Физические основы сейсморазведки: типы волн, отражение и преломление, вид годографов.

Существуют два типа деформации – упругие (когда тело восстанавливается после снятие сил), и не упругие (пластилин). От сейсмического источника во все стороны распространяются упругие деформации в виде сейсмических волн. Их можно считать упругими везде, за исключением ближней зоны источника, где деформации превышают прочность пород. Скорость распределения волн определяется упругостью и плотностью пород. Существует две группы волн: объемные (распространяются по всему объему) и поверхностные (захватывают только слой вблизи свободной поверхности) (сейсмораз.1, стр.20, рис.6).

Объемные волны, 2 типа: - волны сжатия или продольные (Р) в которых одноосные деформации растяжения или сжатия ориентированны по направлению распространения; - волны сдвига или поперечные (S) создающие деформации чистого сдвига перпендикулярно направлению их распространения. Распределение сейсмических волн основано на принципе Гюйгенса и Ферма. Принцип Гюйгенса- всякую точку волнового поля можно принять за точечный источник колебания – центр вторичных волн. Огибающая этих вторичных волн указывает положение фронта волны (камушек в воде). Этот принцип даёт возможность определить положение фронтов волн в среде с произвольным распределением скорости V(x, y, z) в любой момент времени, если заданно положение фронта Q₀ в момент времени t₀. Аналитическим выражением принципа Гюйгенса является диферинциальное уравнение Гамильтона. 1/V²(x, y, z) = (δt/δx)² + (δt/δy)² + (δt/δz)². Оно является уравнением поля времени. Функция t(x, y, z) удовлетворяющая данному уравнению в частных производных в области с заданными граничными и начальными условиями называется функцией поля времени. В фиксированный момент времени t=const она определяет изохрону проходящей волны или положение волновой поверхности в пространстве. Принцип Ферма – утверждает, что действительный путь распространения волны из одной точки в другую, это такой путь, для прохождения которого требуется минимальное время по сравнению с любым другим возможным путем между этими точками. Он показывает, что в однородной среде время пробега волны будет минимальным, если она распространяется вдоль луча соединяющего две точки по прямой. Важным в геометрической сейсмики является принцип взаимности, согласно которому время распространения волн из одной точки в другую не изменится, если поменять местами источник и приемник. Этот принцип является основополагающим при увязке годографов (это зависимость времени прихода волны от расстояния её пробега) во взаимных точках (более подробное описание годографов смотри в методике сейсморазведки).

Упругие волны распространяясь в среде испытывают на границах отражение и преломление). Закон отражения и преломления для изотропных сред:

- падающий, отраженный, и преломленный лучи лежат в одной плоскости;

- угол падения α, отражения γ, и преломления β связаны между собой соотношением Снеллиуса: sinα_p/Vp₁= sinα_s/Vs₁= sinγ_p/Vp₁= sinγ_s/Vs₁= sinβ_p/Vp₂= sinβ_s/Vs₂.

При падении плоской волны на границу раздела двух сред образуется 4 вторичных плоских волны различных типов – продольные и поперечные. Назовем монотипными вторичные волны равные первоначальной (падающей), и обменными вторичные волны, отличающиеся от падающей (PS и SP). Общая энергия отраженной и преломленной волн равна энергии падающей волны. Произведение плотности горных пород на скорость распространяющихся в них упругих волн называется волновым сопротивлением или акустической жесткостью. Величина энергии проходящая на отраженную и преломленную волны определяется разностью в акустической жесткости ρV пород по обе стороны от границы раздела. Коэффициент отражения – это отношение амплитуд волн отраженных от плоской границы, в амплитуде падающей волны: χ_отр(РР) = а_рр/a_p = (ρ₁V₁-ρ₂V₂) / (ρ₁V₁+ρ₂V₂). Коэффициент преломления – это отношение амплитуд волн, проходящих через границу к амплитуде возбудившей их падающей волны: χ_прел(РР) = а_рs/a_p = 2ρ₁V₁ / (ρ₁V₁+ρ₂V₂). Коэффициент отражения и преломления связаны соотношением: χ_отр + χ_прел = 1.

Когда угол падения становится равным критическому (i_pp), образуется головная волна (критически преломленная) (стр.28, рис.9). Критическим называется угол полного внутреннего отражения: sin i_pp = V₁/V₂. Если V₂>V₁ то существует головная волна. Прохождение головной волны по границе раздела слоев создает возмущение в верхнем слое, распространяющееся со скоростью V₂. Таким образом, головная волна распространяется со скоростью V₂ превышающей скорость сейсмических волн V₁ для этого слоя. Благодаря головной волне сейсмическая энергия после преломления в подстилающем слое возвращается на дневную поверхность. При небольшом различии волновых сопротивлений образуется волна небольшой амплитуды, и граница является слабой.

Рефрагированные волны: в градиентной среде, вследствие непрерывного изменения скоростей, луч испытывает непрерывное преломление и волна распространяется по искривленной траектории. При положительном градиенте δV/δz > 0 кривая имеет выпуклость вниз и волна выходит на дневную поверхность (стр.29, рис. 29, сейсм.1). точка максимального погружения – это точка поворота. Волна, обладающая криволинейной траекторией – это рефрагированная волна.

Поверхностные волны: распространяются в относительно тонком слое вблизи поверхности, где они возникли. Выделяют два типа: Лява и Релея. Волны Лява возникают в поверхностном слое, если Vs₁ поперечной объемной волны меньше её скорости в подстилающем слое. Колебание частиц в этих волнах происходит параллельно свободной поверхности и перпендикулярно направлению распространения. Волны Релея – частицы движутся в среде по эллиптической траектории лежащей в плоскости перпендикулярной поверхности и ориентированной вдоль направления распространения волн. Волны Релея распространяются в однородном изотропном пространстве. V_R = 0.9V_S. Эти оба типа являются волнами помехами, так как мешают выделить слабо амплитудные волны.

