Курсовая работа: Малоглубинная сейсморазведка

Казанский Государственный Университет

Геологический факультет

Кафедра геофизика

Курсовая работа на тему:

Малоглубинная сейсморазведка

Казань - 2009

Содержание:

1. Особенности сейсмического поля.

2. Источники возбуждения сейсмических волн.

3. Теория ударных источников сейсмических волн.

4. Ударные источники сейсмических волн.

5. Геологические задачи сейсморазведки малых глубин.

6. Системы наблюдений.

7. Технология полевых работ.

8. Приемы обработки и интерпретации материалов

а) предварительная обработка

б) Определение скоростных параметров разреза

в) построение сейсмических разрезов

г) оценка точности построений

Введение.

Сейсмическая разведка является ведущим методом геофизических исследований земной коры. Лидирующее положение метода в разведочной геофизике обусловлено его большой глубинностью при высокой детальности исследований.

Тема данной курсовой работы будет посвящена малоглубинной сейсморазведке.

Сейсморазведка малых глубин связана с применением портативных малоканальных цифровых сейсмостанций с накоплением сигналов со слабыми невзрывными источниками сейсмических колебаний при изучении геологического разреза на глубине до 500 м, где применение традиционной сейсморазведки с использованием взрывов ВВ или мощных невзрывных источников малоэффективно.

Рассматриваемое направление сейсморазведки продолжает тенденцию замены взрывов ВВ мощными ударами и последних слабыми воздействиями. Естественно, что это направление имеет свои особенности и приводит к изменению: областей применения; методики; организации работ, что и является основанием назвать это направление сейсморазведкой малых глубин.

Идея выделения слабых регулярных сигналов в сейсморазведке была высказана в 50-х годах в СССР. Несмотря на исключительную привлекательность этой идеи, её практическая реализация стала возможна благодаря развитию электроники только в 70-х годах. Для сейсморазведки малых глубин в СССР выпущено более 200 сейсмостанций и потребность в них ещё далеко не исчерпана.

Особенности сейсмического волнового поля.

Сейсмическое волновое поле определяется параметрами источника сейсмических колебаний и среды, в которой эти колебания возбуждаются и регистрируются, и фоном микросейсм. Рассмотрим события. Которые произойдут в некоторой точке изучаемой материальной среды при импульсном воздействии.

В непосредственной близости от точки приложения импульса произойдет разрушение материала среды или его уплотнение. Эту первую зону называют зоной разрушения, камуфлетом, присоединенной массой. При увеличении импульса, при прочих равных условиях, радиус зоны необратимых деформаций увеличивается. Сейсмическими методами эта зона не изучается. Непосредственно к описанной примыкает вторая зона, где деформации обратимы, но полностью или частично не подчиняются законам геометрической сейсмики. Здесь выделение полезного сигнала на фоне регулярных помех трудно осуществимо. Радиус этой зоны с увеличением силы импульса увеличивается. Но если радиус первой зоны даже при достаточно мощных импульсных воздействиях не превышает нескольких метров, то радиус второй зоны существенно больше и для некоторых методов сейсморазведки, например, отраженных волн с взрывными источниками, может составлять сотни метров.

И, наконец, третья зона, где возникают сейсмические волны, используемые для сейсморазведки. В зависимости от решаемых геологических задач, способов измерения и интерпретации одни волны оказываются полезными, другие – помехами. Разное соотношение между ними по интенсивности, времени наблюдения и т.п. в реальных средах порождает существующее разнообразие систем наблюдений, приемов выделения полезных волн на фоне помех и интерпретации получаемых результатов.

Эти рассуждения приведены здесь с целью подчеркнуть, что источник сейсмических волн заданной силы воздействуя не может обеспечить возможность изучения геологического разреза по всем глубинам, так как самая верхняя часть его оказывается в первой и второй зонах.

Исторически сложилось так, что сейсморазведка начала развиваться со взрывных источников возбуждения, которые обусловили изучение геологического разреза разведки, начиная от 500 м и глубже. Необходимость изучения меньших глубин привело к уменьшению силы импульсных воздействий и, в конечном итоге, к замене взрывов ВВ механическими источниками возбуждения.

Выделяются три способа сейсморазведки:

1)традиционная, основанная на возбуждении в изучаемой среде взрывами ВВ или мощными невзрывными источниками сейсмического сигнала при непосредственном его измерении;

2)малых глубин, основанная на возбуждении в среде слабыми невзрывными источниками сейсмического сигнала и его измерении в присутствии фона микросейсм;

3)основанная на изучении микросейсм. В приведенном делении есть много поводов для дискуссий: где грань между слабым и мощным источником, не являются ли опытные работы в традиционной сейсморазведке тем же накоплением и т.п. На наш взгляд, приведенное деление правомочно, так как отвечает двум главным условиям: во-первых, невозможности средствами одного способа сейсморазведки решить задачи другого способа, во-вторых, перенесение специфики одного способа в другой невозможно без ущерба для последнего. Например, изучение малых глубин способами традиционной сейсморазведки с применением ряда источников с различной силой воздействия без борьбы с помехами невозможно. С другой стороны, накопление регулярного сигнала в традиционной сейсморазведке приведет только к усложнению аппаратуры, поскольку замена взрыва n килограммов ВВ n взрывами по 1 кг не выгодна по своему сейсмическому эффекту.

Особенности волнового поля в сейсморазведке малых глубин определяются ее спецификой – это слабые источники до 1000 Дж, измерение сейсмического сигнала в присутствии помех и особенности изучаемой среды, связанные с малыми глубинами.

Прежде чем перейти к особенностям сейсмического поля, возбуждаемого слабыми источниками, остановимся кратко на условиях измерения. В традиционной сейсморазведке наряду со средствами повышения отношения сигнал/помеха имеются широкие (100дБ) возможности изменения силы импульсного воздействия путём изменения массы ВВ при взрыве ( от 10г ВВ до сотен килограммов). Это позволяет практически всегда добиться нужного отношения сигнал/помеха. Отметим, что возможны и исключения, связанные с ураганными помехами в момент приёма (землетрясения, взрыв заряда ВВ в соседнем карьере и т.п.)

