Сейсмическая разведка

строения земной коры, основанных на изучении особенностей распространения в ней

Вызванные взрывом или другим способом (ударом, вибрацией) упругие волны распространяются во все стороны от источника колебаний, проникают в толщу земной коры на большие глубины.

В процессе распространения в земной коре упругие волны претерпевают процесс отражения и преломления.

Часть сейсмической энергии возвращается к поверхности Земли, где вызывает слабые колебания. Эти колебания регистрируются специальной аппаратурой.

возбуждения упругих колебаний,
2 – буровые установки,
3 – взрывная

являются исходными данными для обработки.
Данные, записанные от одного «взрыва»

Во время обработки эти трассы комбинируются вместе различными способами, и изменяются с помощью достаточно сложных математических операций, но они всегда остаются «трассами».

показывают непрерывную сглаженную форму волны. 
При этом предполагают, что значения

более условным изображениям. Например,
показывают «трассу с не закрашенной положительной областью»,

Для этих изображений положительные значения будут смещаться вправо, или будут изображаться черными или красными «пиками» на изображениях с меняющейся плотностью. 

– отраженная волна,
4 – поверхностная волна,
5 – звуковая волна
1
2
3
3
4
5

можно определить глубину залегания, форму и свойства тех слоев, на

от пункта их возбуждения до сейсмоприемников и их динамики (интенсивности).

Возможность использования сейсморазведки для решения разнообразных задач основана на том, что различные горные породы имеют различные скорости распространения упругих волн.

В результате, как уже указывалось, создаются предпосылки для возникновения на границах геологических образований явления отражения и преломления упругих волн.

В соответствии с этим явлением в сейсморазведке существуют 2 основных метода – метод отраженных волн (МОВ) и метод преломленных волн (МПВ).

Используют также сейсмокаротаж (СК) – наблюдения прямых (проходящих) волн в скважинах и вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) – изучение прямых, отраженных, и др. волны в скважинах

МОВ,
- Метод преломленных волн МПВ,
Сейсмический каротаж СК
Вертикальное сейсмическое

2. По типу целевых волн различают методы:
- продольных волн
- поперечных волн
- поверхностных волн

Существует множество классификаций методов сейсморазведки по различным признакам и категориям. Рассмотрим некоторые из них.

– вдоль ствола скважины или поверхности земли с регистрацией только

Пример записи данных одномерной сейсморазведки

на линейном профиле (x, t),
Пример полевых сейсмограмм (а) и результат

на различных профилях (x, у, t),
Пример полевых сейсмограмм (а)

при расположении источников и приемников на различных профилях (x, у,

В настоящее время часто используются различные дополнительные модификации классификации по мерности наблюдений изучения среды:

3С – дополнительное измерение угла прихода волн и азимута в точку приема
9С - дополнительное измерение угла прихода волн и азимута в точке приема и точке возбуждения.

Поэтому в литературе часто встречаются такие символьные обозначения, как 3D/3C (сейсморазведка 3D в модификации 3С), 3D/9C, 4D/3C, 4D/9C (8D).

использованием патронов),
- Невзрывной (кувалда, падающий груз, вибрационный, импульсный)
Пример различных

Вибрация – вибрационная СР, вибросейс
Шум бурового инструмента – СР

7. По объекту исследований. При
- изучении глубинного строения Земли вдоль геотраверсов (протяженных профилей) выделяют глубинное сейсмическое зондирование ГСЗ (с глубинностью изучения от 5 км)
- поисках и разведке месторождений нефти и газа – нефтегазовую сейсморазведку (до 2-3 км),
- контроле за разработкой месторождений нефти и газа – нефтепромысловую СР,
- поисках и разведке угольных (рудных) месторождений – угольную (рудную) СР,
- инженерных исследованиях – инженерную СР (до 500 м).

и литология),
прямые поиски (коллекторские свойства пород),
палеоструктурная сейсморазведка,
сейсмостратиграфия (характер процесса осадконакопления).

9. По частотному диапазону регистрируемых колебаний:
- Менее 20 Гц – низкочастотная СР,
- 10-100 Гц - среднечастотная СР,
- 100-1000 Гц – высокочастотная СР,
- 1-20 КГц – акустические исследования,
- Более 20 КГц – ультразвуковые исследования.

10. По условиям проведения работ выделяются:
морская СР,
наземная СР,
шахтная СР,
речная СР,
скважинная СР.

реальных средах определяется рядом факторов, главные из которых — слоистость

Кроме этого, на численные величины скоростей влияют и другие факторы, связанные, например, с неравномерным распределением физических свойств и геологических характеристик пород по горизонтали и вертикали, с невыдержанностью литологических границ, разной степенью обводненности или нефтенасыщенности пород и др.

