Динамические и кинематические характеристики отраженных волн в сейсмогеологических условиях шельфа арктических морей

Казанин, Алексей Геннадиевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Динамические и кинематические характеристики отраженных волн в сейсмогеологических условиях шельфа арктических морей
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Казанин, Алексей Геннадиевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.

Постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2.

Геологическое строение и сейсмогеологические условия кайнозойских отложений.

ГЛАВА 3.

Выбор метода построения синтетических сейсмограмм.

ГЛАВА 4.

Кинематика и динамика отраженных обменных волн по данным математического моделирования . .4.

ГЛАВА 5.

Примеры обработки полевых данных с учетом обменных волн . ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Динамические и кинематические характеристики отраженных волн в сейсмогеологических условиях шельфа арктических морей"

Геолого-геофизические исследования шельфа северных морей Российской федерации испытывают в настоящее время бурное развитие и уже стали объектом широкого международного сотрудничества. Главная причина этого состоит в обнаружении на шельфе Баренцева, Карского, Печорского морей крупных нефтегазовых месторождений Штокмановского, Русановското, Харасавэйского, Приразломного и др. Работы по выявлению новых нефтегазовых структур в северо-западных морях продолжаются в возрастающем темпе и уже начаты поисково-разведочные исследования на шельфе морей восточного сектора Арктики. Основные виды хозяйственной деятельности, связанные с добычей и транспортировкой добываемых углеводородов, состоят прежде всего в проведении глубокого разведочного бурения, обустройстве нефтегазовых месторождений, проектировании протяженных подводных трубопроводов, нефтяных терминалов и других инженерных объектов. Основные опасности, подстерегающие строителей при проведении подобных работ в условиях шельфа северных морей, связаны с наличием в верхней части разреза вечной мерзлоты и свободного газа. Поэтому исключительно актуальной является задача детального изучения кайнозойских отложений, что необходимо требует проведения морских инженерно-геологических работ как непосредственно на будущих площадках добычи, так и в районах, вовлекаемых в сферу хозяйственной деятельности.

Основным геофизическим методом, используемым при проведении подобных исследований, является высоко детальная высокоразрешающая сейсморазведка, поскольку из-за очень сложного, мозаичного строения криолитозоны в плане и по глубине практически невозможно проводить корреляцию границ и свойств пород между инженерно-геологическими скважинами без сейсмических данных. К настоящему времени почти весь объем сейсмической информации получен методом непрерывного сейсмопрофилирования - методом tO, который позволяет получить представление о структуре осадочных отложений в случае, если имеются достаточно надежные сведения о скоростях распространения продольных волн в целевом интервале глубин. При этом «вялый» по глубине и в то же время изменчивый в плане разрез кайнозойских отложений не дает возможности проводить достаточно надежную интерпретацию данных сейсмопрофилирования - как форма отражающих границ, так и глубина их залегания оказываются искаженными из-за крайней упрощенности априорной скоростной модели, используемой при перестроении временного разреза в глубинный. Переход на многоканальные системы и методики ОГТ связан прежде всего с надеждами на значительное повышение информативности сейсмических данных, прежде всего за счет подавления кратных волн и возможности независимого определения скоростей распространения продольных волн. Однако сейс мо геологическая ситуация, характерная для мелководных шельфов арктических морей, в сочетании с методикой полевых наблюдений по методу ОГТ обуславливает принципиальные и технические возможности использования не только отраженных монотипных продольных волн, но и обменных волн - с целью оценки скоростей сдвиговых волн, столь необходимых для прогнозирования прочностных свойств изучаемых фунтов. Последнее обстоятельство определяет практическую значимость настоящей работы, посвященную изучению динамических и кинематических характеристик обменных волн. В настоящее время известны попытки использования обменных отраженных волн для решения разного рода задач [9,10,11,13614.15.16.17.18]. Однако, подобное исследование для условий, характерных для шельфов арктических морей, проводится впервые и полученные в его процессе результаты, по мнению автора, имеют необходимые признаки научной новизны.