Возможны изменение силы импульсного воздействия в сейсморазведке малых глубин весьма ограничены и составляют не более 20дБ. Это приводит к тому, что при единичном импульсном воздействии практически никогда не удается добиться нужного отношения сигнал/помеха. Поэтому приходится проводить прием сигналов на больших усилениях приемного регистрирующего устройства в присутствии фона микросейсм. В этой ситуации увеличивается также вероятность появления в момент приема ураганной помехи, которая перестает быть исключением и становится обычным явлением.

Если подходить к вопросу об особенностях волнового поля слабых источников по сравнению с применяемыми в традиционной сейсморазведке с общих позиций, то существование принципа подобия такие особенности исключает. После двух источников, различающихся силой импульсного воздействия, будет одинаковым по форме при соответствующем изменении частотного диапазона приёмной аппаратуры и шага наблюдений. Принцип подобия обоснован теоретически, применяется при физическом моделировании и, естественно, нет оснований предполагать, что он не выполняется в данном частном случае. И тем не менее особенности волнового поля слабых источников по сравнению с мощными существуют.

Главная особенность – сужение динамического диапазона. Это объясняется тем, что волновое поле измеряется на фоне помех. Такое объяснение, на взгляд, может показаться несостоятельным, поскольку волновое поле, определяемое параметрами источника и среды, является объективной реальностью, и можно представить его измерение без фона помех. Допустим, что такие измерения действительно удались, в результате чего были зафиксированы некоторые детали, позволяющие надеяться на получение ожидаемого методического эффекта. Однако микросейсмы также являются реальностью и поэтому возможна ситуация, когда упомянутые детали вообще никогда не проявятся, либо вероятность такого события будет очень мала.

Немаловажной особенностью волнового поля, возбуждаемого механическим источником вообще и, в частности, применяемых в сейсморазведке малых глубин, по сравнению со взрывными, является сужение частотного диапазона за счет исключения высокочастотных составляющих. Известно, что ударный импульс – это произведение массы бойка на его скорость. С этих позиций замена взрыва на механический удар является заменой легкого бойка (масса продуктов взрыва) с высокой скоростью на тяжелый боек с меньшей скоростью движения, в результате чего импульс лишается высокочастотных составляющих. Это приводит к увеличению относительной погрешности определения параметров сейсмического разреза.

Уменьшение силы импульсного воздействия и ослабление высокочастотных составляющих в общем частотном спектре импульса приводит к более строгому соблюдению принципа взаимности, чем в традиционной сейсморазведке. Это объясняется тем, что при ударном воздействии зона разрушения вблизи точки удара не велика, а при применении согласующих устройств может отсутствовать вовсе.

В районах, где применяется традиционная сейсморазведка, продуктивные толщи, как правило, перекрыты вышележащими, более молодыми толщами пород с угловым несогласием. Поэтому корреляционная связь геологического строения земной поверхности и глубинных отложений практически утрачена либо имеет региональный характер. В сейсморазведке малых глубин геологическое строение земной поверхности часто может объяснить характер регистрируемого волнового поля. Эта особенность сейсморазведки малых глубин существенно ограничивает возможности формального подхода к интерпретации результатов сейсмических работ.

Источники возбуждения сейсмических волн.

Невзрывные механические источники, основанные на ударе падающего груза, применялись при сейсмической разведке малых глубин. Отсутствие накопительной аппаратуры приводило к производству мощных разовых воздействий, в результате чего применялись достаточно тяжелые грузы-бойки в несколько тонн, при ударе которых о грунт возбуждались низкочастотные сейсмические колебания, не обеспечивающие разрешенности записи, необходимой для малоглубинной сейсморазведки. Применение легких бойков, например кувалды, позволяло получить достаточно разрешенную запись, но при этом глубинность изучения ограничивалась 20-50м.

Применение накопления сигналов от некоторого числа ударных воздействий легкими бойками позволило увеличить глубинность исследования. Условие идентичности повторных ударов было достигнуто использованием прочной подложки, устанавливаемой на грунт и исключающей необратимые деформации грунта в процессе повторения ударов.

Развитие сейсморазведки малых глубин связано с портативными малоканальными сейсмостанциями. Это должно привести к необходимости применения и портативных источников сейсмических волн.

Отечественная сейсмостанция Талгар-3 снабжена кувалдой, на кото­рую наварена пластина, предназначенная заменить подложку. Сучка для увеличения силы удара удлинена в 3 раза по сравнению с привычной ку­валдой. Фирмой Гиско (США) подложка изготовлена заодно с ломом. Обе конструкции неудобны в работе. Нами в качестве ручного источника применялся лом, подвешенный к легкому копру с помощью эластично­го амортизатора, компенсирующего массу лома. Удары производились но подложке, свободно лежащей на грунте. Нанесение ударов по сравнению с неподвешенным ломом или кувалдой существенно (в 3—4 раза) облег­чается. Тем не менее ручные источники не могут решить проблемы обес­печения сейсморазведки малых глубин.

Если взять вообще невзрывные источники, допускающие возмож­ность синхронного накопления сигналов, то они, как правило, имеют большую массу (10-20 т) и применение их для малых глубин не рента­бельно.

Имеются сведения об источниках пороховых, стреляющих и т.п. Нам представляется, что подобные источники бесперспективны для широкого внедрения, поскольку обладают всеми недостатками, свойственными взрывным (специальное обучение персонала, повышенная опасность, вы­сокая стоимость).

Заслуживают упоминания импульсный источник Дино-Сорс и виброимпульсный Мини-Соси (Франция). Первый из них представляет собой груз — поршень, который перемещается в цилинд­ре трубе, выполняющей роль направляющей. Приводом является бензоагрегат с воздушным насосом, который создает недостаток и избыток дав­ления но разные стороны поршня, вызывая его подъем или опускание. В верхней части трубы имеется защелка, которой фиксируется поршень в верхнем положении. После этого создается максимальный перепад давле­ний, защелка отпускается и поршень-боек стремится вниз, нанося удар по подложке. Управление ручное. Время между воздействиями 20 с. Это практически исключает возможность применения такою источника для накопления — число воздействий, которое можно допустить при такой производительности работ, составляет 10—15.

