Выбери формат для чтения
Загружаем конспект в формате pdf
Это займет всего пару минут! А пока ты можешь прочитать работу в формате Word 👇
Установочная лекция
Сейсморазведка
Сейсморазведка
ЗПИ
Романов Виктор Валерьевич, доцент кафедры геофизики
romanovvv@mgri.ru
1
Сейсморазведка
• Сейсморазведка входит в цикл разделов разведочной (прикладной) геофизики.
• Название «сейсморазведка» образовано из двух слов. Греческий корень Σεισμός
(произносится как «сейсмос») означает сотрясение, землетрясение.
• Термин «разведка» указывает, что сейсморазведка применяется
геологоразведке, то есть при поиске месторождений полезных ископаемых.
в
• Также сейсморазведка используется при решении задач инженерной геологии, в
археологии и экологии, при обследовании зданий, районировании по
интенсивности землетрясений
• Причиной колебаний, наблюдаемых на земной поверхности при землетрясении,
является сейсмическая волна.
Сейсмическая волна переносит энергию
механических колебаний от источника во всех направлениях.
• В сейсморазведке применяются не землетрясения, которые являются
случайными катастрофическими событиями, а управляемые искусственные
источники.
• Такими источником может быть сильное механическое воздействие, которое
деформирует участок земной поверхности – взрыв, интенсивная вибрация или
удар
•
2
Механическое колебание
• Если все силы, действующие на частицу горных пород, равны она неподвижна и
находится в точке устойчивого равновесия.
• Механическое колебание - повторяющееся (периодическое) движение частицы
горной породы по незамкнутой траектории, которую она проходит поочередно в
противоположном направлении.
• Состояние колеблющейся частицы в данный момент времени можно описать при
помощи одной из трех колебательных величин:
• Колебательное смещение u - расположение частицы относительно равновесного состояния. Равно
нулю, если частица находится в равновесном состоянии. Знак смещения указывает на расположение
частицы, + справа от равновесной точки, - слева от равновесной точки
• Колебательная скорость v – относительное изменение смещения во времени. Нулевая
колебательная скорость соответствует неподвижной частице. Знак скорости указывает на
направление движения, + вперед по выбранной оси, - назад по выбранной оси
Δ𝑢
𝑣=
Δ𝑡
• Колебательное ускорение a – относительное изменение скорости во времени. Нулевое
колебательное скорость соответствует неподвижной частице. Знак ускорения указывает на изменение
скорости - увеличение (+) или уменьшение (-)
Δ𝑣
𝑎=
Δ𝑡
3
Сейсмотрасса
• Сейсмотрасса
(запись
колебаний)
–
зависимость колебательной величины от
времени.
• Сейсмотрасса
–
результат
работы
сейсмоприёмника,
который
преобразует
колебательную величину в пропорциональное
напряжение электрического тока.
• Как правило, сейсмоприёмники измеряют
колебательную скорость
• Время в сейсморазведке обычно измеряется в
миллисекундах (мс)
1 мс = 10−3 с
1 с = 10+3 мс = 1000 мс
4
Динамические свойства волны
•
В момент вступления волны в точку наблюдения в ней начинается колебательное движение,
которое называется импульсом волны.
•
Свойства импульса определяют динамические свойства волны – амплитуду, частоту, период
•
Амплитуда A – максимальное по модулю значение колебательной величины импульса.
Измеряется в единицах колебательной величины, вольтах или полагается безразмерной.
•
Фаза φ[рад] – состояние колеблющегося тела в данный момент времени. Например, фазами
являются максимумы и минимумы импульса волны.
•
Период Т[мс] - интервал времени, разделяющий две одинаковые фазы импульса. За один
период фаза изменяется на 2π радиан.
•
Частота f[Гц] – количество колебаний за одну секунду. Величина, обратная периоду.
1
1000
𝑓[Гц] =
=
𝑇𝑐
𝑇 мс
•
Круговая частота ω[рад/с] – скорость изменения фазы импульса
Δ𝜑 2𝜋
𝜔=
=
= 2𝜋𝑓
Δ𝑡
𝑇
Длительность импульса LИ [мс] – промежуток времени от вступления волны до полного
затухания импульса.
•
5
Регистрация колебаний
•
Регистрация сейсмических колебаний ведётся в цифровой форме
•
Длина записи LЗ[мс] - время регистрации колебаний сейсмических волн, созданных при помощи одного
источника. Регистрация синхронизована с началом работы источника.
•
В течение длины записи приёмник непрерывно формирует электрический сигнал. Зарегистрированный сигнал
уже дискретен, его значения не образуют непрерывного ряда.
