Transcript Лекция №7 - Геологический портал GeoKniga

Геофизические методы поисков
и разведки месторождений
полезных ископаемых
Лекция 7
Сейсморазведка
(часть 1)
Введение
•
•
•
•
•
•
•
Сейморазведка- геофизический метод исследования земной коры, поисков и разведки
полезных ископаемых, основанный на изучении характера распространения упругих
волн.
Источники возбуждения упругих волн:
- взрывы,
- невзрывные источники (вибраторы, кувалда, естественные шумы,
- землетрясения.
Горные породы обладают различными скоростями распространения упругих волн и
плотностями: это вызывает формирование на границах слоев и отдельных тел
отраженных, преломленных и обменных волн.
Сейсморазведка основана на изучении:
- кинематики волн – времени пробега волны от источника до приемника;
- динамики волн – интенсивности, формы, частоты, длительности колебаний.
Методика и техника с/р предназначены для возбуждения упругих кол-й, улавливание
кол-й УВ, преобразование УВ в энергетические импульсы, их усиление и фиксация на
сейсмограммах.
Обработка сейсмограмм – выделение различных типов волн, опр-е времени их прихода.
Количественная интерпретация – расчет скорости распространения УВ и их изменения
в разрезе и объеме; оценка глубины сейсмических границ, их падения и простирания;
построение сейсмогеологического разреза ( с использованием геологических данных).
Методы сейсморазведки
• Выделяется 3 основных метода сейсморазведки:
- метод преломленных волн (МПВ);
- метод отраженных волн (МОВ);
- метод проходящих волн.
В этих видах, в зависимости от особенностей методики, обработки и
источников возбуждения УВ можно выделить ряд видов (например,
МОВ-ОГТ, МОВЗ и др.).
• По решаемым задачам выделюется:
- глубинная с/р;
- нефтегазовая с/р;
- рудная с/р;
- инженерно-геологическая с/р.
• По условиям проведения выделяются:
- наземная с/р;
- морская с/р;
- скважинная с/р;
- подземная с/р.
Физикогеологические
основы
сейсморазведки
а)
S
б)
S
• Упругие модули.
Геологические среды в первом приближении можно считать упругими.
Абсолютно-упругое тело – тело, которое после прекращения действия
приложенной силы восстанавливает первоначальные форму и объем.
Деформация – изменение формы, объема, размеров тела под действием сил.
Основные деформации – растяжения и сдвига.
а) Если к концу закрепленного тела приложить растягивающую силу F то по
закону Гука относительная деформация будет обратно пропорциональна F/S
- напряжению:
Dl F 1
l


S E
Закон
Гука
где: l-длина тела, Dl-изменение длины, S-площ. попер. сечен., E- модуль Юнга.
Физико-геологические основы
сейсморазведки
Dr
r

коэффициент Пуассона
Dl
l
Коэффициент Пуассона выражает отношение поперечной деформации к
продольной, где: r – ширина тела до деформации; Dr – изменение
ширины тела в результате деформации.
T  G Q
Модуль сдвига – коэффициент пропорциональности между приложенным к
телу касательным напряжением T и углом сдвига Q.
Имеется связь между этими модулями.
GE
2(  1)
Продольные, поперечные, поверхностные
волны
• Продольные и поперечные волны можно представить, толкая пружину
или качая веревку за их конец.
• Длина волны () – повторяющееся расстояние между гребнями или
прогибами,
• Амплитуда волны – максимальное отклонение от стационарной
позиции.
Волна движется с определенной скоростью – сейсмическая скорость – V (км/с).
Число гребней (прогибов), проходящих через фиксированную точку в одну
секунду – частота – f (гц).
V  f 
Продольные, поперечные, поверхностные волны
• Скорости Vp и Vs выражаются через модули:
Vp 
E (1   )
 (1   )(1  2 )
Vp
Vs
Vs 
 2(1   )
E

2 (1   )
(1  2 )
Vp > Vs. Величина Vs/Vp изменяется у различных типов пород от 0.3 до 0.6.
Для плотных пород Vs/Vp=0.5-0.6
Продольные и поперечные волны распространяются от источника к
приемнику через весь объем породы – объемные волны.
• Поверхностные волны – формируются вблизи от пов-й раздела с резким
изменением упругих св-в (например, земной поверхности. Волна Лява
возникает, когда на земной пов-ти располагается слой с пониженной
скоростью Vs1 по сравнению с подстилающей Vs2.
Vr  0.9Vs
Vs1  VL  Vs 2
• Волна движется с определенной
скоростью – сейсмическая скорость
V
• Число гребней или прогибов,
проходящих через фиксированную
точку в 1 секунду – частота (гц) - f
V  f 
• Импульс очень короткая серия волн
(самый простой случай – один
гребень и один прогиб). Могут
создаваться взрывами.
• Часто возбуждение колебаний – в
скважинах. Быстрое расширение –
создает сжатие, которое
распространяется во все стороны.
Точки среды возвращаются в
исходное положение – растяжение.
• Сжатие имеет сферическую форму волновой фронт.
Основные положения геометрической оптики
• Распространение упругих волн в
горных породах базируется на
принципах геометрической
оптики.
• Фронт волны- поверхность,
ограничивающая области, где
среда деформирована под
воздействием упругой волны и
область, куда волна еще не
дошла.
Вблизи от источника фронт
близок по форме к сфере. На
удалении его можно считать
плоским.
• Сейсмический луч – линия,
перпендикулярная фронту.
Луч
Фронт волны
Принципы Гюйгенса и Ферма.
•
•
•
Закономерности распространения УВ в
горных породах устанавливаются из
принципов геометрической оптики –
Гюйгенса и Ферма.
Принцип Гюйгенса: каждую точку
фронта волны можно рассматривать как
самостоятельный источник колебаний.
Т.е. по фронту волны в некоторый
момент можно построить его положение
в любой другой момент- как огибающую
элементарных сферических фронтов с
центрами на исходном фронте.
Принцип
Ферма:
волна
распространяется между двумя точками
по такому пути, который требует
наименьшего
времени
для
его
прохождения.
Отсюда
следует
прямолинейность
распространения
лучей в изотропной среде с постоянной
скоростью.
Принцип суперпозиции, принцип взаимности
• Принцип суперпозиции: при
интерференции (наложении)
нескольких упругих волн, их
распространение можно
изучать независимо для
каждой волны.
• Принцип взаимности: если
поменять местами источник и
приемник, то время прихода
сигнала, форма лучей и
характер колебаний частиц
геологической среды не
изменятся.
Законы отражения и преломления
• Из принципа Ферма вытекают
законы:
• Закон отражения
sin a1 sin a 2

