Обработка и интерпретация материалов сейсморазведки.

 

В отличие от других методов геофизики, интерпретации данных сейсморазведки предшествует очень трудоемкий этап обработки сейсмограмм, направленный на выделение из сотен зарегистрированных волн нескольких полезных. С помощью как рациональной системы наблюдений, так и сложной цифровой обработки материалов надо подавить множество регулярных и нерегулярных волн-помех и выявить кинематические (время прихода) и динамические (амплитуда сигналов) характеристики волн. Далее их надо идентифицировать однократными отраженными или преломленными (рефрагированными) волнами.

Таким образом, в результате обработки сейсмических данных получаются времена прихода тех или иных волн на разных расстояниях от ПВ. По ним строятся годографы волн и временные разрезы (обычно в МОВ и МОГТ).

Обработка заканчивается качественной интерпретацией выявленных однократных волн, т.е. дается характеристика изменения сейсмического разреза по горизонтали и вертикали. Особенно наглядны временные разрезы, на которых видны все структурные (геометрические) особенности разреза.

 

Обработка сейсмограмм.

 

1. Ручная обработка сейсмограмм. Для ручной обработки данных сейсморазведки используются сейсмограммы, на которых непрерывная аналоговая запись представлена в видимой форме.

На первом этапе обработки сейсмограмм ставят марки времени от момента взрыва. Далее ведут корреляцию, или выделение вступлений или фаз одной и той же волны по разным каналам сейсмограммы. Вступления волны (первое резкое отклонение записи сигнала от положения равновесия) легко определить для волн, пришедших первыми (первые вступления). Как правило, это прямые или преломленные волны. Определить вступление других полезных волн, особенно пришедших от глубинных границ и в условиях интерференции волн, трудно, поэтому ведется фазовая корреляция. Для этого на сейсмограммах прослеживаются оси синфазности, или фазы колебаний, т.е. максимумы и минимумы на записи, наблюдаемые вслед за вступлением волны и характеризующиеся одинаковой устойчивой формой и амплитудой на соседних трассах.

Для улучшения записи и облегчения выделения тех или иных полезных волн в процессе перезаписи полевых материалов меняют фильтрацию, усиление, производят суммирование сигналов с тем, чтобы сделать запись визуально более четкой и лучшей для ручной обработки. Выделив оси синфазности, по маркам времени легко найти время прихода фазы той или иной волны к каждому сейсмоприемнику. В полученное время прихода волн вводятся так называемые статические поправки: за зону малых скоростей мощностью в несколько первых десятков метров, где скорости всегда ниже, чем в коренных породах, за рельеф, за глубину взрыва и другие, а также поправка за фазу, благодаря которой определяется точное время вступления волны.

 

2. Цифровая обработка сейсмических данных. Решение сложнейших проблем сейсморазведки - выделение полезных однократных отраженных и преломленных (рефрагированных) волн от ряда границ раздела на фоне сотен волн-помех было бы невозможным без цифровой обработки сейсмических данных на ЭВМ. "Цифровая революция" в геофизике прошла в 60 - 70-е годы, а уровень компьютеризации в сейсморазведке - один из самых высоких среди всех научно-прикладных дисциплин.

Основу цифровой обработки сейсмических данных составляют три вида математических операций: преобразования Фурье, свертка (конволюция) сигналов и корреляция.

Преобразования Фурье преобразуют функции во временной области (например, короткий импульс при возбуждении упругой волны) в функции в частотной области (например, длительная гармоническая запись сигнала, снимаемого с сейсмоприемника) и обратно. Важно, что информация в ходе таких преобразований принципиально не теряется, но ее обработка более удобна и наглядна иногда в частотной, иногда во временной областях.

Свертка сигналов - это математическое решение задачи фильтрации, т.е. операция замещения каждого элемента входного сигнала некоторым выходным с определенной весовой функцией. Один из этих сигналов берется перевернутым, т.е. в противофазе.

Корреляция выявляет меру сходства двух последовательностей (выборок каких-то данных). Она аналогична свертке, только без переворота одной из функций. Например, с помощью метода взаимной корреляции определяется сходство сигналов двух трасс записей сейсмоприемников. Для улучшения сходства в один из каналов можно ввести временной сдвиг.

