Методика сейсморазведки.

---

Рассмотренные элементы теории сейсморазведки (теории годографа) дают возможность уяснить, что решение задач сейсморазведки в принципе возможно, поскольку существуют различия в годографах разных волн (кинематические различия) и надо только сделать так, чтобы выделить из всего спектра регистрируемых колебаний нужные, полезные, то есть, говоря профессиональным языком, максимизировать отношение сигнал-помеха: →max (здесь А_с- амплитуда сигнала, А_п- амплитуда помехи). Это и есть основная методическая задача практической сейсморазведки. Сквозь призму этой задачи (этого соотношения) рассматриваются все стадии сейсморазведочного процесса, и на каждой делается все возможное для обеспечения этого максимума. Таких стадий всего 4:

1) возбуждение колебаний,

2) регистрация волн,

3) обработка и преобразование записей колебаний,

4) интерпретация волновой картины.

Ознакомиться коротко с тем как это делается можно применительно к основному методу сейсморазведки – МОВ.

Возбуждение сейсмических колебаний.

В современной сейсморазведке используется два способа возбуждения колебаний: взрывной и невзрывной.

Взрывное возбуждение.

Применительно к взрывному способу Б.И.Беспятовым развито учение об оптимальных условиях возбуждения. Под оптимальными условиями понимается такой минимальный по весу заряд, который будучи размещен на оптимальной глубине гарантирует достижение необходимого сейсмического эффекта, то – есть поучение записи необходимой длины и интенсивности.

Известно, что чем меньше вес заряда, тем «чище» спектр возбуждаемых колебаний, так как возбуждается меньше поверхностных волн-помех. Согласно эмпирической формуле Шарпа амплитуда колебания А связана с весом заряда Q следующим соотношением: А=b · Q^m.

Для больших зарядов m=0.2-0.5,для малых m=1-1.5.

В итоге при малых зарядах спектр возбуждаемых колебаний обогащен высокочастотными составляющими, а это обеспечивает повышение разрешающей способности сейсморазведки.Недаром современная высокоразрешающая сейсморазведка основана исключительно на использовании небольших зарядов (до 1 – 1,5 кг). В качестве взрывчатого вещества (ВВ) используются тротиловые шашки весом 0,4 кг. Заряд помещается в специально пробуренной взрывной скважине и укупоривается водой или буровым раствором.

Чтобы вывести полезный сигнал в высокочастотную область, необходимо также выбирать для возбуждения пласты, где отношение скоростей V_s/V_p было бы максимальным.

Использование зарядов большого веса (более 5 кг) приводит к тому, что значительная доля энергии взрыва уходит на разрушение породы (образование камуфлета) и неупругие деформации. В то же время малые заряды не всегда позволяют получить необходимый сейсмический эффект. Если сейсмический эффект от заряда малого веса недостаточен, то используют групповой источник или технологию последовательного суммирования малых взрывов (накапливание).

Считается, что оптимальная глубина погружения заряда h_опт= h_змс+ 1/4λ, где λ – длина прямой волны в коренных породах. То есть заряд надо поместить под зону малых скоростей в плотные увлажненные коренные породы. Такое условие определяется исходя из интерференции полезной волны с волной-спутником. При соблюдении этого условия они суммируются синфазно, то есть время запаздывания Δt спутника по отношению ко времени регистрации полезной волны равно нулю.

Δt=

Это соотношение иллюстрируется ходом лучей на рис 44в.

Потеря полуволны связана с тем, что при отражении от акустически более слабой среды (то есть от подошвы ЗМС) на фронте отраженной волны появляется зона растяжения вместо зоны сжатия.

Невзрывное возбуждение.

Здесь существует два способа – импульсный и вибрационный.

В газодинамическом импульсном источнике используется идея детонации газовой смеси (кислорода и пропана) в камере, имеющей контакт с грунтом. Воздействие эквивалентно взрывному источнику порядка 200 грамм тротила. То есть это весьма слабое воздействие. Поэтому осуществляют накапливание таких воздействий. Количество воздействий в существующих установках без пополнения запаса газа доходит до 800. Минимальное время между воздействиями составляет 6-12 сек. Общая масса установки 11,2 тонны, она транспортируется на автомобилях типа Урал – ЗИС. Однако, основным источником невзрывного типа является в настоящее время вибрационный.

Используется вибрационный источник с изменяющейся частотой и амплитудой. Он передает вибрации на опорную плиту, имеющую контакт с грунтом. Квазигармонический сигнал посылается в течение длительного времени t (от 6-8 до 20 сек, а иногда и больше) с меняющейся частотой (свип-сигнал). Падающая волна записывается в виде

Частота меняется от (в начальный момент) до + (при t=T). Большая длительность колебаний задается, чтобы суммарная энергия падающей волны была достаточно большой. Частоту выбирают на уровне 5-10 Гц, а +до 70-100 Гц. Чем меньше глубина исследований, тем выше должны быть начальная частота . Большая длительность сигнала приводит к тому, что записи из-за наложения волн становятся нечитаемыми. Поэтому используется корреляционный прием – извлечение коротких сигналов из длинного волнового пакета. Это достигается сверткой* регистрируемой отраженной волны с опорным свип-сигналом. Функция взаимной корреляции F_вк(t) принимает максимальное значение, как только сдвиг полевой записи оказывается равным времени пробега одной из волн, то есть когда колебание одной из волн, содержащихся в полевой записи совпадает по времени с колебаниями свип-сигнала. В итоге получаемая виброграмма (коррелограмма) становится достаточной разрешенной и мало отличается внешне от обыкновенной сейсмограммы..