Гпава 1. Постановка задачи исследований.

Сейсмогеологическая ситуация на мелководных шельфах арктических морей характеризуется следующими особенностями: глубина воды либо сравнима с мощностью изучаемой толщи, либо меньше нее; в разрезе могут присутствовать многолетнемерзлые породы либо выходящие на дно, либо погруженные на глубины порядка нескольких десятков метров под дном; многолетнемерзлые породы практически являются акустическим фундаментом при исследованиях методами высокочастотной малоглубинной детальной сейсмики; талые породы представлены песчано-гл инистыми отложениями субгоризонтального залегания; в них наблюдается значительная латеральная изменчивость литологического состава при слабой скоростной дифференциации по разрезу; в слабодифференцированных талых породах встречаются линзы деградированной мерзлоты и газонасыщенные участки, отличающиеся аномально низкими значениями скоростей распространения продольных волн и аномально высоким поглощением; в общем случае кровля мерзлых пород может иметь сложную форму, в том числе возможно наличие субвертикальных контактов мерзлой и талой породы; отношение скорости распространения продольных волн (с) к скорости поперечных волн (Ь) с/b в мерзлых породах достигает 1.5 — 1.6, тогда как в талых породах с/Ь = 3-5; в талых породах эффективная скорость поперечных (сдвиговых) волн значительно ниже, чем в мерзлых породах; повсеместно в верхней части разреза шельфов встречаются газонасыщенные талые толщи, кровля которых является экраном для продольных сейсмических волн.

Имея в виду отмеченные выше особенности сейсмогеологической ситуации, можно предсказать, что эффективные скорости однократных и многократных продольных волн в изучаемой толще придонных отложений будут мало отличаться друг от друга, и поэтому подавление кратных волн окажется весьма малоэффективным. С другой стороны, скоростной анализ, так хорошо зарекомендовавший себя в случае нефтяной сейсморазведки, не позволит получить надежных сведений о распределении скоростей распространения продольных волн как по глубине, так и в плане.

В то же время талые породы характеризуются весьма низкими скоростями сдвиговых волн и, следовательно, обменные отраженные волны PPSP, PSSP типа кинематически должны резко отличаться от монотипных отраженных волн. Кроме того, при интерпретации данных морской сейсмики интерпретаторы в большинстве случаев уверены, что имеют дело только с полем продольных волн. Действительно, на сейсмограммах записаны колебания, регистрируемые пьезоприемниками, находящимися в воде, то есть только колебания, порождаемые продольными волнами. Однако это не значит, что в наблюдаемом поле нет волн, несущих информацию о скоростях распространения сдвиговых волн. Эту информацию несут обменные волны, интенсивность которых мала при малых углах падения (случай нефтяной многоканальной сейсморазведки), но может быть сравнима с интенсивностью монотипных продольных волн или даже превышать ее при больших углах падения - больших удалениях приемника от источника относительно глубины исследований. Последнее относится как к обменным отраженным, так и обменным преломленным волнам. В свете сказанного представляется необходимым провести исследование динамических и кинематических характеристик обменных отраженных волн в рассматриваемых специфических сейсмогеологических условиях. Конечной целью этого исследования должна стать выработка оптимальной методики полевых наблюдений МОГТ и оптимального графа обработки данных, направленных на использование обменных волн.

Практически единственным инструментом решения поставленной задачи является математическое моделирование, то есть построение синтетических сейсмограмм по представительному ансамблю моделей и для набора методических параметров многоканальных сейсмических наблюдений. При этом необходимо:

1. На основании данных о геологическом строении и физико-механических свойствах кайнозойских отложений шельфа арктических морей построить ансамбль акустических моделей изучаемой толщи, достаточно полно представляющий возможные реальные ситуации с наличием и отсутствием в них вечной мерзлоты, свободного газа и, возможно, газогидратов.

