Раздел 2 модуля 2:. Сейсморазведка.

Лекция 10. Тема: Физические и геологические основы сейсморазведки. Сейсмоволновые характеристики горных пород.

Сейсморазведка – представляет собой раздел разведочной геофизики, в котором изучаются поля упругих деформаций происходящих в геологических средах вследствие механических воздействий. Это взрывы, удары, техногенные вибрации, тектонические процессы, в частности землетрясения. Как и в других разделах геофизики поля разделяются на искусственные, используемые преимущественно в сейсморазведке, и естественные, которые изучают в основном в сейсмологии.

Упругость - это свойство природных объектов сопротивляться изменению их объема и формы вследствие механических напряжений. Параметрами упругости являются Модуль Юнга Е и Коэффициент Пуассона ν. Модуль Е измеряется в Паскалях (Па) и выражается формулой:

Е=Р_х/е_х (2.17), где

Р_х - приложенное напряжение по заданному направлению, например х,

е_х - деформация от приложенного напряжения.

Объемная деформация для каждой точки среды характеризуется суммой деформаций по направлениям координатных осей прямоугольной системы:

∆V/V=е_х+е_у+е_z

Коэффициент ν выражается отношением меры растяжения-сжатия геологических объектов к их удлинению при приложении растягивающей нагрузки:

ν=е_у/е_х (2.18)

В результате упругих деформаций в природных объектах возникают упругие волны, основными из которых являются продольные υ_р и поперечные υ_s. Эти волны называются объемными. Продольные волны возникают вследствие процессов расширения-сжатия поперечные - процессов сдвига.

Помимо объемных волн на границе с дневной поверхностью возникают поверхностные волны:

1. Волны Релея (частицы колеблются в вертикальных направлениях);

2. Волны Лява (частицы колеблются в горизонтальных направлениях).

Продольные и поперечные волны связаны с показателями упругости следующими соотношениями:

, (2.19), где

δ – плотность пород.

Поля упругих деформаций, как и другие геофизические поля, характеризуются параметрами напряженности и потенциала. Кроме того, в сейсморазведке изучают колебательные процессы и их распределением во времени. Пользуются показателями А - амплитуды сигнала и t - времени распространения упругих волн.

Наиболее эффективными источниками сейсмических колебаний являются взрывы, которые производятся при сейсморазведочных работах в специально пробуренных шпурах или скважинах. Взрывы выполняют под покровными отложениями, то есть ниже зоны малых скоростей (ЗМС), где сейсмические волны интенсивно затухают. К другим источниками сейсмического поля относятся удары. Разработаны специальные невзрывные источники которые позволяют выполнять многократные возбуждения, необходимые для накапливания сигналов.

Процесс возникновения сейсмоволнового поля от взрыва условно подразделяется на три зоны. В точке взрыва происходит разрушение пород. Далее образуется зона уплотнения, которая переходит в зону упругих колебаний. Процесс упругих деформаций сопровождается чередованием областей уплотнения и разрежения. Граница между зонами затронутыми и незатронутыми колебаниями есть фронт, а граница, где волна прошла и колебания затухли называется тылом волны (рис. 2.33).

Рис. 2.33. Области распространения сейсмической волны

Запись колебаний частиц – основной первичный материал сейсморазведки, при том, что ограничиваются получением таких записей для вертикального направления. Одна из форм записей – график колебаний, который представляет собой величину отклонения U частицы M за время t. Примечательно, что разные по природе происхождения упругие волны имеют каждая свою индивидуальные формы. Поэтому для частиц одноименной среды, находящихся в точках M₁ M₂, записи или что тоже трассы одноименных по типу волн будут близки по форме

(Рис. 2.34).

Рис. 2.34. Графики колебаний частиц среды в точках М₁ и М₂ (запись трассы волны)

Затухание волны описывается формулой:

А=А₀*е^-αr*f(r), (2.20), где

А₀ - начальная амплитуда волны, е - основание натурального логарифма, α - коэффициент затухания, r - расстояние между источником волны и приемником колебаний, f(r) - функция распределения волн различного типа f(r)=1/r для υ_р и f(r)=1/r² для υ_s.

Вторая форма записи колебаний частиц – график зависимости величины отклонения U от расстояния r до источника. Такие графики носят название профиля волны. На них прослеживается тенденция затухания амплитуды колебаний с увеличением момента времени регистрации (рис. 2.35).

Рис. 2.35. Профили волны между точками М₁ и М₂ в моменты времени t₁ и t₂.

Промежуток времени, разделяющий два соседних одноименных экстремума (см. рис. 61), называют видимым периодом колебаний Т, а расстояние λ между такими же экстремумами – видимой длиной волны (см. рис. 62). Показатели Т и

λ связаны соотношением:

(2.21), где

– скорость, а f – частота.

В сейсморазведке при изучении особенностей распространения упругих волн пользуются законами геометрической оптики. Наиболее простыми являются кинематические схемы с лучевыми построениями. В их основе лежат два основных принципа: 1) Гюйгенса-Френеля, 2) Ферма΄.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля каждая точка среды самостоятельный источник волн. Форма этих волн - вид затухающих синусоид. Вся волновая поверхность является огибающей семейства элементарных волн (сфер малых радиусов), при том, что их интерференция обусловливает за пределами волнового фронта степень интенсивности (амплитуду) суммарной упругой волны. В однородной изотропной среде все лучи распространения волн прямолинейны (рис. 2.36-а), а в неоднородно-слоистой, в силу преломления, эти лучи криволинейны (рис. 2.36-б).

