MISCELLANEOUS / Geophysics / Geophysics Methods Костицын В. И

					Сейсморазведка
t	1		x sin i	2H cosi .	(
	V1				4.9)

Причем знак «–» берется для годографа по восстанию границы (здесь волна приходит быстрее), знак «+» берется для годографа по падению границы от пункта взрыва. Из уравнений

годографов видно, что при x 0, t0 2H cosi /V1 , где t0				– время
на пункте взрыва.
Для горизонтальной преломляющей границы (				0 )
t	1		(x sin i 2H cosi) .	(
		V1		4.10)

Выражение для годографа преломленной волны можно записать в таком виде:

t t0	x sin(i	)	t0	x	.
	V1
				Vk

При i Vкв 0 , что означает приход волны сначала к удаленным, а затем к близким к пункту взрыва точкам наблюдения. При i 90 Vкп 0 и tип 0 , что соответствует слу-

чаю, когда головная преломленная волна не сможет выйти на поверхность и работы методом МПВ невозможны. Поэтому данный метод может применяться для изучения не очень крутых структур, т.е. при углах их падения меньших 45º.

Преломленная волна на удалении x xит от пункта взры-

ва всегда приходит раньше отраженной и прямой волн и ее удобно регистрировать в области первых вступлений. Применяется также корреляционный метод преломленных волн (КМПВ), когда выделение преломленных волн производится и в последующих вступлениях.

Годограф волны, преломленной на плоской границе двух сред, прямолинеен. Однако, если преломляющая граница криволинейна, то и годограф приобретает криволинейную форму. Это

259

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

объясняется	тем, что угол выхода сейсмической		радиации
e 90 (i	) и кажущаяся скорость V	V / sin(i	) меняет-
	k	1

ся при изменении угла наклона границы ( ) по профилю наблюдений, что приводит к изменению угла наклона годографа.

Если в среде скорость упругих волн возрастает с глубиной, что может наблюдаться, например, при смене литологии или из-за увеличения давления, то возникают рефрагированные волны. Механизмы образования рефрагированных и скользящих преломленных волн имеют определенное сходство. С увеличением скорости с глубиной критический угол падения увеличивается и рефрагированные волны будут проходить во втором слое по дугообразным лучам (рис. 4.1, в). Выходя на поверхность земли, рефрагированные волны регистрируются подобно головным преломленным. Годографы преломленных и рефрагированных волн сходны между собой, и их распознавание имеет большое значение, так как позволяет избавиться от ошибок при интерпретации результатов сейсморазведки.

3. Обратная задача метода преломленных волн. Обрат-

ная задача метода преломленных волн (МПВ) над наклонной границей двух сред сводится к определению скоростей в верхнем (V1) и нижнем (V2 = Vr) слоях и геометрических параметров разреза (Н, ). Ее решают различными способами, основанными на анализе уравнения годографа (4.8)–(4.10). Как показывает практика интерпретации МПВ, наиболее надежно решить обратную задачу можно имея встречные годографы (Г1 и Г2), которые получаются из двух точек взрыва О1 и О2, находящихся на концах изучаемого профиля (рис. 4.8).

А. Определение граничной скорости по разностному годографу. Имея два встречных годографа, можно построить разностный годограф:

(x) t1 (x) t2 (x) T ,

где t1 (x) и t2 (x) – время прихода головной преломленной вол-

ны в точку х по первому и второму (встречному) годографу, T – время во взаимных точках, т.е. время прихода волны из О1 в О2 или из О2 в О1 (рис. 4.8). Легко видеть, что путь головной волны

260

Сейсморазведка

из пункта взрыва О1 в точку О2 и, наоборот, из пункта взрыва О2 в точку О1 одинаков, а значит, время во взаимных точках по встречным годографам одинаково и постоянно для данного интервала О1О2.