2. Обосновать выбор метода решения прямой динамической задачи сейсмики, приняв оптимальный из существующих как с точки зрения точности, так и затрат машинного времени.

3. По заданным моделям и с помощью выбранного метода решения прямой задачи получить представительный набор сейсмограмм ОГТ. При этом основные параметры аппаратуры и методики наблюдений должны быть заданы в таких широких пределах, чтобы перекрыть возможно более широкий диапазон углов падения, частотного диапазона возбуждаемых источником сигналов и т.д.

4. Провести математическую обработку полученных синтетических сейсмограмм, главным образом скоростной анализ с перебором эффективных скоростей, учитывающим, что часть пути в твердой среде упругие волны могут проходить как поперечные.

5. Исследовать возможности, точность и устойчивость идентификации волн как обменных на основании анализа их кинематических и динамических характеристик и выработать оптимальный граф обработки.

6. Опробовать оптимальный граф на реальном полевом материале ОГТ, полученном в пределах рассматриваемого района.

Гпава 2. Геологичесиое строение и сейсмогеологические условия кайнозойских отложений.

Верхняя часть осадочного чехла шельфа северо-западных морей изучена к настоящему времени достаточно полно, главным образом благодаря изысканиям на нефть и газ. Опубликовано большое количество работ об инженерно-геологическом строении и свойствах верхней части разреза. Ряд публикаций содержит весьма полные обзоры литературы о строении и свойствах этих сложных сред [5,6]. В рамках настоящей главы мы ограничимся лишь теми данными, которые необходимы для решения поставленных выше задач, фактически обобщая имеющиеся на эту тему сведения.

Исследуемая толща практически повсеместно представлена отложениями плиоцен-четвертичного возраста мощностью от 3 до 150 м, редко больше, составляя в среднем 20 м - 40 м. При этом максимальная мощность достигается в локальных депрессиях эрозионного и неотектонического происхождения. Эти новейшие отложения с резко выраженным, как правило, угловым несогласием перекрывают выровненную кровлю коренных пород более древнего возраста. Разрез плиоцен-четвертичных отложений включает в себя:

1. Верхнеплиоценовые отложения. Они распространены в пределах Кольского прогиба, Печорской и Южно-Карской синеклиз и представлены аллювиально-морскими фациями и имеют мощность 1 м - 50 м. В составе преобладают глины и суглинки с прослоями песчано-пылеватого материала.

2. Нижнеплейстоценовый комплекс. Отложения комплекса встречаются в Печорской синеклизе, а также на Карском шельфе и имеют мощность до 20 м - 30 м. Цитологически они представлены терригенными породами различного гранулометрического состава - от суглинков до грубозернистых песков. В нижних частях разреза по данным керна скважин часто выражены дизъюнктивные нарушения.

3. Среднеплейстоценовый комплекс. Он развит в основном в пределах Южно-Баренцевской и Печорской синеклиз и представлен моренными суглинками в виде плащеобразных покровов мощностью в среднем 20 м -50 м.

4. Верхнеплейстоценовый комплекс. Весьма похож на среднеплейстоценовый комплекс и сложен глинистыми мореноподобными отложениями с пропласгками и линзами коричневых глин.

5. Голоценовый комплекс. По данным инженерно-геологического бурения, в геологическом разрезе голоценовых отложений шельфа западных арктических морей фрагментарно выделяются четыре стратиграфических комплекса, разделенных эрозионными границами: морские голоценовые отложения (m QIV), морские и аллювиально-морские позднеплейстоценовые (am QIII 34), морские и ледово-морские позднеплейстоценовые (ш, mg QIII2), ледово-морские и аллювиально-морские среднеплейстоценовые и плиоценовые отложения (gm, am QII - N23).

Они представлены разнообразными терригенными отложениями -морские илами, суглинками, песками и т.д.