В результате распределение скоростей в общем случае представляет собой очень сложную функцию.
Для ее описания используют аппроксимационные функции.

В первом приближении сейсмические среды подразделяются на изотропные и анизотропные.

всем направлениям распространения упругих волн.
В анизотропной среде упругие свойства

неоднородными.
В однородных средах упругие свойства одинаковы во всех точках

В неоднородных средах упругие свойства могут меняться от точки к точке. Реальные геологические среды, слагаемые породами разного состава, с различными упругими свойствами неоднородны.

Неоднородные среды подразделяются на три основных типа:
слоисто-однородные,
непрерывные (градиентные),
и слоисто-непрерывные (слоисто-градиентные).

слоев. В слое упругие константы неизменны.
Непрерывная (градиентная) среда представляет собой

Слоисто-непрерывная (слоисто-градиентная) среда состоит из слоев, упругие свойства которых зависят от координат. На границах слоев терпят разрыв либо упругие константы, либо их производные.

Примеры слоисто-однородной (а), градиентной (б) и слоисто-градиентной (в) сред

сейсмических волн.
Для продольных направление движения частиц среды совпадает с

P

S

источник

распространение волны

при ее распространении, происходит сжатие или растяжение объема, поэтому волну

Уравнение распространения продольной волны:

где Vp2 = (+2)/ – скорость распространения продольной
dолны,  - плотность,  и  - модули упругости, U - составляющая смещения частиц среды по отношению к положению равновесия.

поперечной волны.
Особенностью поперечной волны являются малые повороты элементарных объемов, ее

объем горных пород - объемные волны.
На удалениях, близких к источнику,

источник

поверхность земли

сферическая волна

плоская волна

Рассмотрим характер распространения сферической продольной волны в среде.

с центром в точке О.
Вызываемые источником расширения и сжатия

течение ограниченного времени t, которое назовем временем действия источника.
Рассмотрим

Возмущение среды будет наблюдаться только в тех точках, где функция f(t) отличается от нуля, т. е. в пределах некоторого сферического слоя r:
Vp t  r  Vp (t-t)

все пространство, окружающее источник в каждый момент времени t>t, разделяется

1. внутреннюю область радиусом rв, в которой возмущения, вызванные источником, уже прекратились;

2. сферический слой толщиной r = Vp t
в котором в рассматриваемый момент времени существуют возмущения;

3. наружную область, которую возмущения еще не достигли.

источник

rв

r

называется передним фронтом (фронтом) волны.
Поверхность, ограничивающая изнутри слой, в

Линии, исходящие из источника и ортогональные волновым фронтам, называют лучами. Вдоль лучей переносится энергия упругой волны

Вблизи источника фронт упругих волн сферический, а вдалеке - практически плоский.

источник

фронт

тыл

луч

при постоянном значении времени.
Если откладывать по оси абсцисс расстояния

Точка, в которой в данный момент наблюдается наибольшее положительное (при выбранном направлении отсчета) смещение, называется горбом волны,
а точка, в которой наблюдается наибольшее отрицательное смещение, — впадиной волны.

Расстояние в между двумя соседними горбами или впадинами называется видимой (преобладающей) длиной волны.

в

— смещение частиц среды Аp, то это график колебаний.
Время,

Время прохождения через точку фронта и тыла волны – длительность импульса.

длительность импульса

колебаний Ав.
Промежуток времени между двумя одноименными соседними экстремумами (максимумами

Время Тпр между моментами прихода в произвольную точку среды соседних впадин (или горбов), разделенных в пространстве расстоянием в, будет

(преобладающей) частоты (число «волновых циклов в секунду»):
и понятием видимой (преобладающей)

пр = 2fпр

Кроме этого, часто используют понятие волновое число –
k = 2/

Если профиль волны по мере ее распространения не изменяется, то горбы и впадины волны движутся с постоянными скоростями Vp.

В случае гармонических волн эта скорость называется фазовой (скорость распространения рассматриваемой фазы колебаний):

областей W1 и W2 плоской синусоидальной продольной волны Р1.
Через

Падение волны P1 на границу создает возмущение в обеих средах.

а в области W2 продольная Р12 и поперечная Р1S2 волны.

Р11 и Р1S1 - отраженные,
а Р12 и Р1S2 – проходящие

P1

P11

P1S1

P12

P1S2

Таким образом, при падении на границу волны образуются вторичные волны различных типов — продольные и поперечные.

монотипными (Р11, Р12), а вторичные волны, тип которых отличается от

Все вторичные волны, образовавшиеся на границе R при падении на нее падающей волны Р1, называют сопряженными волнами с волной Р1 на границе R.