Рис. 4.8. Определение граничной скорости с помощью разностного годографа и построение преломляющей границы способом t0

Взяв производную от уравнения разностного годографа, получим

d

/ dx

dt1 / dx

dt2 / dx ,

где d / dx

/ x

– угловой коэффициент разностного годо-

графа, равный обратной скорости, т.е.

dt1

t1

1

и

dt2

t2

1

.

dx

x Vк п

dx

x

Vк в

Отсюда

1

1

sin(i

) sin(i

)

2 cos

.

x Vк п

Vк в

V1

Vг

Таким образом, граничная скорость может быть определена по наклону разностного годографа:

261

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

Vг 2cos x / .

При углах наклона, меньших 10 – 15º, Vг 2 x / .

Б. Определение скорости в перекрывающем слое. Ско-

рость упругих волн в перекрывающем слое (толще) V1 (Vср ) мо-

жет быть оценена по точкам пересечения годографов прямой и головных преломленных волн:

V1 Vср xтп / tтп ,

где xт п и tт п – координаты точек пересечения.

Однако более точно Vср Vэф получается по данным ме-

тода отраженных волн.

В. Построение преломляющей границы способом ну-

левого времени. Одним из простых и точных способов определения H, и построения преломляющей границы является способ нулевого времени (t0).

Для любой точки S, где имеются два встречных годографа (рис. 4.8), можно найти некоторую функцию t0 t1 t2 T , ко-

торая равна времени на пункте взрыва t0 2H cosi /V1 . В самом деле,

t1	tO AC	tCS , t2	tO BD	tDS	, T tO AC	tO BD tCD .
	1		2		1	2

Отсюда, считая границу на участке СD плоской и опустив из S перпендикуляр на СD, получим

t t

T t

t

t

2t

2t

2CS

2CK

.

2

CS

DS

CD

CS

CK

1

V1

Vг

Из треугольника CSK следует: CS H / cosi , CK H tg i . Учитывая, что sin i V1 /Vг , получим

262

Сейсморазведка

t0

t1

t2 T

2H

2H tgi

cosiV1

Vг

sin 2 i

(4.12)

2H

1

2H cosi

.

V1

cosi

cosi

V1

Следовательно, для любой точки профиля, где имеются

встречные

годографы,

можно найти

фиктивное время

t0 t1

t2

T , а затем и рассчитать

H

t0V1

t0

.

(

2 cosi

1

1

4.13)

2

V 2

V 2

1

г

Практическое применение способа t0

сводится к следую-

щему. Для любой точки х определяется величина t = T – t2. От значения t1 по первому годографу измерителем откладывается t вверх (получаем точку разностного годографа θ = t1 + t = t1 –

t2 + T) и вниз (получаем t0 = t1 – t = t1 + t2 – T). Сделав подобные построения в нескольких (3 – 5) точках оси х и соединив точки θ

и t0, получаем разностный годограф θ(x) и линию t0(x). По на-

клону	разностного годографа находится граничная				скорость
Vг 2	x /	(при	15º). Если угол	15º, то ее можно опре-
делить	по	формуле,	приведенной выше (Vг 2cos		x /	).
Зная t0	в каждой точке, по формуле (4.13) можно рассчитать эхо-

глубину H.

Проведя из нескольких точек х дуги радиусами H и соединив их плавной касательной, получим искомую преломляющую криволинейную границу раздела. Для криволинейной границы не имеет смысла говорить об угле наклона , поскольку он разный в разных точках преломляющей границы.

Приведенные прямые и обратные задачи МОВ и МПВ для двухслойного разреза являются основными задачами сейсмораз-

ведки, поскольку, заменив верхний слой (V1, H, ) толщей (Vср, H, ), получаем практически одни и те же годографы. Решение

263

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

кинематических прямых и обратных задач для отраженных, преломленных, рефрагированных, дифрагированных волн слоистых толщ (одномерные задачи – 1Д), сред с вытянутыми контактами (двухмерные задачи – 2Д) и для включений объектов (трехмерные задачи – 3Д) в аналитическом виде связано с большими математическими сложностями.