По своим физико-механическим свойствам новейшие отложения шельфа Баренцева и Карского морей весьма разнообразны. Среди них широко развиты как текучие и илистые фунты, так и образования с тугопластичной и даже твердой консистенцией. Наиболее уплотненными являются мореноподобные суглинки. Они имеют мягкую, тугопластичную, полутвердую и твердую консистенцию. В пределах Кольского, Канинского и Гусиного желобов, Кольской седловины, а также Южно-Баренцевской впадины наблюдаются мореноподобные суглинки мягкотекучей и текучепластичной консистенции. Тугопластичные и полутвердые мореноподобные образования характеризуются высокой плотностью р=1.9-2.25 г/смЗ. Менее консолидированы мягко- и текучепластичные моренные суглинки. Они имеют плотность р=1.8 - 2.0 г/смЗ. Неоднородные мореноподобные суглинки с признаками слоистости характеризуются полутвердой консистенцией, имеют плотность р=1.8 - 2.0 г/смЗ и пористость 25 - 35%. Глины верхнеплейстоцен-голоценового подкомплекса встречаются как неконсолидированные, текучей консистенции, так и уплотненные мягко- и тугопластичные. Текучие разновидности глин характеризуются плотностью р=1.3-1.6 г/смЗ. Голоценовые ледово-морские осадки повсеместно имеют текучую консистенцию. Однако относительно небольшая пористость этих образований не позволяет выделить их в качестве илов. Относительно других типов молодых осадков они имеют весьма высокую плотность -р=1.98-2.15 г/смЗ . Физико-механические свойства переуплотненных отложений не соответствуют современному природному давлению. Плотность и прочность здесь выше, а влажность, текучесть и пористость ниже значений, ожидаемых при современном литостатическом давлении. В составе переуплотненных образований преобладают в основном осадки верхнеплейстоценового подкомплекса и нижне- и среднеплейстоценовые мореноподобные суглинки. В разрезе северных глубоководных морфоструюурных зон и сводовых частей положительных морфоструктур среднеглубинной группы под тонким покровом молодых осадков (до 5 м) развиты мягко- и тугопластичные образования нижне- и среднеплейстоценового комплекса и верхнеплейстоценового подкомплекса.

Переуплотненные отложения встречаются и под недоуплотненными или нормально уплотненными осадками. Часто переуплотненные моренные суглинки средне- и верхнеплейстоценового подкомплексов перекрываются мощным (20-40 м) покровом коричневых глин. Такие разрезы вскрыты в пределах южных глубоководных и среднеглубинных морфоструктур, а также на шельфе Карского моря в Пахучанской и Югорской впадинах. Переход от недоуплотненных к нормально уплотненным и к переуплотненным осадкам резкий, скачкообразный.

Скорость распространения продольных волн в недоуплотненных разрезах илов, текучих глин и суглинков вер хнеплейсто цен-голо ценового комплекса составляет! 350-1450 м/с, то есть несколько ниже скорости звука в морской воде. В нормально уплотненных толщах скорость распространения продольных волн близка к средневзвешенной скорости звука по всей толще новейших отложений - 1600 м/с. В переуплотненных отложениях ее значения достигают 1650-1700 м/с. По данным единичных измерений норвежских исследователей они могут составлять 2000 м/с и более.

Все вышесказанное относится к породам в отсутствие вечной мерзлоты. Однако в пределах арктических морей широко развита так называемая криолитозона, причем весьма сложного строения. Она представлена многолетнеохлажденными (несцементированными льдом) и многолетнемерзлыми породами, часто сильно льдистыми. Многолетнемерзлые породы обладают целым рядом присущих только им специфических свойств. Эти свойства отражаются практически на всех характеристиках пород - от преобразования состава и структуры до резкого изменения физических, в том числе и сейсмоакустических, свойств. Особенности распространения сейсмических волн (их скорости, строение волнового сейсмического поля) в районах развития мерзлоты в основном определяются наличием и физическим состоянием воды в порово-трещинном пространстве пород, а также наличием и формой границ талик-мерзлота, лед - породы. При этом резко меняются плотность и скорости распространения продольных и поперечных волн.