•
Отсчёты (значения) цифрового сигнала записываются через равный интервал времени – шаг дискретизации
Δt[мс]. Как правило он не превышает 1-2 мс.
•
•
Частота дискретизации F – количество отсчётов , регистрируемых за одну секунду
1
𝐹=
Δ𝑡
У каждого отчёта цифрового сигнала есть порядковый номер – индекс i, индексация отсчётов начинается с нуля.
•
Время регистрации отсчёта зависит от его индекса и шага дискретизации
𝑡𝑖 = 𝑖 ⋅ Δ𝑡
•
•
Число отчётов в трассе NО определяется длиной записи и шагом дискретизации
𝐿3
𝑁0 =
+1
Δ𝑡
Номер последнего отсчёта на трассе
𝑖𝑀𝐴𝑋 = 𝑁0 − 1
6
Расстановка
• Для регистрации волны применяется множество одновременно
работающих приёмников, установленных на прямой линии –
сейсмическом профиле. Точка на профиле называется пунктом (П).
• В сейсморазведке выделяют ПВ (пункты возбуждения) и ПП
(пункты приёма). В пунктах возбуждения располагаются источники
волн, в пунктах приёма – сейсмоприёмники.
• При одновременной многоканальной регистрации сейсмических волн
от одного пункта возбуждения приёмники занимают участок профиля,
который называется расстановкой.
• Канал - средство передачи сейсмической информации от приёмника
к сейсмостанции. Станция накапливает, объединяет и выполняет
предварительную обработку сейсмической информации. Для
одновременной регистрации волны от приёмников станция должна
быть многоканальной
• Параметры расстановки:
• Шаг приёма ΔxПП, м – расстояние между соседними пунктами приёма
• Число пунктов приёма в расстановке n – равно числу используемых каналов
станции
• Длина расстановки LР, м
– расстояние между крайними приёмниками
расстановки
𝐿𝑝 = 𝑛 − 1 ⋅ Δ𝑥ΠΠ
7
Система наблюдений
• Координата пункта хП, м – расстояние от пункта до начала профиля
• Координата пункта приёма с номером i хПП-i, м
𝑥ПП−𝑖 = 𝑥ПВ + (𝑖 − 1)Δ𝑥ΠΠ
• Удаление l, м – разность координат одного из пунктов приёма
расстановки и пункта возбуждения
𝑙 = 𝑥ПП − 𝑥ПВ
• Дистанция d, м – расстояние от одного из пунктов приёма
расстановки до пункта возбуждения
𝑑 = 𝑥ПП − 𝑥ПВ
• Средняя точка СТ - точка, посередине между пунктами приёма и
возбуждения
• Координата средней точки хП, м
𝑥ПП + 𝑥ПВ
𝑥𝐶𝑇 =
2
• Система наблюдений – взаимное расположение всех ПВ и ПП на
профиле
8
Сейсмограмма
• Сейсмограмма – множество сейсмотрасс,
полученных с одной расстановки
• Сейсмограмма формируется сейсмостанцией
при одновременной регистрации информации
от всех приёмников
• Количество трасс в сейсмограмме Nt равно
количеству каналов станции.
• Число отсчетов в сейсмограмме 𝑁𝑎𝑙𝑙
𝑁𝑎𝑙𝑙 = 𝑁𝑡 ⋅ 𝑁0
• Трассы в сейсмограмме расположены в
порядке возрастания координаты пунктов
приёма хПП
• Сейсмограммы записываются в формате в
формате SEG-Y или SEG-D
9
Способы изображения сейсмограмм
• Переменных отклонений
трассы
изображаются в виде
графиков
зависимости
колебательной
величины
от
времени.
• Положительные
значения
откладываются справа от осей
времени, отрицательные слева
• Самый простой и быстрой способ
отобразить сейсмограмму
10
Способы изображения сейсмограмм
• Переменной ширины - значения
колебательной
величины
изображаются
в
виде
горизонтальных
отрезков
переменной длины
11
Способы изображения сейсмограмм
• Переменной
плотности
значения колебательной величины
кодируются разными цветами.
12
Способы изображения сейсмограмм
• Комбинированный - переменных
отклонений
+
переменной
плотности
13
Выделение волн на сейсмограмме
• Волна на сейсмограмме выделяется в
виде группы колебаний по следующим
признакам
• Синфазность колебаний – на сейсмограмме
запись волны выглядит как множество
протяжённых параллельных линий равных
фаз – осей синфазности
• Стабильность формы импульса – форма
импульса на соседних трассах практически
идентична
• Амплитудная выраженность – группа
колебаний волны значительно отличается от
уровня предшествующих и последующих
колебаний
14
Корреляция
• Корреляция – поиск
волны на сейсмограмме,
определение её типа и
времён вступления во
всех пунктах приёма
• Результатом корреляции
является годограф –
зависимость
времени
вступления
от
координаты
пункта
приёма
15
Годограф прямой волны
• Прямая волна - волна, распространяющаяся от источника к
приемнику по кратчайшему пути – прямой линии.