Преимуществом невзрывных источников является их экологическая чистота и простота технологии (в сравнении с бурением), но по сейсмическому эффекту невзрывные источники пока уступают взрывным.

Регистрация волн.

Регистрация волн осуществляется с помощью совокупности устройств, обеспечивающих прием, преобразование и запись сейсмических колебаний и составляющих сейсмический канал. Основные узлы канала – сейсмоприемник (геофон), усилитель и регистратор, причем, сейсмоприемники расставляются на поверхности Земли с определенным шагом Δх вдоль профиля (или по площади), а усилитель и регистратор объединяются в специальные блоки и размещаются в передвижной лаборатории, называемой сейсмостанцией. В современной сейсморазведке используют многоканальные системы регистрации с числом каналов от 100 и более. С устройством сейсмостанции и принципами организации работ в сейсмопартии студент сможет ознакомиться в процессе прохождения учебной геофизической практики. Все современные сейсмостанции цифровые, тогда как сейсмоприемники записывают колебания в виде непрерывных кривых, то есть являются аналоговыми устройствами. Поэтому сейсмостанции снабжены преобразователем аналог-код(цифра). Одним из важнейших элементов методики на этапе регистрации является выбор систем наблюдений.

Системы наблюдений.

Вопрос о системах наблюдений можно сформулировать так: как надо выбирать длину расстановки сейсмоприемников (СП), расстояния между ними, расстояния между пунктами возбуждения (ПВ), удаления расстановки от ПВ (все это параметры систем наблюдений L,ΔL, Δх и пр), чтобы обеспечить наилучшие условия приема полезных волн (вне зоны интерференции с помехами), максимизировать отношение сигнал/помеха? Как обеспечить непрерывное прослеживание изучаемых границ при переходе от одной расстановки к другой (транспозиционную корреляцию волн без разрывов) и пр.? Наилучшая основа для выбора оптимальных систем наблюдения – волновая картина, где регистрируются и полезные волны и помехи. Ведь чтобы устранить помехи надо сначала их зарегистрировать и изучить. Основанные на изучении таких волновых картин системы наблюдений МОВ – однократное непрерывное профилирование (ОНП) с применением частотной фильтрации для подавления поверхностных волн-помех оказались пригодными только для изучения относительно небольших глубин – до 1,5 -2 км. Но для полного устранения поверхностных волн понадобился уже так называемый направленный прием.

Система ОНП, обеспечивающая непрерывное прослеживание границ отражения в системе ОТВ (общая точка возбуждения) выглядит так, как показано на рис.57.

Здесь представлена система взаимно увязанных годографов, обеспечивающая непрерывное прослеживание границы R и показаны параметры каждой расстановки, которые позволяют осуществить такое прослеживание. Возбуждение колебаний осуществляется в точках О₂, О₃ и т.д. в центре расстановки сейсмоприемников, за исключением первой О₁ (на краю профиля).

Расстановка 1: ПВ – О₁, база наблюдения (расстановка СП) – О₁О₂, прослеживаемый участок границы R₁ R₂, годограф Г₁;

Расстановка 2: ПВ – О₂, база наблюдения (расстановка СП) – О₁О₂ и О₂О₃, прослеживаемый участок границы R₂ R₃, годограф Г₂. точка R₂ прослежена дважды и осуществляет связь одного годографа с другим. Через нее проходит корреляционная трасса – последняя на предыдущей расстановке и первая на последующей. Здесь времена одинаковые, то есть имеется пара взаимных точек О₁ и О₂, где времена t₀₁ и t₀₂ одинаковы.

Расстановка 3: ПВ – О₃, база наблюдения (расстановка СП) – О₂О₃ и О₃О₄, прослеживаемый участок границы R₃ R₄, взаимные точки О₂ и О₃ , годограф Г₃ и т.д.

Расстояние между сейсмоприемниками выбирается из условия, чтобы запаздывания волны на соседних трассах не превышали Δt≤, откуда Δх ≤, так как λ=VT.

Расстояние между источниками ΔL выбирается так, чтобы наложение поверхностных помех было минимально возможным. «Пробивающиеся» поверхностные волны-помехи устраняют применением частотной и направленной селекции. Подобным образом может быть осуществлено однократное непрерывное профилирование ОНП, профилирование через интервал, через два интервала или их комбинация – двух-трех кратное профилирование. Однако все эти варианты «не проходят» для изучения глубоких горизонтов. Для решения такой задачи необходимо преодолеть главную помеху при регистрации записей на временах более двух секунд – кратные отраженные волны.