Виброимпульсный источник Мини-Соси представляет собой механи­ческую трамбовку с числом воздействий на грунт 10 в 1 с с ручной регу­лировкой частоты воздействий от ручки газа бензопривода. Источник выполнен в неразборном переносном варианте, но при этом масса его составляет 80 кг, что не отвечает принятым у нас нормам по ручной пере­носке грузов (30 кг). При работе источника предусматривается постоян­ный контакт с исполнителем работ.

Также есть импульсный источник на принципе электромолота. Он содержит магнитный сердечник-боек, помещенный в направляющую трубу, снабженную двумя электромагнитами, поочеред­ное включение которых обеспечивает подъем сердечника-бойка и его опускание с ударом по подложке. Привод осуществляется от двигателя автомобиля УАЗ-469, на котором он установлен. Общая масса ударной части, электрогенератора и устройств управления составляет 500 кг. Энергия ударного воздействия 500 Дж, масса бойка 40 кг.

Начиная с 1980 г. производственными организациями и Казахским филиалом ВИРГ изготовлено несколько моделей импульсных источни­ков типа падающего груза и одна модель пружинного.

Теория ударных источников сейсмических волн.

Вопросы, связанные с возбуждением сейсмических волн, относятся к числу кардинальных в малоглубинной сейсморазведке. Исчерпывающая общая теория ударного воздействия отсутствует, хотя и существует несколько теорий удара. Рассмотрим две из них, основные – классическую и волновую.

Классическая теория исходит из выполнения в системе соударяющихся тел фундаментальных положений классической механики. Это возможно, когда система соударяющихся тел является либо изолированной от внешних сил, либо время ударного взаимодействия настолько мало, что действием внешних сил за такой отрезок времени можно пренебречь. Это допущение приводит к тому, что из рассмотрения выпадает время, остаются только массы соударяющихся тел сосредоточенными в точках, что выполняется только при небольших размерах соударяющихся тел.

С точки зрения сейсморазведки, классическая теория в ее существующем виде может быть полезна только при оценке амплитуды воздействия и ничего не дает при оценке частоты возбуждаемых сейсмических колебаний. По существу, из классической теории удара непосредственно не следует существования ударной волны – все точки тела после соударения должны иметь одинаковую скорость движения.

Волновая теория удара исходит из конечности скорости распространения механического взаимодействия в материальной среде и оперирует такими понятиями, как время, длина волны и путь, который волна совершает.

Волновая теория удара решает вопрос о частоте возбуждаемых колебаний, поскольку последнюю можно связать с длительностью ударного импульса. Однако этому препятствует два обстоятельства. Длительность ударного импульса определяется временем пробега ударной волны от ударяющего конца стержня к противоположному его концу и обратно не связана со свойствами грунта, по которому производится удар. Между тем практика показывает, что зависимость возбуждаемых частот от свойств грунта существует. С другой стороны, применяемые ударники имеют собственную частоту, существенно превышающую частоты сейсмического диапазона, и должны рассматриваться с классических позиций, исключающих оценку частоты возбуждаемых колебаний.

Ударные источники сейсмических волн.

В основе ударных устройств лежит хорошо известная схема, состоящая из двух тел и силового элемента, сопряженного с ними и разгоняю­щего эти тела одно относительно другого. После разгона одно из тел — боек наносит механический удар в одну из точек изучаемой среды, вслед­ствие чего в последней возбуждаются сейсмические волны, являющиеся объектом измерения.

Несколько обособленное место в общей схеме занимают источники падающего груза. Это объясняется практически бесконечно большой мас­сой основания по сравнению с массой бойка и постоянством силы взаимо­действия последнего при его свободном падении.

Источники падающего груза состоят из привода-подъемника с устрой­ством зацепа и сброса, падающего груза-бойка, направляющей шахты, устанавливаемой на платформе, средства передвижения и подложки, устанавливаемой на грунте. Работа такого источника заключается в сле­дующем. Посредством привода-подъемника груз-боек поднимается на некоторую заданную высоту, при достижении которой груз освобождается и свободно падает в направляющей шахте на подложку, после чего процесс повторяется. Удары падающего груза о подложку приводят к возбужде­нию сейсмических колебаний в изучаемой среде.

Источники падающего груза с точки зрения применения их для накоп­ления сигнала обладают недостатками. К ним следует отнести многоэтапность процесса (зацеп - подъем — сброс), который должен обеспечивать­ся механизмами различного назначения, что усложняет конструкцию, неравномерность нагрузки привода и т.п. Эти недостатки не имеют прин­ципиального значения и зависят в основном от технического решения, которое может быть удачным и все их устранит. К принципиальным относится невозможность достижения оптимальных параметров удара. Так, прочностные характеристики материала бойков и подложек допускают предварительные ударные скорости 10—20 м/с. Для такого разгона необходимо свободное падение без учета трения с высоты 5 — 20 м. Таким образом, вышка для сбрасывания груза, весьма солидная по своим габа­ритам и массе, снабженная механизмами для перевода ее в рабочее и транспортное положения, является необходимым атрибутом такого источ­ника. Если добавить к этому, что масса бойка для получения хорошо разрешенного, а значит сравнительно высокочастотного, сейсмического поля должна быть небольшой, то становится ясным, что источники падаю­щего груза имеют ограниченные перспективы применения в сейсмораз­ведке малых глубин.

В источниках по общей схеме масса основания ограничена и входит в общую массу источника.