4.10. Принципы решения обратной задачи метода рефрагированных волн

Решение обратной задачи метода рефрагированных волн (МРВ) сложнее, чем преломленных. Решение сводится к по-

строению скоростных разрезов, или полей скоростей, на кото-

рых для каждой точки разреза известна скорость. С учетом разных законов изменения скоростей с глубиной разработаны различные приемы построения скоростных разрезов по годографам рефрагированных волн.

Рассмотрим один из простых приемов для среды с вертикальным градиентом скорости. Среда принимается за слоистооднородную, состоящую из бесконечно тонких горизонтальных слоев, в каждом из которых скорости постоянны, а на границах возрастают скачком, причем, чем глубже слой, тем выше скорость в нем (см. рис. 4.1).

Для таких разрезов можно воспользоваться решением об-

ратной задачи МПВ над многослойной средой. На годографе рефрагированной волны выбирается несколько (до 5) точек (t1, t2,…) и к каждой из них проводится касательная (рис. 4.9). По пересечению касательных с осью времен определяются t01, t02,…, а по их наклону – кажущиеся скорости

VK1 x1 / t1 , VK 2 x2 / t2 ,...

Ранее получено выражение для кажущейся скорости головной преломленной волны, которая в случае горизонтальной

преломляющей границы (	= 0) равна VK Vср / sin i Vг (здесь
применена формула sin i	Vср /Vг ). Поэтому можно записать
264

Сейсморазведка

VK1 Vг 1 , VK2 Vг 2 , ...

Рис. 4.9. Годографы рефрагированных волн (а) и (б): 1 – точки разреза; 2 – изолинии скоростей

За среднюю скорость Vср1,Vср2, ... в покрывающей среде

над соответствующими		преломляющими площадками с
Vг 1 , Vг 2 , ... принимается полученное эмпирическим путем выра-
жение
Vср i 0,5 xi / ti	xi	/ ti VK i ,

где xi / ti – скорость в покрывающей толще, если считать ее не-

градиентной; i = 1, 2, … По известным t0, Vг и Vср можно определить глубину залегания преломляющих площадок:

H		t	0			.
	2 1/V 2			1/V 2
		ср		г

Для практического построения скоростного разреза

данным методом от точек профиля, расположенных в середине между пунктом возбуждения и расчетными точками x1, x2, …, вниз откладываются глубины H1, H2, … и у них записываются

265

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

граничные скорости Vг1, Vг2, … Если провести изолинии, то получим скоростной разрез. Построение скоростных разрезов описанными выше способами обычно выполняется на компьютерах.

4.11. Пьезоэлектрический и сейсмоэлектрический эффекты

Сущность сейсмоэлектрического метода сводится к возбуждению упругих волн с помощью взрывов или невзрывных источников и изучению как упругих волн, так и электромагнитных импульсов. Сейсмоэлектрические явления, на которых этот метод основан, объясняются, по крайней мере, двумя факторами: пьезоэлектрическим эффектом (ПЭЭФ) кристаллических горных пород и сейсмоэлектрическим эффектом (СЭЭФ) осадочных пород.

Пьезоэлектрический эффект представляет собой элек-

трическую поляризацию, т.е. определенную ориентировку полярных молекул при механическом воздействии на вещество. Пьезоэлектрическая поляризация наблюдается как в монокристаллах некоторых диэлектриков (реже – полупроводников), так и в поликристаллических средах, какими являются горные породы.