Целью разных методов цифровой обработки является увеличение отношения сигнал/помеха, чтобы надежно отфильтровать кратные и другие волны-помехи, прокоррелировать оси синфазности полезных однократно отраженных или преломленных волн, определить время их прихода по всем трассам и изменение амплитуд сигналов по ним.

 

3. Построение временных разрезов. При обработке данных МОВ строятся временные разрезы. Временной разрез представляет собой определенным образом подобранные и преобразованные сейсмограммы, на которых записи отнесены к нулевому времени (t₀), т.е. времени пробега волны при нулевом удалении от приемника до источника. Для этого в наблюденные сейсмограммы вводятся так называемые кинематические поправки.

Такие разрезы автоматически получаются при работах методом t₀, или центрового луча, когда сейсмоприемник располагается вблизи пункта возбуждения, а запись производится одним сейсморегистрирующим каналом, например, в методе непрерывного сейсмического профилирования на акваториях. Если сделать монтаж из трасс таких записей (для чего направить ось времен каждой трассы вниз, а рядом на определенных расстояниях, соответствующих положению пунктов возбуждения, расположить все соседние трассы), то это и будет временной разрез.

При многоканальной автоматической записи строятся временные разрезы с помощью ЭВМ. Выделяя на временных разрезах оси синфазности, соответствующие временам прихода однократных отраженных волн, получаем линии t₀, каждая из которых отвечает одной из отражающих границ геологического разреза.

Временные разрезы хотя и не несут информации о глубинах залегания отражающих границ, но дают представление об основных чертах геологического строения и являются важным результатом качественной интерпретации данных МОВ. Если средняя скорость не меняется вдоль профиля, то линия может быть непосредственно сопоставлена с отражающей границей. Зная среднюю скорость в толще над отражающей границей и закон ее изменения со временем, например, по имеющемуся для данного района графику V_ср(t₀), легко перестроить временной разрез в глубинный. В случае, когда V_ср(t₀) остается постоянной вдоль профиля, такое преобразование сводится к замене шкалы времени на шкалу глубин H = V_ср(t₀) * t₀/2. В случае непостоянства трансформация временных разрезов в глубинные затруднена и осуществляется с помощью ЭВМ.

 

4. Обработка данных МОГТ. Как отмечалось, в методе общей глубинной точки (МОГТ) для каждой точки профиля получается несколько сейсмотрасс, т.е. запись с разных пунктов возбуждения (ПВ) и сейсмоприемников (СП), расположенных симметрично от (точки записи). При такой системе наблюдений во всех точках профиля последовательно могут располагаться ПВ и СП, а число таких перестановок равно кратности перекрытий.

Поскольку, кроме однократных волн, на сейсмограммах регистрируется множество многократно отраженных волн от всех границ раздела, то они маскируют полезные однократные волны. Целью обработки данных МОГТ и является хотя бы частичное подавление многократно отраженных волн. Для этого используются сложные многоступенчатые приемы суммирования всех сейсмотрасс с введением в них кинематических поправок и получением так называемых суммотрасс. Обработка требует больших расчетов и выполняется в автоматическом режиме на ЭВМ.

 

Количественная интерпретация данных сейсморазведки

 

Количественная интерпретация годографов и временных разрезов начинается с изучения скоростного разреза и определения средних скоростей толщ пород над каждой из выявленных отражающих и преломляющих границ. Далее временные разрезы преобразуются в глубинные, т.е. определяется геометрия разреза (глубины залегания, углы наклона ()) и распределение пластовых, средних, граничных скоростей по профилю и глубине. Заключительным этапом является геологическое истолкование результатов, для чего используется вся геологическая информация, данные бурения и геофизических исследований в скважинах (ГИС). Оно заканчивается построением сейсмогеологических разрезов, называемых так потому, что это фактически структурно-геологические разрезы, но построенные по данным сейсморазведки и ГИС. Кроме того, строятся структурные карты.

 

Сейсмология.

Волны в природе, сейсмические волны.

 

Сейсмическая активность Земли проявляется в возникновении землетрясений. Землетрясение - это колебание грунта под воздействием сейсмических волн.