Глубина кровли и подошвы многолетнемерзлых пород колеблется в очень широких пределах. В интересующей нас субаквальной зоне промерзшие во время последнего оледенения породы находились на суше. Затем по мере трансгрессии моря они покрывались водой и образовывался талый слой, покрывающий многолетнемерзлую толщу, поскольку температура соленой воды у дна выше точки замерзания соленой воды в породе -1.8°С. Таким образом, чем больше глубина воды, тем больше мощность талой толщи. По данным инженерно-геологического и нефтяного бурения она меняется практически от нуля (вблизи уреза воды) до многих сотен метров. Расположение подошвы многолетнемерзлых пород оценить очень трудно. Оно определяется влиянием теплового потока снизу и сильно зависит от состава, трещиноватости подстилающих отложений, близости разломов, наличия газовых скоплений и т.д. Там, где мерзлота почти стабильна, глубина ее подошвы может достигать многих сотен метров. Однако, местами, например, в районе Приразломного месторождения, мощность многолетнемерзлых пород сокращается буквально до 20 м. В главе . при выборе базовой акустической модели будут даны примеры по ряду скважин.

Изменения плотности при промерзании осадочных пород невелики, если влажность их равна или меньше полного влагонасыщения. Рыхлые осадочные породы являются исключением, так как в мерзлом состоянии они могут вмещать гораздо больше воды (льда), чем в талом. В этом случае плотность осадочных пород уменьшается за счет выделения льда. Средние значения плотности основных разновидностей осадочных пород в талом состоянии приведены в таблице [5].

Табл. II.

Осадочные породы Плотность, г/см

Минимум Максимум среднее

Ангидриты 2,8 3 2,8

Песчаники, известняки, доломиты 2,2 2,7 2,5 гипсы, каменная соль 2,1 2,5 2,4 пески, супеси, суглинки, глины 1,2 2,4 1,7-2

Торф 0,4 0,95 0,86

Согласно данным ультразвуковых исследований на образцах и сейсмических исследований in situ, при замораживании скальных, песчано-крупнообломочных и некоторых песчано-глинистых водонасыщенных пород значения Vp и Vs резко увеличиваются в диапазоне от 0 до -2° С (иногда до -(4-6)° С). Увеличение солености сглаживает скачок скорости при понижении температуры ниже нуля. В галечниках и песках наблюдается наибольшее скачкообразное изменение скоростей упругих волн при переходе из талого состояния в мерзлое. Для песка, содержащего глинистые фракции, этот скачок составляет около 250 %, для чистых кварцевых песков он примерно вдвое больше [5]. Наименьший скачок Vp при охлаждении ниже 0СС имеют глины и глинистые породы - 10 - 30 %, так как значительная часть их влаги приходится на связанную воду. Последняя частично замерзает при дальнейшем понижении температуры, что обусловливает возрастание скорости упругих волн. Температурные зависимости скоростей для суглинков и супесей занимают промежуточные значения [5]. В порядке возрастания среднего значения Vp в талом состоянии породы могут составить следующий ряд: песок, супесь, суглинок, глина, песчаник, мергель, мел. Породы этого ряда четко

разделяются по среднему значению Vp. В мерзлом состоянии по абсолютным значениям Vp четко выделяются лишь водонасыщенные пески при температуре ниже -(2-3) °С, остальные породы могут иметь одинаковые значения [5].