V1
V2
Если луч – в одной среде (V1), то
a1a2 Угол падения равен углу
отражения.
• Закон преломления.
sin a1 sin b

V1
V2
aугол падения, bугол
преломления.
Волны, используемые в сейсморазведке
•
•
•
•
•
•
•
P1- прямая (падающая волна). При
попадании продольной волны на
границу, она будет отражаться и
преломляться, создавая 4 типа
вторичных волн:
Верхняя среда
P11 - продольная отраженная волна
P1S1- поперечная отраженная волна
волна.
Нижняя среда
P12 - продольная проходящая волна
P1S2- поперечная проходящая волна
Волны, не меняющие свой тип на
границе – монотипные (P11 , P12 ).
Волны, меняющие свой тип на границе
– обменные (P1S1 , P1S2).
Типы волн
• Отраженные волны (ОВ).
«Акустическая жесткость= V» необходимое условие формирования
ОВ.
( 2 V2 )  ( 1 V )1
Коэф.
App 
 2 V2   1 V1
Отражения
- сильные акуст. границы – Арр>0.5
- средние акуст. границы - 0.1<Арр < 0.5
- слабые акуст. границы Арр < 0.1
• Преломленные волны (ПВ).
Измерения сейсмических
волн. Сейсмографы и
геофоны.
• а) При смещении поверхности
Земли влево – рама сместится
влево – грузик в силу инерции
останется на месте – индикатор
покажет смещение.
• б) При смещении поверхности
Земли в вертикальном
измерении – рама сместится
вверх - индикатор на грузике
покажет вертикальное
смещение.
Сейсмографы и геофоны.
• Реальные инструменты – компактнее.
Обычно – магнит помещенный в катушку.
• Сейсмограф используется в глобальной
сейсмологии и предназначен для
измерения очень слабых сигналов.
Сейсмограф может зафиксировать
движение человека в километре от
прибора.
• Геофоны – используются в
сейсморазведке – компактнее, но менее
чувствительны.
• Сейсмограф и геофон – сейсмоприемник.
• Для получения полной информации о
движении волны используются 3
приемника (иногда компануются в один
прибор) . Обеспечивается измерение
вертикальной и двух горизонтальных
компонент смещений поверхности Земли.
Определение путей луча
• Луч, попадая на границу,
согласно законам физики
меняет свое направление.
sin i1
V1

sin 2
V2
• Это явление называется
рефракцией.
• Форма волнового фронта на
скоростной границе
искажается.
Продольные и поперечные волны
• Т.к. P и S волны по разному
деформируют породы скорость их
прохождения различна. P – волны
приходят раньше S волн.
• Т.к. жидкие среды могут принимать
любую форму –они не
сопротивляются поперечным
деформациям - S волны не
проходят.
• P и S волны создаются
большинством сейсмических
источников. Кроме того, они
sin i1 p
sin i1s
создаются в результате «волновой
отраженные

V1 p
V1s
конверсии.
• P волны – отражаются и
преломляются,
sin i1 p
sin i2 s

преломленные
• S волны – отражаются и
V1 p
V2 s
преломляются
Трассы лучей в Земле
• Лучи названы по пути, который они проходят и по типу (P и S).
• P-луч в коре и мантии PcP; луч в коре и мантии, тип которого изменился с P на
S на границе ядра в мантии – PcS.
• Луч, продольной волны, проходящий через ядро – PKP.
• Сигнал проходит через ядро за 20 мин.
• Анализ всех типов волн – является основой сейсмологической модели Земли.
• Томография – базовый метод
изучения внутреннего строения (как
Земли, так и человека).
• Пример. Пусть лучи имеют
одинаковую протяженность. Время
прихода волн по трассам: AA1, BB1,
CC1, HH1- одинаково (стандарт).
• Время прихода волн по трассам: DD1,
EE1, FF1, GG1- увеличено
(уменьшено) по отношению к
стандарту.
• Различия во времени прихода по
отношению к стандарту таких волн –
первые проценты при нижней точке
луча –несколько сотен км.
• В нижней мантии изменения Vp и Vs
- менее 1%. У Vs различия больше
чем у Vp.
Сейсмическая томография
Примеры
сейсмотомографических
разрезов
• Томография очень важна, так как
может фиксировать вариации
сейсмических скоростей,
латеральные или вертикальные,
которые не разделяются
контрастными сейсмическими
границами.
• Томографические разрезы ОД
Тонга-Кермадек показывают,
что субдуцирующая плита (слэб)
проявляется как зона
повышенных скоростей, т.к. ее
температура ниже, чем у
окружающих мантийных
образований. Плита изгибается
на границе верхней и нижней
мантии (660 км).