Волны в природе представляют собой изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Например, удар по концу стального стержня вызывает на этом конце местное сжатие, которое распространяется затем вдоль стержня со скоростью около 5 км/сек; это – упругая волна. Упругие волны существуют в твёрдых телах, жидкостях и газах. Звуковые волны и сейсмические волны в земной коре являются частными случаями упругих волн. К электромагнитным волнам относятся радиоволны, свет, рентгеновские лучи и др. Основное свойство всех волн, независимо от их природы, состоит в том, что в виде волн осуществляется перенос энергии без переноса вещества (последний может иметь место лишь как побочное явление). Например, после прохождения по поверхности жидкости волны, возникшей от брошенного в воду камня, частицы жидкости останутся приблизительно в том же положении, что и до прохождения волны.

Волны могут различаться по тому, как возмущения ориентированы относительно направления их распространения. Так, например, звуковая волна распространяется в газе в том же направлении, в каком происходит смещение частиц газа (рис. 1, а), в волне, распространяющейся вдоль струны, смещение точек струны происходит в направлении, перпендикулярном струне (рис. 1, б). Волны первого типа называются продольными (P), а второго – поперечными (S).

В жидкостях и газах упругие силы возникают только при сжатии и не возникают при сдвиге, поэтому упругие деформации в жидкостях и газах могут распространяться только в виде продольных волн («волны сжатия»). В твёрдых же телах, в которых упругие силы возникают также при сдвиге, упругие деформации могут распространяться не только в виде продольных волн («волн сжатия»), но и в виде поперечных волн («волн сдвига»). В твёрдых телах ограниченного размера (например, в стержнях, пластинках и т.п.) картина распространения волн более сложна, здесь возникают ещё и другие типы волн, являющиеся комбинацией первых двух основных типов.

Особую важность в теории волн имеет представление о гармонической волне, в которой все изменения состояния среды происходят по закону синуса или косинуса. Основными характеристиками гармонической волны являются длина волны λ – расстояние между двумя максимумами или минимумами возмущения (например, между соседними гребнями или впадинами на поверхности воды) и период волны Т – время, за которое частица среды совершает одно полное колебание. Таким образом, бесконечная волна обладает строгой периодичностью в пространстве и периодичностью во времени. Между длиной волны λ и периодом Т имеется простое соотношение. Чтобы получить его, фиксируют внимание на частице, которая в данный момент времени находится на гребне волны. После ухода от неё гребня она окажется во впадине, но через некоторое время, равное λ/с, где с — скорость распространения волны, к ней подойдёт новый гребень, который в начальный момент времени был на расстоянии λ от неё, и частица окажется снова на гребне, как вначале. Этот процесс будет регулярно повторяться через промежутки времени, равные λ/с. Время λ /с совпадает с периодом колебания частицы Т, т. е. λ/с = Т. Это соотношение справедливо для гармонической волны любой природы.

 

 

Вместо периода Т часто пользуются частотой v, равной числу периодов в единицу времени: v= 1/Т. Между v и λ имеет место соотношение: λv = с. В теории волн пользуются также понятием волнового вектора, по абсолютной величине равного k = 2π/λ = 2πv/c, т. е. равного числу волны на отрезке 2π и ориентированного в направлении распространения волны.

При приходе в данную точку среды двух волн их действие складывается. Особо важное значение имеет наложение так называемых когерентных волн (т. е. волн, разность фаз которых постоянна, не меняется со временем). В случае когерентности волн имеет место явление, называемое интерференцией: в точках, куда обе волны приходят в фазе, они усиливают друг друга; в точках же, куда они попадают в противофазе, – ослабляют друг друга.

В процессе распространения волны её форма претерпевает изменения. Характер изменений существенно зависит от первоначальной формы волны. Лишь бесконечная синусоидальная (гармоническая) волна (за исключением волны очень большой интенсивности) сохраняет свою форму неизменной при распространении, если при этом она не испытывает заметного поглощения. Но волну любой формы можно представить как сумму бесконечных синусоидальных волн разных частот (как говорят, разложить в спектр). Например, одиночный импульс можно представить, как бесконечную сумму наложенных друг на друга синусоидальных волн. Если среда, в которой распространяются волны, линейна, т. е. её свойства не меняются под действием возмущений, создаваемых волнами, то все эффекты, вызываемые негармонической волной, могут быть определены как сумма эффектов, создаваемых в отдельности каждой из её гармонических составляющих (так называемый принцип суперпозиции).