Отношение скоростей Vp/Vs для мерзлых грунтов колеблется около значения 1,5 во всем диапазоне измерения скоростей продольных волн [6]. В целом величина Vp/Vs не зависит от солености, хотя заметно увеличение этого отношения от 1,5 до 1,9 при увеличении солености выше 0.1 М, Для обломочно-песчаных пород величина Vp/Vs зависит от заполнения пор: при заполнении пор воздухом Vp/Vs =1,4-1,6, водой Vp/Vs = 5-10, льдом Vp/Vs = 1,6-2. Эти значения даны для коэффициента пористости 0,2-0,5. В мерзлых обломочно-песчаных породах величина Vp/Vs меняется от 1,4-1,6 до 1,6-2 при увеличении объемной влажности. Для глинистых пород при небольшой отрицательной температуре и полном влагонасыщении Vp/Vs = 2-2,5 [6].

Некоторые результаты определения скоростей продольных волн в рыхлых ММП и их талых аналогах, полученные при сейсмических исследованиях в Северной Америке, Гренландии и Антарктиде, приведены в табл. Относя минимальные скорости (2400 м/с) к многолетнемерзлой глине, а максимальные (4300 м/с) к пескам и галечникам, можно увидеть совпадение с данными, полученными в Арктике России. Табл.1.3. Скорости распространения продольных волн для многолетнемерзлых и талых рыхлых пород для Северной Америки, Гренландии, Антарктиды [6].

Для сравнения в таблице даны результаты определения скоростей сейсмических волн в Российской Арктике в различных ММП и их талых аналогах, интервалы температур, а также наиболее характерные значения плотностей по данным инженерно-геологических исследований. В целом эти данные согласуются с данными, полученными для других районов [6]. Табл. Скорости распространения сейсмических волн и плотности для многолетнемерзлых и талых пород [6].

Наименование пород Многолетнемерзлые Талые Место определения

Vp, м/с Гру< t,°C юзернис! Vp, м/с ые породы

Пойменный аллювий 2400-4300 -1 1900-2100 Фербенкс, Аляска

Галечник (гравий) 4000-4600 -1 1800-2300 Фербенкс, Аляска

Эоловые пески 2400 -3 Теглин-Джанкшен, Аляска

Зандровый галечник, гравий 2300-3000 Танакросс, Аляска

Ледниковый тилл 4700-4800 -И Туле, Гренландия

Глинистый песок 3100-3400 Нормен Уэллс, СЗТ, Канада

Мерзлый грунт 3800-4500 Озера Фриксел, Ванда, Бонни, Антарктида

Водонасыщенный песок 3200-4000

Водонасыщенный галечник, гравий 3600-4000

Галечник, гравий 5500 Клондайк, Юкон

Тонкозернистые породы

Алевритистый галечник, гравий 2300-3000 -1 Фербенкс, Аляска

Алеврит с линзами льда 2000-2800 -1,5 Эйльсон, база ВВС, Фербенкс, Аляска

Аллювиальная глина 2400 -2 Нортуэй, Фербенкс, Аляска

Алевритистая глина 3100 Нормен Уэллс, СЗТ, Канада

Глина 2500-2800 Нормен Уэллс, СЗТ, Канада

Породы Многолетнемерзлые Талые

Vp, м/с Vs, м/с Vr, м/с р, г/смЗ Т,°С Vp, м/с Vr, м/с р, г/смЗ

Галечники 4250-4650 2600-2700 2100-2200 1,9-2,3 -7-0 1200-1600 250-500 2,0-2,4

Галечники 4000-4300 2500-2650 2000-2150 2,1-2,4 -7-0 1600-1800 250-500 2,0-2,4

Пески 4250-4550 2600-2700 2150 1,9-2,0 -7-0 1600-1800 250-500 2,0-2,4

Суглинки 3600-3800 1900-2100 1300-1800 1,3-2,0 -7-0 1400-1800 1,9-2,0

Глины 2750-3500 1800-1900 1300 1,2-1,8 -7-2 1800-2100 1,8-2,1

Элювий 3300-3500 -7-0

Сухие галечники и пески 250-500 160-180 1,9 -7-0 330-500 180 1,9

Граница талик-мерзлота для рыхлых пород достаточно контрастна и является границей первого рода. Максимальное изменение акустической жесткости для продольной волны составляет 2,9, а для рэлеевской - 7,3. Максимальное изменение акустической жесткости в глинах - 1,18. Для рыхлых отложений смешанного состава контрастность границы мерзлые-талые породы зависит от содержания глины [6].