• Годограф прямой волны имеет форму прямой линии.
• Вблизи источника прямая волна наблюдается в первых
вступлениях, обгоняя все прочие волны, первой наблюдается
на сейсмотрассах.
• В последующих вступлениях прямая волна не выделяется
• Скорость прямой волны и наклон её годографа зависит от
упругих свойств первого от поверхности слоя V1
• Годограф прямой волны вычисляется по формуле
𝑙
хПП − хПВ
𝑡ПРЯМ =
=
𝑣1
𝑣1
Δ𝑡ПРЯМ
𝑣1 =
Δ𝑥ПП
16
Модели в сейсморазведке
• Неоднородная среда – среда с различными значениями скорости сейсмических волн в разных
точках. В реальной геологической среде скорость – непрерывная функция от трех пространственных
координат.
𝑉 = 𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧
• Среда с непрерывным изменением скорости называется градиентной. Лишь бесконечно малый
участок градиентном среды можно считать однородным.
• Истинная скорость V, м/с ̶ cкорост бесконечно малого участка градиентной среды.
• Для осадочных горных пород характерна слоистая структура. Накопление материала из которого
формируются будущие породы происходит послойно, сверху вниз.
• Состав и свойства осадочных горных пород зависят от условий осадконакопления, которые могут
изменятся во времени (в том числе очень быстро) но незначительно по латерали.
• Например, минерал известняка (кальцит) аккумулируется в мелководных морях, при температуре
+25 +30 °C и в присутствии кораллов, водорослей и ракушек. С увеличением солености морской
воды, в условиях засушливого климата накапливаются доломиты. Глины формируются при
разложении горных пород, глинистый материал переносится водными потами и откладывает при
резком уменьшении скорости течения.
• Следовательно, истинная скорость в основном является функций глубины (z) и слабо зависит от x и y.
𝑉=𝑓 𝑧
• При описании
моделям
разрезов осадочных горных пород прибегают к вертикально-неоднородным
17
Модели в сейсморазведке
• Скоростной закон – зависимость скорости от глубины, основная характеристика
вертикально-неоднородной среды.
• Как правило, на скоростном законе можно выделить несколько участков, где
скорость близка к среднему по участку значению и отличается от него лишь
случайным образом.
• Такие участки можно считать однородным, они называются однородным слоями
или просто слоями. Слой ограничен сверху и снизу, по простиранию – бесконечен.
• Пластовая скорость V, м/с – основная характеристика однородного слоя, среднее
арифметическое по значениям истинной скорости в пределах слоя.
• Слоистая модель – содержит конечное количество однородных слоёв, разделённых
границами.
• Слои нумеруются сверху вниз, их пластовые скорости обозначаются V1, V2 …
• Граница – поверхность, разделяющая слои.
•
•
Кровля – верхняя граница слоя. У первого слоя поверхность совпадает с поверхностью Земли.
Подошва – нижняя граница слоя. У последнего слоя модели нет подошвы. Его называются
нижним полупространством.
• Число границ на 1 меньше, чем число слоёв.
18
Модели в сейсморазведке
• Плоские границы в пространстве имеют плоскую форму, в сечении –
форму прямой.
• Эхо глубина H, м – расстояние от пункта профиля до границы,
измеренное по нормали.
• Основные свойства плоской границы – эхо-глубина H и угол наклона φ.
• По углу наклона границы разделяются на горизонтальные, наклонные и
вертикальные.
• Горизонтальные границы характеризуются нулевым углом наклона и
постоянным значением эхо-глубины.
𝜑 = 0; 𝐻 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
• Наклонные границы характеризуются углом наклона больше нуля и
переменной эхо-глубиной.
𝜑 > 0; 𝐻 ≠ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
• Вертикальные границы характеризуются углом наклона = 90 и
бесконечно большой эхо-глубиной.
𝜑 = 90°; 𝐻 → ∞
19
Модели в сейсморазведке
• Точность сейсморазведки падает с увеличением угла наклона границ,
поэтому сейсморазведка наиболее эффективна при изучении
горизонтальных
и субгоризонтальных границ, характерных для
осадочных горных пород
• У горизонтального слоя кровля и подошва – горизонтально-слоистые
• Горизонтально-слоистая модель состоит из множества горизонтальных
слоев и нижнего полупространства с горизонтальной кровлей.