В реальных средах нередко скорости распространения синусоидальных волн зависят от частоты волны (так называемая дисперсия волн). Поэтому негармоническая волна (т. е. совокупность гармонических волн различных частот) в процессе распространения меняет свою форму вследствие того, что при распространении этих гармонических волн соотношение между их фазами меняется. Искажение формы волны может происходить также при дифракции (огибании тела волной) и рассеянии (потери волной энергии при прохождении через неоднородную (в частности, тонкослоистую) среду) негармонических волн, так как оба эти процесса зависят от длины волны и поэтому для гармонической волны разной длины дифракция и рассеяние будут происходить по-разному. При наличии дисперсии изменение формы негармонической волны может происходить также в результате преломления волны. Однако иногда может искажаться и форма гармонической волны. Это происходит в тех случаях, когда амплитуда распространяющейся волны достаточно велика, так что уже нельзя пренебрегать изменениями свойств среды под воздействием волны, т. е. когда сказываются нелинейные свойства среды. Искажения формы синусоидальной волны могут выразиться в том, что «горбы» волны (области больших возмущений) распространяются со скоростью, превышающей скорость распространения остальных участков волны, в результате чего синусоидальная форма волны превращается в пилообразную. В нелинейной среде существенно изменяются и другие законы распространения волн – в частности, законы отражения и преломления.

При падении плоской волны на плоское же отражающее препятствие возникает отражённая плоская волна. Если при распространении волн в среде и при отражении их от препятствия не происходит потерь энергии, то амплитуды падающей и отражённой волн равны между собой. Отражённая волна интерферирует с падающей волной, в результате чего в тех точках, куда падающая и отражённая волны приходят в противофазе, результирующая амплитуда падает до 0, т. е. точки всё время остаются в покое, образуя неподвижные узлы колебаний, а в тех местах, где фазы волн совпадают, волны усиливают друг друга, образуя пучности колебаний. В результате получается так называемая стоячая волна. В стоячей волне поток энергии отсутствует: энергия в ней (при условии, что потерь нет) перемещается только в пределах, ограниченных смежными узлом и пучностью.

 

От очагов землетрясений, взрывов и других источников в Земле распространяются сейсмические волны. Вблизи очагов сильных землетрясений сейсмические волны обладают разрушительной силой при доминирующем периоде в десятые доли секунды. На значительных расстояниях от эпицентров сейсмические волны являются упругими волнами.

Особенность распространения сейсмических волн состоит в том, что при косом падении на поверхность раздела сред с различными параметрами (скоростями и плотностями) волны одного типа, например продольной, возникают, кроме отражённой и преломленной продольных волн, волны отраженные и преломленные поперечные (рис.2). Вблизи поверхностей раздела в Земле возникают поверхностные сейсмические волны. При распространении неоднородной волны SH вдоль горизонтального слоя возникает волна Лява (рис.1, г). В случае падения на граничную плоскость волны Р в слое могут возникать отражённые волны Р и SV. При этом, если а₂ > в₂ > а₁ > в₁, где a₁ и в₁ – скорости в слое, a a₂ и в₂ – в нижележащей среде, то как отражённая Р, так и отражённая SV при малом e₁ обладают свойством полного внутреннего отражения. В результате в слое формируются волны Рэлея (рис.1, в). Они, как и волны Лява, обладают дисперсией скоростей. Если волны Рэлея возникают в полупространстве без слоистости, они не диспергируют.

Волны Р и S распространяются из источника по объёму Земли. Они называются объёмными. Их амплитуда для однородной и изотропной среды убывает обратно пропорционально расстоянию. Поверхностные волны, распространяясь вдоль поверхности, обладают амплитудой, убывающей обратно пропорционально корню квадратному из расстояния. По этой причине в колебаниях от удалённых землетрясений по амплитуде доминируют поверхностные волны.

Линия, нормальная к фронту сейсмической волны, распространяющейся от очага землетрясения, называется сейсмическим лучом. Направление луча изменяется с изменением скорости сейсмических волн на пути их распространения. В однородной и изотропной упругой среде с постоянной

 

Скоростью распространения сейсмических волн луч прямолинеен. В первом приближении для Земли считается, что скорость является функцией глубины. При возрастании скорости с глубиной лучи становятся криволинейными, обращенными выпуклостью вниз и симметричными относительно своей вершины.