Коэффициент Пуассона (v) мерзлых пород слабо зависит от температуры и суммарной влажности, и зависит от степени заполнения пор и трещин водой и льдом. Для льдонасыщенного песка v=0,2-0,22; для льдонасыщенных глинистых пород в среднем v=0,37, а для большинства скальных пород v=0,26-0,31. Для морозных скальных пород v=0,15 - 0,21

5].

Вышеприведенные данные послужили основой построения акустических моделей исследуемой толщи. Ниже приведен набор базовых моделей, варьируя характеристики которых (в рамках заданных пределов) был получен представительный ансамбль.

Первый тип.

Четвертичная толща, h = 100 м.

Коренные 2200 1100 0.00000 2200 щ 1111И ШЩШш^ с 1) ЬИя ИИ1

1 1500 1000 0.0000000 1000.00 щ

2 3.0 1600 400 0.0000000 1900.00 Ц

3 3.0 1800 300 Q.OOOOOOO 1900.00 Щ

4 4,0 1900 500 0.0000000 2000.00 Щ 1900.00 Щ

5 7,0 1800 300 0.0000000 б 8.0 1850 400 0.0000000 1900.00 Щ

7 30.0 1900 500 0.0000000 2000.00 ||

8 10.0 1850 400 0.0000000 2000.00 fjj

9 15.0 1900 500 O.OCDOOOO 2050.00 Ц

10 20.0 1800 450 | 0.0000000 1000.00 ц

Четвертичная толща, h = 100 м, но

Коренные 2000 1100 0.00000 2200

ШШШ й ш .-.:. . .

1 gflti) 1500 1000 0.0000000 looo.oo i

2 3.0 1600 400 0.0000000 1900.00 j

3 3.0 1800 300 0.0000000 1900,00 j

4 4.0 1900 500 0.0000000 2000.00 j

5 7.0 1800 300 0.0000000 1900.00 j

6 8.0 1850 400 0.0000000 1900.00 |

7 30.0 1900 500 0.0000000 2000.00 ]

8 10.0 1850 400 0.0000000 2000.00 ]

9 15.0 1900 500 0.0000000 2050.00 |

10 20.0 1800 450 0.0000000 looo.oo!

Второй тип. в той же четвертичной толще, начиная с глубины 25 м, залегают мерзлые пески

§§j шштшш и f | 1И ■И AO ^

1 20.0 1500 1000 И 0.0000000 rfirpi 1000.00 Jj

2 3.0 1600 400 | 0.0000000 1900.00 Щ

3 3.0 1800 300 | 0.0000000 1900.00 jj

4 4.0 1900 500 0.0000000 2000.00

5 7.0 1800 300 0.0000000 * 1900.00 {j

6 8.0 1850 400 o.ocooooo 1900.00 jg

7 100.0 4200 2600 0.0000000 2000.00 II

8 10.0 1850 400 0.0000000 2000.00 §{

9 15.0 1900 500 0.0000000 j 2050.00

10 20.0 1800 450 0.0000000 i 2100.00 Ш Ш аналог предыдущей, но мощность мерзлых песков равна 30 метрам