• Мощность h, м – кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой
слоя, определяется по нормали к его границам.
• Глубина слоя H, м - кратчайшее расстояние от поверхности до подошвы
слоя
𝑚
𝐻𝒎 = ℎ𝑘
𝑘=1
m- номер слоя.
• Каждый слой (кроме последнего) описывается мощностью и пластовой
скоростью. Глубины слоёв вычисляются по мощностям.
20
Тип границ
• Скоростная граница – граница между двумя слоями с различной пластовой скоростью.
𝑉𝑚+1 ≠ 𝑉𝑚
m-номер скоростной границы
• Преломляющая граница – кровля слоя, в котором пластовая скорость увеличивается.
𝑉𝑚+1 > 𝑉𝑚
• Акустическая жёсткость γ, кг/(м2·c) - способность горной породы сопротивляться
распространению сейсмической волны. В породах с большей акустической жёсткостью амплитуда
волны уменьшается сильнее, чем в акустически мягких породах
• Акустическая жёсткость вычисляется как произведение пластовой скорости на плотность.
γ𝑚 = 𝑉𝑚 · 𝜌𝑚
• Отражающая граница – граница между двумя слоями с различной акустической жёсткостью.
γ𝑚+1 ≠ γ𝑚
21
Двухслойная среда
• Простейшая модель неоднородной среды ̶ двухслойная среда, включающая один слой, одну
горизонтальную или наклонную границу и нижнее полупространство.
• В двухслойной модели, также как и однородной среде, наблюдается прямая волна, которая
распространяется от пункта возбуждения к пункту приёма по прямолинейной траектории.
• Скорость прямой волны определяется упругими свойствами первого слоя модели, поэтому
𝑙
𝑣 = 𝑣1 → 𝑡 =
𝑣1
• Скорость, определяемая по наклону годографа прямой волны, также равна V1
• Кроме того, падающая волна от источника достигает границы модели, в результате чего
образуются новые волны - отражённые и преломлённые.
• Отражённая волна образуется при падении волны на отражающую границу
• Преломленная волн формируется на преломляющей границе.
22
Отражённые и преломлённые волны
• Простейшая модель неоднородной среды ̶ двухслойная среда, включающая один слой, одну
горизонтальную или наклонную границу и нижнее полупространство.
• В двухслойной модели, также как и однородной среде, наблюдается прямая волна, которая
распространяется от пункта возбуждения к пункту приёма по прямолинейной траектории.
• Скорость прямой волны определяется упругими свойствами первого слоя модели, поэтому
𝑙
𝑣 = 𝑣1 → 𝑡 =
𝑣1
• Скорость, определяемая по наклону годографа прямой волны, также равна V1
• Кроме того, падающая волна от источника достигает границы модели, в результате чего образуются
новые волны - отражённые и преломлённые.
• Отражённая волна образуется при падении волны на отражающую границу
• Преломленная волн формируется на преломляющей границе.
23
Законы Снеллиуса и Бенндорфа
• Луч – одно из направлений распространения волны.
• Угол луча α,° – угол между лучом и нормалью, опущенную на сейсмическую границу. Угол луча
изменяется от 0° до 90°
• Нормальный луч - луч волны, совпадающий с нормалью к границы, угол нормального луча
равен 0 °. Если граница горизонтальна, нормальный луч имеет вертикальное направление.
• Кажущаяся скорость V*, м/с - скорость движения волны вдоль произвольного направления.
• Закон Снеллиуса – кажущаяся скорость волны при изменении её скорости сохраняется
постоянной
𝑣 ∗ = const
• По закону Бенндорфа
𝑉
=
sin α
• Кажущаяся скорость больше или равна истинной скорости
𝑣∗
24
Отражённые волны
• Падающая волна (1) – распространяется от пункта возбуждения к
сейсмической границе.
• Угол падения α1,° – угол луча падающей волны.
• Отражённая волна (11) – образуется в глубинной точке
отражающей границы, она возвращается в ту среду, откуда пришла
падающая волна
• Угол отражения α11,° - угол луча отражённой волны.
• Закон Снеллиуса для отражения
𝑉1
𝑉1
=
sin 𝛼1 sin 𝛼11
• Следовательно, угол отражения равен углу падения
• Для горизонтальных границ глубинная точка находится точно под
средней.