Каковы особенности этих кратных волн? По динамике они мало отличаются от однократных – могут быть и более высокочастотными и более низкочастотными и такими же. По кинематике отличия есть, но не такие существенные, как для поверхностных волн. Кратные волны – это, как уже говорилось, волны, испытавшие не один акт отражения от одной границы. Причем схемы распространения кратных волн могут быть самые различные (рис.44)

Упомянутые отличия наблюдаются тогда, когда скорости с глубиной возрастают (как это обычно бывает). Соотношение годографов кратных и однократных волн в системе ОТВ можно видеть на рис58.

Заметим, что волна первой кратности от глубокой границы (II) может регистрироваться одновременно с волной второй кратности от первой границы (I), но у однократной годограф положе, то есть V* больше. Различия тем более заметны, чем дальше по х отойти от ПВ. Аналитически эти различия таковы: уравнение годографа волны первой кратности от первой границы

, а волны второй кратности от нее же

, где h₂= 2hcosφ; φ₂=2φ.

Обобщая на случай n границ получим h_n=h; φ_n= nφ. . Для волны первой кратности от второй границы уравнение времени по своей структуре будет таким же как t_1(1), но с заменой V на Vэф и H на Н эф.

Таким образом, все отличия помех и полезных волн выражаются в частотной области (различия в спектрах) и в крутизне годографов – V* (направлении прихода волн), так как V* =, где α угол подхода фронта волны к поверхности наблюдений. Поэтому селекция (выбор) волн осуществляется по этим двум признакам, то есть по частоте и по направлениям прихода волн.

Селекция по частоте чаще всего реализуется процедурой одноканальной частотной фильтрации. У поверхностных волн – помех максимум спектра находится в области 7-15 Гц, а у полезных однократных в полосе 30-40 Гц. То есть надо установить фильтры, «зарезающие» нижние частоты, или полосовой фильтр, ограничивающий также влияние микросейсм, спектр которых сдвинут в высокочастотную область (6-70 Гц). Тем самым полоса пропускания ограничивается частотами не ниже 15 Гц и не выше 50 Гц. Раньше использовались разные конструкции аналоговых фильтров, сейчас применяют частотные фильтры в цифровой форме.

Селекция по признакам направленности осуществляется многоканальными пространственно – временными фильтрами, в которых реализуются различные виды суммирования записей. Дело в том, что направленный прием может быть осуществлен только при использовании интерференционных регистрирующих систем, то есть таких, в которых колебания суммируются . Такая направленность носит название направленности второго рода. Есть еще направленность первого рода, под которой понимают чувствительность регистрирующей системы к направлениям смещений частиц в волне, то есть к характеру поляризации колебаний. Такой направленностью обладает одиночный сейсмоприемник. Поскольку у него только одна степень свободы, то поставленный вертикально он принимает продольные волны, а положенный набок – поперечные. Направленность второго рода – это чувствительность системы к направлению прихода волн, то есть к углу α, который фронт волны составляет с поверхностью наблюдений.

Основной вид направленного приема – это группирование сейсмоприемников (СП). У группы СП имеется один общий выход, где сигналы суммируются. При подходе волны по вертикали снизу (отражения от глубокой границы) сигналы складываются синфазно, то есть одновременно. В результате интенсивность суммарного сигнала возрастает в n раз, где n – число группируемых СП. Поверхностная волна, напротив, запаздывает на Δt в каждом последующем СП относительно предыдущего. Это Δt=, где Δх – расстояние между СП. Если сделать Δх равным , то сигналы будут складываться в противофазе и волна попадает в полосу гашения, иными словами подавляется. Параметры интерференционной системы – число элементов n, расстояние между элементами Δх и база группы L, равная Δх(n-1). Чем больше база группы, тем выше избирательность интерференционной системы по отношению к волнам, подходящим снизу. Другие виды интерференционных систем (направленного приема) – группирование источников, регулируемый направленный прием РНП (разновременное суммирование плюс дополнительная фильтрация) и др. Нельзя не отметить , что большой вклад в теорию и внедрение интерференционных систем возбуждения и приема сейсмических колебаний внес известный саратовский геофизик Б.И. Беспятов.

К сложным интерференционным системам, то есть к системам направленного приема, относится и современная методика многократного профилирования с последующим суммированием записей, отраженных от одной общей точки на границе. Эта методика называется МОГТ.

* термин свертка на математическом языке означает, что вычисляется функция взаимной корреляции свипа с отраженным сигналом по формуле , где Т – интервал времени, в течение которого посылается свип-сигнал ;F(t)- посылаемая волна (свип), а F_Σ – отраженная волна, τ – величина временного сдвига при перемножении сигналов, равная интервалу дискретизации сейсмозаписи – чаще всего 0,002 сек. Дискретизация – условие преобразования аналоговых записей в цифровую форму.