В качестве силового элемента принята сжатая пружина, например цилиндрическая, хотя устройство разгона может быть и другим. Общими характеристиками устройств разгона, которые учитываются в дальней­шем, служат энергия, освобождаемая в процессе разгона, и массы, участ­вующие в разгоне (но не участвующие в ударе). Массы разгонных уст­ройств могут быть небольшими и не учитываться, если боек разгоняется сжатым воздухом, либо учитываться обязательно, если боек разгоняется сжатым воздухом посредством поршня, масса которого сравнима с мас­сой бойка. В приведенном примере масса поршня в разгоне участвует полностью. Возможны случаи, когда приходится находить эффективную массу. Примером может служить пружина, так как при разгоне бойка скорости различных ее участков различны. Понятие эффективной массы разгонного устройства можно, очевидно, применить и там, где массы фактически отсутствуют, например, когда разгон осуществляется магнит­ным полем. В этом случае, мерой эффективной массы разгонного устрой­ства могут служить энергетические потери в нем.

Геологические задачи сейсморазведки малых глубин.

Выбор методических приемов определяется решаемой геологической задачей применительно к конкретным сейсмогеологическим условиям, точностью измерения изучаемых параметров ВЧР, обеспечением оперативности и экономической эффективности. Многообразие сейсмогеологических моделей ВЧР приводит к необходимости применения широкого набора традиционных и нетрадиционных методических приемов. Сочета­ние малоканальное™ сейсмостанции с мобильностью источника возбуж­дения создает по сравнению с традиционной сейсморазведкой существен­но более гибкие возможности в выборе и осуществлении систем наблюде­ний на подавление регулярных волн-помех, выделение целевых волн и, и конечном итоге, на решение поставленной геологической задачи.

Особенностью геологических задач является их разнообразие, обусловленное, с одной стороны, высокими разведочными параметрами сейсморазведки по сравнению с другими методами и, с другой, широтой круга потребителей информации о верхней части разреза. По мере увеличения глубины исследования геологические задачи усложняются, а число потребителей уменьшается. Можно выделить четыре основных диапазона глубин, которым свойственны свои методико-технологические приемы изу­чения и свой круг решаемых геологических задач.

Первый диапазон охватывает интервал глубин от 0 до 10—30 м. Необходимость его изучения возникает при массовом строительстве, мелиорации, неглубоком геологическом картировании, археологии и др. Второй диапазон составляет от 10-30 до 50-100 м. В этом диапазоне исследова­нии проводятся с целью поисков строительных материалов, неглубоко залегающих подземных вод, при строительстве сложных инженерных сооружений и т.п. Третий диапазон составляет 150-200 м. Исследования проводятся с целью поисков россыпных месторождений, подземных вод, бурых углей, строительства уникальных инженерных сооружений и т.д. Четвертый диапазон составляет от 150—200 до 500 м. Исследования проводятся с целью поисков и изучения рудных тел и месторождений, поисков бурых углей, глубокозалегающих подземных вод и решения частных структурных задач.

Технологически наименее сложно изучение первого диапазона глубин. При решении геологических задач, связанных с этим диапазоном, как пра­вило, используется метод преломленных волн с возбуждением упругих колебаний одиночными ударами кувалды или падающего груза. Однако в условиях интенсивных микросейсм его изучение сопряжено с определен­ными трудностями.

Изучение второго диапазона глубин технологически значительно труд­нее первого. В частности, повсеместно требуется применение достаточно мощных источников возбуждения, а когда уровень микросейсм высок, возможности использования одиночных ударов сильно сокращаются. В основном применяется метод преломленных волн и в исключительно благоприятных сейсмогеологических условиях — метод отраженных волн.

Третий диапазон глубин ВЧР необходимо отнести к числу предельных для применения метода преломленных волн (МПВ) с поверхностными невзрывными источниками. Это обусловлено резким снижением эффективности возбуждения преломленных волн. Сложный и неоднородный состав пород приповерхностной части разреза оказывает избирательное воздействие на возбуждаемые и принимаемые колебания, в результате которого высокоразрешенные сейсмические сигналы от глубокозалегаю­щих преломляющих границ сильно ослабляются, и их выделение среди помех становится неуверенным.

Взрывы небольших зарядов ВВ, помещенных в специально подготов­ленные скважины, позволяют получить достаточно разрешенные полез­ные сигналы. Это подтверждено практикой работ. Однако сложность управления эффектом взрывного источника в реальных условиях, а так­же соображения экономического и экологического характера и безопас­ности стали причиной, по которой не нашел широкого применения метод отраженных волн (MOB) при изучении третьего и четвертого интервалов глубин.

Положительные результаты опробования цифровых накопительных сейсмостанций с невзрывными источниками в различных районах, а также опыт отечественных и зарубежных исследований с аналоговой аппарату­рой позволяют определить основные геологические задачи сейсморазвед­ки малых глубин.

Системы наблюдений.

Рассмотрим физику, геометрию и технику измерений в условиях, когда уровень возбуждаемого сигнала ненамного превышает уровень микросейсм. На рисунке в плоскости годографа зондирования показаны области

Обобщенная сейсмограмма зондирования.

1-3 – области отсутствия полезной информации, обусловленные соответственно конечной скоростью распространения сейсмических волн, высоким уровнем волн-помех и низким уровнем регулярного сигнала,

4-область где может быть получен полезный сигнал, Т-целевая волна, L -интервал наилучшего прослеживания целевой волны.

формирования помех различного типа и полезных волн. Штри­ховкой в различных направлениях выделены области, где полезная ин­формация либо не может быть получена (область 1,обусловленная конеч­ными скоростями сейсмических волн), либо получение се связано со зна­чительными техническими трудностями (области 2 и 3 распространения поверхностных волн и неблагоприятного отношения сигнал/помеха). Таким образом, выделяется область 4, где может быть получен полезный сигнал, представленный целевой волной Т. Условия получения целевой волны в различных ее участках различны. Это обусловливается, с одной стороны, затуханием регулярного сигнала при увеличении расстояния пункт возбуждения - пункт приема и, с другой — взаимодействием целевой волны с другими волнами, например, преломленными, кратны­ми и другими, которые могут присутствовать в области 4.