Сейсмоэлектрический эффект изучен значительно хуже,

чем пьезоэлектрический. Он наблюдается при прохождении сейсмических волн через осадочные влагосодержащие породы. Под действием упругой волны происходит смещение подвижной части двойных электрических слоев, существующих на твердых частицах этих пород. В результате образуются электрические потенциалы, природа которых примерно такая же, как и у потенциалов фильтрации. Объясняется это тем, что интенсивность фильтрационного и сейсмоэлектрического полей пропорциональна разности давлений на концах капилляра. В первом случае давление постоянно и пропорционально скорости движения подземных вод через капилляры, а во втором – переменно, оно синхронно изменяется с прохождением упругой волны, меняющей давление на концах капилляров. Количественно сейсмоэлектрический эффект принято характеризовать пьезоэлектрическим модулем.

266

Сейсморазведка

4.12. Сейсморазведочная аппаратура и оборудование

Для проведения сейсморазведочных работ используются сложные комплекты аппаратуры, включающие:

1)источники возбуждения упругих волн (взрывные и невзрывные);

2)устройства, воспринимающие упругие колебания и преобразующие их в электрические сигналы (сейсмоприемники или геофоны при наземных работах, пьезоприемники и гидрофоны при работах на акваториях);

3)сейсмостанции, включающие многоканальные усилители и регистраторы (аналоговые или цифровые);

4)компьютеры для обработки информации;

5)вспомогательное оборудование (буровые станки, автомобили для транспортировки приемных установок, провода и прочее).

Техническая сложность использования сейсморазведочной аппаратуры:

1)необходимо изучать глубины от нескольких метров до сотен километров, что требует применения разных источников возбуждения упругих волн – от удара кувалдой до мощных взрывов;

2)регистрация смещения почвы амплитудой от 10-6 до долей миллиметра создает перепад в интенсивности сигналов в миллионы раз, что требует применения электронных усилителей

скоэффициентами усиления и динамическим диапазоном 106–

107;

3)при одновременной фиксация множества волн либо в нескольких точках вокруг источника, либо в сотнях пунктов от него предполагается применение многоканальных идентичных приемных установок;

4)необходимо обрабатывать большое количество информации, что оказалось возможным лишь благодаря компьютерам, встроенным в современные станции, с последующей компьютерной переинтерпретацией материалов.

267

В.К. Хмелевской, В.И. Костицын

4.12.1. Источники упругих волн

Для возбуждения упругих волн на земной поверхности, в неглубоких (до 50 м) скважинах или в водоемах используются различные способы. Простейшими являются удары молотком, кувалдой или падающим грузом по земной поверхности. Долгое время основным способом создания упругих волн являлось использование взрывчатых веществ (ВВ) типа тротил, аммонит, порох весом от 100 г до сотен килограммов в скважинах. Подрыв ВВ осуществляется с помощью электродетонаторов и специальной взрывной машинки, подающей в эти вещества высоковольтный электрический импульс.

Ввиду сложности организации и проведения взрывных работ, а также их экологического вреда в последнее время используются разного рода невзрывные источники с импульсным (10-3–10-1 с) или квазинепрерывным (2–20 с) возбуждением.

К импульсным источникам относится установка газовой детонации, в которой используется газовзрывная смесь (например пропан и кислород), находящаяся в цилиндре с подвижным поршнем. Цилиндр монтируется под грузовиком. При сгорании смеси поршень ударяет вниз, а удар вверх сдерживается массой грузовика.

Ввибраторах, предназначенных для возбуждения квази-

непрерывных упругих колебаний, в аналогичный цилиндр, как в гидравлический домкрат, нагнетается масло. При резком изменении объема масла платформа и грузовик своей массой ударяют по земной поверхности.

Вэлектроискровых источниках упругое поле создается электрическим разрядом в воде от электрической энергии, накопленной от какого-нибудь источника в конденсаторах. Под воздействием электровзрыва окружающая его жидкость образует перегретый пар или парогазовую полость давления, которая в окружающей жидкости создает упругую волну.

Впневматической пушке в воду под высоким давлением выбрасывается воздух, накапливаемый в специальной камере.

Существуют и другие источники возбуждения упругих

волн.

268