Классификация методов сейсморазведки. Её можно проводить по типам применяемых волн. Основными методами является метод отраженных волн (МОВ), и метод преломленных (головных) волн (МПВ). В них используются волны разных типов поляризаций: продольные, поперечные и обменные. В отдельных методах выделяют различные модификации в зависимости от сложностей сейсмогеологических условий и решаемых геологических задач. На основе цифровой регистрации и соответствующей обработки разработаны более эффективные методы общей глубинной точки отражения (ОГТ).

Сейсмические наблюдения в зависимости от места их выполнения подразделяют на: - наземную сейсморазведку; - речную и озерную сейсморазведку; - морскую сейсморазведку; - скважинную сейсморазведку; - подземную (шахтную) сейсморазведку. В зависимости от характера решаемых геологических задач сейсм-ку разделяют на: структурную и неструктурную, а в зависимости от вида полевых наблюдений – на профильную и площадную.

В зависимости от решаемых геологоразведочных задач различают следующие виды сейсморазведочных работ:

- глубинные сейсмические зондирования (ГСЗ). ГСЗ применяют для изучения поверхности кристаллического фундамента и нижележащих слоев земной коры, их соотношения со структурными особенностями осадочн. чехла, а также для изучения крупных тектонич-их элементов земной коры. Основные границы раздела имеют следующие значения граничных скоростей головных волн: поверхность кристалл. фунд-та (Vr =6 км/с); граница Конрода, м.у. гранитным и базальтовым слоями (Vr =7 км/с); подошва земной коры – граница Мохо (Vr =8 км/с).

- региональные сейсморазведочные работы. Их задачи – изучение наиболее крупных особенностей геологического строения, определение глубины и рельефа кристаллического фунд-та, выявление в осадочном чехле сводов, валов, впадин и др. Выполняются по длинным, до 100-ен км, профилям, пересекающим крупные геологические регионы. Исследования этим методом комплектуют МОВ, МПВ, а также обменных проходящих волн.

- поисковые сейсморазведочные работы. Их задача – обнаружение особенностей геологич. разреза, благоприятного для образования м-ий полез. иск. Так, при поисках нефтегазоносных м-ий интерес будут представлять выявление антиклинальных складок, соляных копалов, зон стратиграфического и литологического несогласия. Основным при разведке явл. МОВ в его различных модификациях.

- детальные сейсморазведочные работы (ДСР). Их задача подготовка перспективных площадей, выявленных при поисково-съемочных работах, под глубокое разведочное бурение. В последние время популярной является методика называемая прогнозированием геологического разреза (ПГР). Она включает поиск неструктурных ловушек нефти и газа, изучение вещественного состава разреза, и прогноз наличия в нем углеводородного сырья. При изучении нефтепромысловых свойств пород разреза изучают динамические и кинематические характеристики сейсм.волн (V продольных и поперечных волн, интенсивности, упругие константы горных пород). ДСР проводят с использованием ОГТ, РНП, скважинных наблюдений, продольных, поперечных, обменных и проходящих волн.

- инженерная сейсморазведка. Она решает задачи связанные с проектирование и строительством инженерных сооружений. Часто применяется комплексирование с другими геоф.методами и бурением. Небольшие глубины исследования делают целесообразным применением МПВ, широко используются прямые и поверхностные волны. Решаются следующие геологические задачи: определении глубины залегания и форма рельефа крепких коренных пород, определение положения уровня грунтовых вод, выявление зон повышенной опасности и др.

Методы и методика сейсморазведки:Основные методы это МОВ и МПВ, которые позволяют квартировать имеющиеся на глубине границы раздела. Рассмотрим 2-ух слойную среду в ней упругая волна может пройти от источника возбуждения к приемнику 3 путями (сейсморазведка 1, стр.34, рис 12),:

- прямая волна распространяется по прямой со скоростью V₁;

- отраженная волна подходит к границе раздела под некоторым углом и отражаясь возвращается на поверхность к приемнику со скоростью V₁;

- преломленная волна подходит к поверхности под критическим углом со скоростью V₁. Преломившись, она распространяется как головная со скро-тью V₂ и возвращается к поверхности со скоростью V₁.

Кривая зависимости времени пробега (прихода) волны от расстояния ее пробега – это годограф (сейсморазведка 1, стр.34, рис. 13). По ним вычисляют глубину залегания подстилающего слоя. Из рис. 13 видно, что первые вступления волн, зафиксироыванные приемником, будут принадлежать прямой Х < Хп или головной волне Х > Хп. На расстоянии Хп эти волны пересекаются, и головная волна выходит на первые вступления, ближе Хкр головная волна не существует, и на этом расстоянии времена пробега головной и отраженной волн совпадают, т.к. они проходят по одному пути. Но отраженные волны никогда не наблюдаются в первых вступлениях, они явл. малоамплитудными, а преломленные всегда регестрируются на больших расстояния до 1000 км – эти особенности годографов определяют методику работ на отраженных и преломленных волнах. => в МПВ расстояние от источника до первого приемника д.б. большим, чтобы фиксировать преломленную волну в первых вступлениях. В МОВ надо выявлять фазы, которые никогда не выходят в первые вступления и имеют малую амплитуду => в МОВ регистрация ведется на малых расстояниях.