В настоящее время сейсморазведка располагает арсеналом средств, достаточным для прослеживания целевой волны во всей области 4. Одна­ко с точки зрения конечного результата — определения сейсмогеологической границы с заданной точностью — интервал прослеживания волны по оси х может быть меньше, чем в области 4 в целом, но не менее не­которой его части /.. При этом местоположение этой части внутри всего интервала уже безразлично и будет определяться как объективными (на­личием технических средств), так и субъективными факторами (опыт­ность оператора). Как бы то ни было, но допустим, что зондирование сде­лано, при этом в интервале L целевая волна прослежена достаточно четко и это позволяет определить сейсмогеологическую границу и решить по­ставленную задачу. Наряду с этим выводом немедленно возникает дру­гой: все работы, проведенные за пределами интервала L , бесполезны. Можно привести веские аргументы для доказательства того, что работы вне интервала L были необходимы, но этим их бесполезность не отри­цается.

В традиционной сейсморазведке при использовании сильных источни­ков область 3 отодвигается в сторону больших значений t и х, при этом область 4 существенно увеличивается. Это приводит к повышению эффективности работ. В некоторых системах наблюдений для повышения эффективности начальный интервал в районе х = 0 вообще не измеря­ется. В традиционной сейсморазведке зондирование является высоко­эффективным способом разведки и положено в основу всех систем на­блюдений.

Механический перенос систем наблюдений традиционной сейсмораз­ведки в сейсморазведку малых глубин приводит к резкому уменьшению эффективности работ, поскольку значительная часть работы, затраченной на измерения, оказывается бесполезной.

Выход из создавшейся ситуации заключается в следующем. Предста­вим, что на профиле наблюдений имеется два зондирования на некото­ром расстоянии друг от друга. Целевая волна от изучаемого горизонта на обоих зондированиях фиксируется соответственно в интервалах L и L . При этом L_l и L перекрываются по оси х. Иными словами, существует такое расстояние пункт возбуждения — пункт приема х, на котором в обоих случаях фиксируется целевая волна. Можно предпо­ложить, что на участке профиля, расположенном между первым и вторым зондированиями, целевую волну можно проследить некоторым числом зондирований, причем каждое из них может быть представлено одним измерением с расстоянием пункт возбуждения — пункт приема, рав­ным x_Q .

Совокупность таких зондирований будет представлять собой, по суще­ству, профилирование на фиксированных расстояниях между пунктами возбуждения и приема, называемое в дальнейшем профилированием на постоянных базах. Таким образом, система наблюдений в сейсмораз­ведке малых глубин в общем виде является сочетанием зондирований, которым обеспечивается получение информации о волновом поле и сред­них скоростях разреза, с профилированием, которым обеспечивается про­слеживание целевых волн в интервале между зондированиями.

Сравнение этих двух компонент системы показывает следующее. Если зондирование проведено в интервале х₁ *₂ и при этом целевая волна получена на интервале L < х_} — х₂ , то это означает, что изучаемая сейсмогеологическая граница прослежена в пределах интервала от L (МПВ) до 0,5 /, (MOB). Профилирование на постоянной базе, проведенное в интервале профиля х₁ - х_г , обеспечивает прослеживание сейсмогеологической границы в таком же интервале х х. Таким образом, по ин­тервалу прослеживания сейсмогеологической границы сейсмическое зон­дирование менее эффективно но сравнению с профилированием.

Шаг наблюдений при заданной геометрии сейсмогеологической грани­цы, как известно, определяется двумя факторами — принципом подобия и изменчивостью поверхностных условий вблизи пунктов возбуждения и приема. Принцип подобия вытекает из необходимости корреляции сосед­них сейсмических трасс и по этой причине ограничивает временной сдвиг между трассами пределами до половины видимого периода коррелируе­мой волны.

В сейсмозондировании временные сдвиги между соседними сейсми­ческими трассами обусловлены характером годографов наблюдаемых волн и присутствуют, даже когда исследуемая сейсмогеологическая грани­ца параллельна поверхности наблюдений. Это приводит' к тому, что шаг между точками наблюдений оказывается, как правило, меньшим, чем это­го требует масштаб съемки. При профилировании временные сдвиги обусловлены только изменением сейсмогеологической границы и могут опре­деляться масштабом съемки.

С точки зрения влияния поверхностных неоднородностей, профили­рование на постоянной базе "проигрывает" в - JT раз сейсмозондирова­нию, поскольку в первом случае перемещаются оба пункта (пункты возбуждения и приема), во втором только пункты приема. В неблагопри­ятных условиях это может привести к необходимости уменьшения шага между точками наблюдений.

Рассмотренные факторы связаны с производительностью работ при выполнении зондирований и профилирования и оцениваются в среднем» как 1:10 и более. Таким образом, увеличение объемов профилирования относительно объемов зондирования может привести к существенному увеличению производительности работ и снижению общих затрат.

Наряду с высокой производительностью, профилирование на постоян­ной базе имеет ряд других существенных методических преимуществ: реализуется возможность прослеживания целевых отраженных волн в оптимальном временном окне - в сравнительно небольших интервалах, свободных от интенсивных регулярных помех; обеспечивается прослежи­вание целевых преломленных волн вблизи точек их выхода, в условиях наибольшей их интенсивности и наименьшего влияния рефракции; просто­та и оперативность интерпретации первичных материалов, которые пред­ставляют собой аналог временного разреза.

Однако при профилировании на постоянной базе следует учитывать фактор риска, так как предположения, лежащие в основе профилирова­ния на постоянной базе, в условиях слабой динамической выраженности целевой волны и связанной с этим неустойчивостью интервалов ее выде­ления могут не оправдаться.

Риск существенно увеличивается при неустойчивых параметрах целевых волн и устойчивых параметрах регулярных волн-помех. В том слу­чае появляется возможность ложного их отождествления. Существует несколько путей снижения риска — это сгущение сети зондирований, проведение дополнительных зондирований с ограниченными интервалами прослеживания полезных волн и увеличение числа баз при профилирова­нии. В первом случае элементный состав системы наблюдений не меня­ется, просто распределение зондирований оказывается более рациональ­ным, так как учитывает результаты работ профилирования. Во втором случае в составе системы наблюдений появляется новый элемент — зон­дирования с ограниченными интервалами прослеживания, состоящими из трех-шести наблюдений. В дальнейшем они называются "точечными". Такие зондирования позволяют детализировать участки профиля, где возникают сомнения в правильности корреляции волн.