Рис. 2.36. Принцип Гюйгенса для нахождения плоского волнового фронта в однородной (а) и неоднородной (б) средах

Согласно принципу Ферма΄ распространение волн происходит по кратчайшему расстоянию и, в силу того, что в земной коре существуют отражающие и преломляющие границы, происходит рефрагирование волн, то есть их выход на поверхность (рис. 2.37).

Рис. 2.37. Схема выхода лучей к земной поверхности за счет рефракции

Явление рефракции является основанием для применения методов сейсморазведки то есть методов отраженных (МОВ) и преломленных (МПВ) волн. Их распространение в пространстве описывается типовой формулой:

r=υ(x,y,z)*t (2.24), где

r – расстояние между источником и приемником упругих волн, υ(x,y,z) - пространственная скорость, t – время первого вступления.

Типы волн используемых в сейсморазведке.

Если в геологической среде создать источник упругих (сейсмических) колебаний, то от него, соответственно, по всевозможным направлениям будут расходиться сейсмические волны. Последние принято разделять на волны полезные, к которым относятся отраженные и преломленные (головные), и второстепенные: дифрагированные, интерференционные и боковые.

Если выделить распространяющуюся от источника единичную, падающую под углом α продольную волну, то в среде, где есть границы раздела, между которыми находятся слои отличающиеся по акустической жесткости А (произведение скорости υ на плотность δ, то есть А= υ* δ), образуется еще четыре волны: Р₁S₁ – отраженная поперечная, P₁P₁ – отраженная продольная волна, P₁P₂ – проходящая продольная волна, P₁S₂ – проходящая поперечная волна ( рис. 2.38).

Рис. 2.38. Образование различных типов волн на границе двух твердых сред

 и α΄- углы падения и отражения волны

Волна не поменявшая свой тип называется монотонной, а поменявшая обменной.

Если в среде существует граница (границы) разделяющая среды, где нижележащий слой имеет скорость v₂ большую, чем у вышележащих слоев, скорость которых v₁, то при падении лучей (сейсмических волн) на такую границу создаются головные (преломленные) волны. Они образуются только на определенном удалении от источника, когда возникает скользящая вдоль границы волна при угле падения α (см. рис. 65), равному некоему критическому углу i:

(2.25)

Головной волны параллельны друг другу (рис. 2.29).

Рис. 2.39. Схема образования головных волн

Скорость распространения головных волн больше, чем падающих и отраженных, поскольку υ₂>υ₁. Эти волны имеют и значительно большую амплитуду. Однако, приведенная картина не означает, что на рассматриваемой границе нет других волн. Соответственно присутствуют и отраженные и второстепенные волны.

Для P1P1 волн принцип Ферма΄ приводит к закону Снеллиуса, который утверждает, что луч отраженной волны лежит в плоскости падения, направлен вверх от границы и угол α' между этим углом и нормалью всегда равен углу α (см. рис. 2.39).

Второстепенные волны возникают, как правило, на сложных геологических границах, которые имеют неровности и характеризуются прерывистостью. В тех случаях, когда размеры «шероховатости» меньше длины волны λ, возможно образование дифрагированных волн то есть волн с изгибами фронтов. В результате получается «радужная» картина, которая соответственно осложняет общую картину основных типов сейсмических волн.

Другой тип второстепенных волн - это интерференционные волны. Они представляют собой сложение когерентных (совпадающих по фазе) волн. В результате получается картина чередования полос волн большой и малой амплитуд то есть обычная интерференционная картина.

Особый вид второстепенных волн - боковые волны, возникающие в пределах границ, где раздела существуют малые отражающие площадки. Создается эффект бликов волновой ряби на поверхность водоема.

К волнам-помехам относят поверхностные волны, особый вид которых связан с границей «свободной поверхности» земля-воздух. Основная из этих волн - волна Релея, которая распространяется вдоль земной поверхности по эллипсоидной траектории, вертикальной к поверхности и имеет скорость меньшую, чем у поперечных объемных волн.

Краткая характеристика скорости распространения упругих волн

Дифференциация пород геологических разрезов по скорости распространения упругих волн предопределяет способность этих волн к отражению, преломлению, дифракции и.т.д. на границах разделов сред.

Твердая фаза.

Для основных породообразующих минералов тенденция изменения скорости распространения упругих волн несколько иная, чем у плотности и определяется удельным весом, физико-механическими характеристиками и строением кристаллической решетки (рис.40).

Увеличение 

минералы минералы минералы минералы минералы

у глистой силикатной карбонатной глинистой рудной

группы группы группы группы группы

Рис. 2.40. Тенденция изменения скорости распространения упругих волн в твердой фазе

Жидкая фаза.

Вода и нефть имеют пониженные значения параметра скорости: υ_воды=1,5 км/с, υ_нефти=1,35 км/с. Это значит, что высокопористые породы, заполненные водой или нефтью, будут иметь пониженные значения скорости по отношению к низкопористым, преобразованным (окаменелым) породам.

Газовая фаза.

Скорость распространения в воздухе и природных газах еще меньше, чем в воде и нефти и составляет υ_возд<0,8 км/с, υ_метана<0,7 км/с.

Кристаллические породы.

Скорость распространения упругих волн в кристаллических породах увеличивается у магматических в щелочноземельном ряду от кислых к ультраосновным и у метаморфических по мере роста степени метаморфизма. Для обоих групп графики изменения однотипны (рис. 2.41).

Осадочные породы.

Для осадочных пород одноименных стадий преобразования тенденция изменения показателя _п соответствует таковой для твердой фазы. То есть наблюдается последовательное увеличение скорости распространения упругих волн от пород углистой до рудной групп.

Рис. 2.41. Тенденция изменения скорости распространения упругих волн