В общем случае при падении на границу наблюдаются все четыре сопряженные волны.

Углы, составляемые лучом соответствующей волны и нормалью к границе, называют углами отражения или преломления.

волн Р11, P1S1, PI2, P1S2 с плоскостью наблюдений, V* -

В общем случае (закон Снеллиуса)

Закон Снеллиуса может быть истолкован как требование равенства кажущихся скоростей падающей и вторичных волн на границе.

Под кажущейся скоростью V* понимают скорость распространения некоторой особенности (горба, фронта и т. п.) волны вдоль поверхности или линии.

падающая волна приходит к границе раздела из среды, в которой

В этом случае волны, прошедшие через границу, не могут стать источником вторичных волн, возвращающихся в первую среду.

В случае обратного соотношения скоростей V1 < V2 обязательно будет существовать такой угол падения исходной волны, при котором угол преломления станет равным 90.

Такой угол будет определяться формулой sin =V1/V2

Этот угол принято называть критическим и обозначать буквой i.

В случае преломления под критическим углом, проходящая волна распространяется по кровле второй среды и называется скользящей.

граничной скоростью.
Точка, где впервые появляется скользящая волна, называется критической или

При распространении сферических волн по принципу Гюйгенса, критическая точка становится центром вторичных волн, от которого проходящая волна P12 отрывается от возбудившей ее волны P1 и распространяется в дальнейшем самостоятельно (в верхней и нижней средах).

Вторичные волны, распространяются в верхней среде, называют головными волнами.

волны несут информацию о границе, на которой образовались, а их

Такие волны называют преломленными, хотя головные волны являются частным случаем преломленных волн и образуются в случае когда угол преломления является критическим (90), определяющимся из условия
sin i=V1/V2.

Аps называются коэффициентами отражения, а Врр и Bps - коэффициентами

параллельны границе, т. е.  = 0.
Тогда коэффициенты отражения

Арs=Bps=0

В этом случае обменные волны не образуются.

плотности среды и скорости распространения волны называется волновым сопротивлением (акустической

2. Преломление продольной волны происходит на границе раздела скоростей, когда
Vp1

Границы раздела волновых сопротивлений называют отражающими границами, а границы раздела скоростей — скоростными границами.

Обычно скоростные и отражающие границы совпадают.

помимо объемных волн, возможны и другие волны, называемые поверхностными.
Их особенность

Одним из типов поверхностных волн является волна Релея (Рейли), которая существует вблизи свободной поверхности (в сейсморазведке - поверхности между твердой средой и воздухом) упругой среды.

Эта волна совершает одновременно деформации объема и сдвига.

среду называют градиентной, имея в виду, что градиент скорости в

Вследствие изменения скорости луч испытывает непрерывное преломление.

волн, имеющей большое значение в сейсморазведке, является то, что в

В разных точках, удаленных на разные расстояния от ПВ, будут наблюдаться лучи, проникшие в среду на различную глубину.

z

x

образования – порождающие вторичные волны.
Если на пути волны встречается

Под дифракцией в широком смысле понимают всякое отклонение в распространении волн от законов отражения – преломления в случае наличия образований с размером, меньшим длины волны.

падающему лучу соответствует множество дифрагированных.
Дифрагированные волны являются помехами, осложняющими волновую

определенного типа и вида.
Но при распространении в слоистой осадочной

Прибор, установленный в месте наблюдения, регистрирует суммарное смещение, создаваемое всеми волнами, приходящими к нему.

Пример типичной сейсмограммы с прокоррелированными осями синфазности некоторых классов волн

время

каналы регистрации

быть использованы для решения поставленных задач.
В основных методах сейсморазведки полезными

Все существующие виды сейсмических помех можно условно разделить на регулярные (когерентные) и случайные.

Когерентными являются помехи, прослеживающиеся на нескольких соседних трассах и имеющие похожую друг на друга форму.

Случайные помехи – помехи (шумы) в сейсмических записях, вид которых случайным образом меняется от точки к точке и не может быть предсказан в последующие моменты времени.

внешними причинами — ветром, дождем, морским прибоем, работой машин, транспорта

2) звуковые волны;

3) рассеянные волны, образующиеся на мелких включениях;

4) волны, имеющие вблизи места приема иной тип, чем используемый при данном методе разведки (т. е. поперечные волны, когда используются продольные волны, и наоборот);

5) кратные отраженно-преломленные, преломленно-отраженные, кратные отраженные и суммарные волны, ложные….;

6) поверхностные волны.

Отнесение той или иной волны к категории полезных волн или помех носит условный характер. В зависимости от используемого метода разведки различные волны могут входить в эти категории.