Увеличение числа различных баз при профилировании позволяет уве­личить надежность корреляции полезных волн и в определенных условиях получить информацию о скорости их распространения. Здесь следует упо­мянуть о следующем обстоятельстве. Результаты профилирования отно­сятся (точка записи) к центру базы. Если баз несколько, то измерения

по разным базам, относящиеся к одной точке наблюдения, представляют собой зондирование ОГТ. Вследствие этого, зондирования ОГТ могут служить как средством уточнения ситуации, полученной профилирова­нием с равными базами, так и самостоятельным обоснованием для выбора при профилировании размеров баз и их числа.

Таким образом, системы наблюдений для сейсморазведки малых глубин достаточно простые для решения простых задач в благоприятных условиях, по мере их усложнения приобретают черты, свойственные тра­диционной сейсморазведке.

С внедрением в практику работ слабых невзрывных источников резко снизились затраты на возбуждение, что привело к возможности примене­ния обращенных систем наблюдений с общими пунктами приема. При этом применение обращенных систем стало целесообразным в условиях, когда трудоемкость работ по приему сейсмических сигналов превышает трудоемкость по их возбуждению. Такие особенности появляются в рай­онах, где требуется применение больших групп сейсмоприемников либо допускается возможность использования простейших источников воз­буждения, например кувалды. Системы с общими пунктами возбуждения эффективны при работе с более мощными, механическими источниками и небольшими группами сейсмоприемников.

К расположению профилей, длине годографа и шагу наблюдений предъявляются общеизвестные требования. Профили по воз­можности располагаются в условиях спокойного рельефа и вкрест прости­рания пород. Длина годографа в зависимости от решаемых задач может изменяться в очень широких пределах (от 10 до 1500 м). Она подбирается такой, чтобы полезные волны прослеживались на достаточно больших ин­тервалах без наложения регулярных помех.

Технические параметры портативных сейсмостанций с накоплением позволяют широко пользоваться принципом взаимности и во избежание влияния локальных, постоянно действующих источников микросейсм (например рек, работающих механизмов и др.) взаимозаменять местопо­ложение пунктов приема и возбуждения. При скрытых, постоянно дей­ствующих помехах (погружные насосы, подземные коммуникации и т.п.) целесообразно производить предварительное районирование территории по изучению микросейсм для выбора оптимальных условий размещения пунктов приема.

Шаг между сейсмоприемниками не должен превышать половины дли­ны целевых волн и в зависимости от типа регистрируемых волн и глубинности исследований может изменяться от 1 до 50 м при зондированиях и от 5 до 500 м при профилировании. Наиболее широко применяется шаг 5—10 м. Для работ со слабыми невзрывными источниками по сравнению с традиционной сейсморазведкой характерно применение несколько мень­шего шага между сейсмоприемниками, что обусловлено более высоким' частотным диапазоном регистрируемых волн и большей изменчивостью поверхностных сейсмогеологических условий. В ряде случаев профилиро­вание целесообразно проводить с различным шагом перемещения постоянных баз с последующим его уменьшением в пределах обнаруженных

аномалий.

При благоприятных сейсмогеологических условиях с целью повыше­ния производительности отработки зондирований с сейсмостанциями, имеющими два канала и более, может быть применен способ "составных годографов", в некоторых чертах сходный со способом, применяемым при отработке зондирований ОГТ. В этом случае используются общие пункты приема, а источник возбуждения перемещается по профилю с шагом, кратным расстановке сейсмоприемников. Сводная сейсмограмма формируется в функции расстояний пункт приема — пункт возбуждения. Способ обеспечивает повышение производительности с трехканальными сейсмостанциями более чем в 2 раза по сравнению с наблюдениями с об­щим пунктом возбуждения.

В условиях негоризонтального залегания сейсмических границ, а так­же при изменчивом строении ВЧР могут быть использованы системы с получением прямых и встречных годографов при общих пунктах возбуж­дения или общих пунктах приема.

В районах со сложными сейсмогеологическими условиями, когда необходимо картирование нескольких сейсмических границ, эффективно применение систем с большим количеством постоянных баз. Такие системы характеризуются малой производительностью отработки профиля, но позволяют увеличить объем физических наблюдений за одну приборо-смену, в результате чего становится возможным имитировать систему наблюдений с общими пунктами возбуждения или приема. При работе с трехканальными сейсмостанциями могут быть применены систе­мы одновременной отработки зондирований, с получением одной ветви годографа и профилирования на двух постоянных базах. В этом случае сейсмоприемник одного из каналов устанавливается в одной из точек профиля и остается неподвижным, а два других, совместно с источни­ком, перемещаются по профилю, удаляясь либо приближаясь к нему. Шаг размещения зондирований по профилю в этом случае равен или боль­ше принятой длины годографа.

В целом, малоканальные сейсмостанции обеспечивают наибольшую гибкость в выборе разнообразных систем наблюдений. Наряду с продоль­ным профилированием, в практике работ могут широко применяться сис­темы непродольного профилирования либо комплексирование продоль­ного и непродольного.

В заключение приведем некоторые замечания о системах наблюдений. Исходя из самых общих позиций метода отраженных волн, можно посту­лировать, что существует некоторый оптимальный угол отражения а, когда отраженная волна наблюдается наилучшим образом и при этом 0 < а < 90°. Действительно, когда расстояние пункт возбуждения — пункт приема велико по сравнению с глубиной залегания отражающей границы и угол 1а приближается к 180°, отраженная волна интерферирует с пря­мой и практически не выделяется. При увеличении глубины залегания границы, когда угол а приближается к нулю, интенсивность отраженной волны падает за счет увеличения расстояния между пунктом возбуждения и отражающей границей, что также затрудняет ее выделение. Возможности уменьшения угла а путем уменьшения расстояния пункт возбуждения - пункт приема при небольшой глубине отражающей границы ограничены присутствием регулярных помех вблизи пункта возбуждения. Оптималь­ный угол зависит, очевидно, от многих причин, включая как свойства са­мой отражающей границы, так и общую мозаику поля регулярных помех. Для последующих построений достаточно допущения, что оптимальный угол существует. Отсюда следует, что при определенном расстоянии L между пунктом возбуждения и пунктом приема, некоторая область гео­логического разреза, расположенная на глубине h , изучается лучше дру­гих. При горизонтальном залегании границ центр этой области будет ле­жать на перпендикуляре, опущенном из середины отрезка L, на глубине h = //2 sin а. Для простоты построений примем а = 45°.