𝑥ГТ = 𝑥СР
25
Отражённые волны
• Годограф отражённой волны для горизонтальной границы:
𝑙2
2
𝑡 = 𝑡0 + 2
𝑉1
2𝐻1
𝑡0 =
𝑉1
• t0 – время нормального отражения, время вступления отражённой волны при
нулевом удалении
• По измеренному времени
отражающей границы 𝐻1
нормального
отражения
определяется
глубина
𝑡0 ⋅ 𝑉1
2
• Годограф отражённой волны в случае горизонтальной границы имеет форму
гиперболы, симметричной относительно пункта возбуждения.
𝐻1 =
• Для наклонной границы годограф отражённой волны вычисляется по формуле:
𝑡=
𝑙
𝑉1
2
+ 𝑡02 1 −
𝑑 sin 𝜑
𝐻1
26
Отражённые волны
• Для наклонной границы годограф отражённой волны вычисляется по
формуле:
𝑡=
𝑙
𝑉1
2
+ 𝑡02 1 −
𝑑 sin 𝜑
𝐻1
27
Преломленные волны
• Проходящая волна (12) образуется на скоростной границе и
продолжает движение в направлении луча падающей волны, то
есть во второй слой
• Угол прохождения α12,° – угол луча проходящей волны
• Закон Снеллиуса для прохождения
𝑉1
𝑉2
=
→
sin 𝛼1 sin 𝛼12
𝛼12 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 sin 𝛼1 ⋅
𝑉2
𝑉1
• При прохождении через скоростную границу угол прохождения
больше угла падения
𝛼12 > 𝛼1
• Для скоростной границы существует такой угол падения i, при
котором угол прохождения становится равным 90°
28
Преломленные волны
• Скользящая волна – проходящая волна, которая распространяется
вдоль преломляющей границы
• Граничная скорость VГ, м/с – скорость скользящей волны,
принимается равной скорости слоя под преломляющей
границей(V2).
• Критический угол
скользящая волна
i,° – угол падения, при котором образуется
• Закон Снеллиуса для случая скольжения
𝑉1
𝑉2
=
sin 𝑖 sin 900
𝑉1
sin 𝑖 =
𝑉2
• Преломлённая
волна
(121)
–
волна,
порожденная
распространением скользящей волны и возвращающаяся в слой над
преломляющей границей (1) под критическим углом.
29
Преломленные волны
• Предельная точка П – точка на преломляющей границе,
начальная точка луча скользящей волны
• Начальная точка
Н - точка на профиле, где впервые
наблюдается вступление преломленной волны
• Предельный луч – луч, восходящий из предельной точки в
начальную.
• Координаты начальной точки на годографе:
• Удаление начальной точки lН
• Время вступления в начальное точке tH
• Для горизонтальной границы они вычисляются по формулам:
sin 𝑖
𝑉1
𝑉1
𝑙𝐻 = 2𝐻1 tg i = 2𝐻1 cos 𝑖 = 2𝐻1
= 2𝐻1
𝑉
𝑉2 1− 𝑉1
2
2𝐻1
=
1 cos 𝑖
𝑡𝐻 = 𝑉
2
𝑉22 −𝑉12
2𝐻1 𝑉2
𝑉1 𝑉22 −𝑉12
30
Преломленные волны
• Фиктивное t0 (t0’) - время вступления в точке пересечения оси
времени и продолжения годографа преломленной волны.
• Для горизонтальной границы:
𝑡0′
2𝐻1
=
⋅ cos 𝑖 = 2𝐻1
𝑉1
𝑉
1 − 𝑉1
2
𝑉1
2
= 2𝐻1
𝑉22 − 𝑉12
𝑉2 𝑉1
• Годограф преломлённой волны для горизонтальной границы
𝑙
′
𝑡 = 𝑡0 +
𝑉2
• На удалениях меньших, чем удаление начальной
преломленные волны на профиле не наблюдаются.
точки,
• Годограф преломлённой волны имеет форму прямой, наклон
которой зависит от граничной скорости.
31
Годограф первых вступлений
• Первое вступление – это время вступления самой первой
волны на сейсмической трассе
• Если волна первой наблюдается на нескольких
последовательно расположенных пунктах приёма, то она
выделяется в первых вступлениях.
• В первых вступлениях
преломлённые волны.
прослеживаются
прямые
и
• Участки их годографов образуют единый годограф первых
вступлений.
• Он имеет форму ломаной линии, состоящей из звеньев
(участков годографов) и точек излома, где наклон
годографа первых вступлений резко изменяется.
• Удаление первой точки излома вычисляется по формуле:
𝑉2 + 𝑉1
𝑙И1 = 2𝐻1
𝑉2 − 𝑉1
32