительность геологического времени помогает понять процессы совершенно необъяснимые в рамках очень кратких промежутков времени лабораторных экспериментов или с точки зрения продолжительности человеческой жизни. Как известно, время протекает только в одном направлении из прошлого в будущее, что особенно ярко проявляется в геологических и биологических процессах. Функциональная связь времени и Земли пронизывает все аспекты геологии. Развитие геологических теорий обусловлено выявлением уникальных событий прошлого, установлением хронологической последовательности явлений в отдельных районах. Обоснование

26