Перед построением приведенных схем было сделано несколько допу­щений, в частности, что угол а равен 45°. Легко видеть, что изменение этого угла изменит только вертикальный масштаб. Можно допустить, что границы, залегающие на разных глубинах, по разным причинам имеют разные углы а. Это приведет к определенным трансформациям в распо­ложении центров областей на разрезе, но не изменит существа дела.

В традиционной сейсморазведке существуют более сложные системы наблюдений, когда применяется большее число пунктов возбуждения, например ОГТ, которые по своей сути направлены на устранение недостат­ка, связанного с неравномерностью изучения геологического разреза.

Представляется, что если систему наблюдений рассматривать только с позиции получения некоторого объема информации о геологическом разрезе, то невыгодны как многоканальные сейсмостанции с небольшим числом пунктов возбуждения, так и малоканальные с большим числом пунктов возбуждения. Необходимо, чтобы при одном источнике воз­буждения число каналов и пунктов возбуждения было примерно одина­ково, точнее при п каналов должно быть п + 1 пунктов возбуждения или наоборот.

Технология полевых работ.

Наземные полевые работы при изучении ВЧР проводятся в два этапа. На первом этапе выполняются опытно-методические работы, в процессе которых выясняются сейсмогеологические условия района работ, выбира­ется метод решения поставленной задачи, системы наблюдений, рабочие параметры приема и возбуждения колебания, а при наличии скважин - проводится ВСП. На втором этапе, с использованием выбранных методи­ческих приемов, отрабатываются основные объемы полевых работ.

Работы второго этапа, в свою очередь, могут выполняться в несколь­ко циклов, из которых завершающим является детализация участков с более сложными сейсмогеологическими условиями. Началу опытно-ме­тодических работ предшествует анализ имеющейся по району геолого-гео­физической информации, по результатам которого производится предва­рительное сейсмогеологическое районирование и выбираются наиболее характерные зоны для проведения опытно-методических работ.

В выбранной зоне, желательно вблизи буровых скважин, отрабаты­вается зондирование с максимальными длинами годографов, с сокра­щенным шагом между каналами и без применения интерференционных систем. В процессе отработки зондирования варьируются параметры

возбуждения и приема. Анализируется зарегистрированное волновое поле и полученные данные сопоставляются с имеющейся геологической информацией. По результатам анализа намечаются меры повышения информативности сейсмических работ, например с применением интер­ференционных способов приема, либо, если полученные данные позволя­ют это сделать, выбирается метод, обеспечивающий решение поставленной геологической задачи. Аналогичные работы проводятся в следующих зонах до получения положительных результатов. Затем на участке прово­дятся дополнительные эксперименты с целью уточнения рабочих парамет­ров выбранного метода, опробуется группирование сейсмоприемников и пунктов возбуждения. С выбранными оптимальными параметрами отра­батываются зондирования в других зонах района. Выясняются особеннос­ти изменения волновых полей и выбираются необходимые размеры постоянных баз, а для районов со сложными сейсмогеологическими усло­виями выбираются оптимальные системы профилирования - длина годо­графов, размер баз и шаг наблюдений.

Работы второго этапа могут проводиться в различной последователь­ности. В случае применения зондирований с профилированием на постоян­ных базах вначале может быть отработан наибольший объем зондирова­ний, а затем профилирование на постоянных базах или отработка зонди­рований и профилирование проводятся параллельно.

После выполнения основного объема работ проводится детализация участков неуверенного прослеживания сейсмических горизонтов и зон с аномальными параметрами волновых полей. На этом этапе, как прави­ло, отрабатываются дополнительные точечные зондирования с целью сокращения шага наблюдений либо отрабатываются дополнительные зон­дирования.

Технология работ в горных выработках, например, с задачами сейсми­ческого просвечивания или определения напряженного состояния массива горных пород, также двухэтапная и определяется пространственным по­ложением горных выработок и их состоянием. Наибольшего внимания заслуживает крепление сейсмоприемников к стенкам выработок и воз­буждение колебаний при наличии крепи. Для возбуждения необходимо выбирать участки без трещин и вне зон дробления. Кренить сейсмоприемники наиболее просто в углублениях на стенках выработок с помощью алебастра или замазок. Схема, длина годографов и шаг наблюдений могут быть выбраны по данным, приведенным в работе, и скорректированы применительно к конкретным условиям.

Технология наблюдений в скважинах (ВСП), как показывают экспе­риментальные исследования, полностью определяется принципами и реко­мендациями, приводимыми в работе. Некоторые особенности связаны с регистрацией слабых сигналов, возбуждаемых слабыми поверхностными источниками. Это приводит к необходимости более плотного прижима скважинного снаряда к стенкам скважины, полного устранения влияния каротажного кабеля, а также использования меньшего шага между сосед­ними наблюдениями и применения систем наблюдений, обеспечивающих уменьшение влияния поверхностных волн. Выбору систем наблюдений

ВСП предшествует отработка зондирований с общими пунктами возбуж­дения или приема, расположенных у устья скважины. По данным зонди­рований определяется местоположение пункта возбуждения, которое счи­тается оптимальным, когда он в наибольшей мере приближен к устью скважины и находится вне зоны влияния поверхностных волн.

Приемы обработки и интерпретации материалов.

Рассмотрим оперативные приемы обработки первичных материалов. При этом основное внимание будет уделено тем из них, которые связаны с наименьшими затратами и в большей мере соответствуют методике полевых работ.

Предлагаемые приемы не противопоставляются современным тенден­циям в развитии обработки с использованием ЭВМ. Авторы знакомы с преимуществами машинной обработки, но считают, что при изучении ма­лых глубин, когда требуется высокая оперативность в получении конеч­ного результата и постоянная необходимость в корректировке методики полевых наблюдений вследствие изменчивости параметров ВЧР, машинная обработка должна осуществляться на профиле. Техническое обеспечение этого направления пока что не достигло соответствующего уровня.

Обработка и интерпретация первичных материалов содержит следую­щие этапы: предварительная обработка; вычисление скоростных парамет­ров разреза; определение глубин залегания сейсмических границ; оценка точности полученных параметров.

Предварительная обработка. В процессе предварительной обра­ботки составляются сводные сейсмограммы, монтажи сейсмограмм, производится корреляция зарегистрированных волн, строятся годографы и поля времен t и вводятся поправки.

Необходимость в составлении монтажей обычно возникает при отра­ботке протяженных профилей и зондирований с большими длинами годо­графов. В некоторых случаях полезно составлять монтажи для отдель­ных постоянных баз, что облегчает корреляцию целевых волн в сложных волновых полях.

Желательно, чтобы процессу корреляции волн предшествовал этап тщательного анализа всей имеющейся информации о предыдущих иссле­дованиях в изучаемом районе и на соседних площадях. Это способствует более правильной оценке кинематических и динамических свойств основ­ных волн. В процессе корреляции выделяются основные целевые волны и определяется время прихода их одинаковых фаз. Последний момент является существенным при наблюдениях на фиксированных базах, когда одновременно меняются условия возбуждения и приема, вследствие чего возникают трудности в отождествлении одноименных фаз на соседних трассах. В таких случаях эффективно применение приема совмещения записей соседних или удаленных трасс, из которых одна рисуется на каль­ке и накладывается на другую, а затем подбирается их наилучшее совпа­дение как по форме, так и по фазе. Определенную помощь в контроле

правильности проведенной корреляции оказывает анализ построенных полей t (х, I ) и годографов.

В соответствии с известными принципами интерпретации точечных зондирований время прихода волн при построении полей t ( x , I ) относит­ся к центрам баз.

В годографы вводятся поправки за фазу и при необходимости поправ­ки за изменение зоны малых скоростей. Поправки за фазу определяются по наиболее интенсивным записям. В случае использования нескольких режимов вводится временная коррекция, исходя из того, что максималь­ные значения амплитуд волны при регистрации переходов сигналов через нуль соответствуют нулевым значениям амплитуд волн, получаемым при многоразрядном АЦП. Первые вступления на всех режимах АЦП регист­рируются без изменений.

Определение скоростных параметров разреза. Наиболее пол­ную и точную информацию о скоростном разрезе можно получить только по данным сейсмокаротажа, поэтому его проведение представляется целе­сообразным при первой же возможности. Однако в реальных условиях доступные для каротажа скважины, как правило, отсутствуют и всю основ­ную информацию о скоростях извлекают из данных зондирований MOB,

МПВ.

Построение сейсмических разрезов. В большинстве случаев построение сейсмических разрезов производится от земной поверхности. Это позволяет вводить поправки за изменение рельефа местности. При профилировании на постоянных базах разрезы строятся от линии, соеди­няющей точки возбуждения и приема.

В зависимости от особенностей геологического строения изучаемого района и требований, предъявляемых к точности и оперативности получе­ния конечного результата, может быть применен весьма широкий круг методических приемов вычисления глубины залегания сейсмических гра­ниц. По сложившейся традиции, зарубежные фирмы при изучении ВЧР применяют в основном палеточные способы, которые при удовлетворительной точности обеспечивают высокую производительность обработки больших объемов первичных материалов. В нашей стране преимуществен­ное распространение получили графоаналитические способы, особенно способ t ₀ .

Оценка точности построений. Основным критерием правильнос­ти интерпретации полевых материалов является внешняя сходимость ее результатов с материалами других методов, например, с данными буре­ния. Однако такое сравнение не всегда возможно. В этом случае необхо­димо оценивать относительную погрешность определения параметров сейсмогеологического разреза - скорости распространения волн и глуби­ны залегания в зависимости от погрешности измерения времени прихода волны. Последняя определяется спецификой сейсморазведки как метода и при правильном выборе параметров измерительного устройства (кван­тования временной оси и амплитуды сигнала, числа накоплений) от них не зависит.

Погрешность определения средней скорости по способу пересечения годографов преломленных волн для разрезов, характеризующихся воз­растанием скорости с глубиной, не превышает 10%. Если же в разрезе имеются слои с повышенной граничной скоростью, погрешности могут достигать 50%.

Погрешности определении граничной скорости по разностному годографу в основном связаны с неучетом влияния углов наклона границ. В частности, при углах наклона 10, 20 и 30° погрешность определения граничной скорости достигает соответственно 1,5; 6,0; 15,4%.

Неточности определения глубины залегания отражающих горизонтов связаны с суммарными погрешностями определения времени и скорости. При правильном отождествлении фаз волн ошибки погрешности опреде­ления времени по сравнению с погрешностями определения скоростей обычно малы. Как показывают исследования, погрешности определения скорости медленно изменяются по профилю и имеют систематический характер, который трудно учесть на коротких профилях. Однако неточное значение скорости в процессе обработки коротких профилей обычно не приводит к существенным погрешностям определения относительных изменений форм рельефа отражающих горизонтов.

Преимущественная зависимость положения сейсмических границ от определения скоростного разреза сохраняется и для метода преломленных волн. Особенно это относится к способам определения глубины в много­слойных разрезах с использованием приближенных расчетных формул.

При профилировании на постоянных базах влияние погрешностей определения скорости возрастает с увеличением глубины залегания границ и постоянных баз. Эти погрешности имеют в основном систематический характер и отражаются главным образом на среднем уровне положения границ, не изменяя существенно их формы.