ЖРШШ Г ш ■ Же

1 1500 1000 0.0000000 1000.00 Ц

2 3.0 1600 400 0.0000000 1900.00 Щ

3 3.0 1800 300 0.0000000 1900.00 II

4 4.0 1900 500 0.0000000 2000.00 §|

5 7.0 1800 300 0.0000000 1900.00 11

6 8.0 1850 400 0.0000000 1900.00 ||

7 30.0 4200 2600 0.0000000 2000.00 и

8 10.0 1850 400 0.0000000 2000.00 ||

9 15.0 1900 500 о.оосоооо 2050.00 Щ

10 20.0 1800 450 о.оосоооо 2100.100 | мощность мерзлых песков равна 50 метрам

111 заЩЩ Н - J ШШШШШШшШ® ill) ЩШШШ

2 3.0 1600 400 о.оосоооо 1900.00 Д

3 3.0 1800 300 0.0000000 1900.00 Щ

4 4.0 1900 500 о.оосоооо 2000.00 U

5 7.0 1800 300 0.0000000 1900.00 JI

6 8.0 1850 400 j 0.0000000 1900.00 jj

7 30.0 4200 2600 0.0000000 2000.00 2р

8 10.0 4100 2600; 0.0000000 2000.00 ||

9 10.0 4200 2600 дызе 0.0000000 2050.00 JI

10 25.0 1800 450 | 2100.00 Щ

11 100.0 2200 1100 i 0.0000000 2200.00 Ц

Мерзлые породы залегают с глубины 25 метров и до конца (по скважине).

1 111111 пшр с 11111

2 3.0 1600 400 0.0000000 1900.00 II з! 3.0 1800 300 0.0000000 1900.00 Щ

41 4.0 1900 500 0.0000000 2000.00 JJ

5 7.0 1800 300 0.0000000 1900.00 11

6 \ 8.0 1850 400 0.0000000 1900.00 Щ

7 | 30.0 . 4200 2600 0.0000000 2000.00 jj

8 | 10.0 4100 2600 0.0000000 2000.00 ||

9 | 15.0 3800 2100 0.0000000 2000.00 Ж

10 \ 20.0 3400 1800 0.0000000 2000.00 Ц

11 100.0 3500 1900 0.0000000 2100.00 Jj в той же четвертичной толще, начиная с глубины 55 м, залегают мерзлые суглинки.

N ШШШ с: ||i| beta rho

I 20. ОД | 1500 1000 j 0.0000000 1000.00 fg

2 3.0 ! 1600 I 400 ! 0.0000000 1 1900.00

3 3.0 1800 | 300 i 0.0000000 1 1900.00 ||

4 4.0 ; 1900 | 500 [ 0.0000000 2000.00 Jj

5 7.0 1800 300 0.0000000 1900.00 .

6 8.0 1850 400 o.ooooooo ; 1900.00 11

7 30.0 1900 | 500 0.0000000 2000.00

8 100.0 3800 | 2200 ! 0,0000000 1 2000.00 jfj

9 15.0 1900 500 0.0000000 2050.00 Jj

10 20.0 1800 450 0.0000000 2100.00 J в той же четвертичной толще, начиная с глубины 55 м, залегают мерзлые суглинки мощностью 30 м. $ h ■ Ш1ШШ КВН

2 | 3.0 1600 400 | 0.0000000 1900.00 Ц

3 | 3.0 1800 300 | 0.0000000 1900.00 1|

4 | 4.0 1900 500 | 0.0000000 2000.00 II

5 7.0 1800 300 | 0.0000000 1900.00 Щ

6 | 8.0 1850 400 1 0.0000000 1900.00 II

7 | 30.0 1900 500 | 0.0000000 2000.001

8 \ 15.0 3800 2200 | 0.0000000 2000.00 Щ

9 \ 15.0 3850 2100 | 0.0000000 2050.00 II

10 | 15.0 2000 1000 | 0.0000000 2100.00 11

11 | 100.0 2200 lioo [ 0.0000000 22001 т

Третий тип.

Газонасыщенный слой мощностью 8 м на глубине 14 м.

ИНН

2 1600 400 0.0000000 1900.00 11

3 3.0 1800 300 0.0000000 1900.00 1J

4 4.0 1900 500 0.0000000 20ООБО||

5 7.0 1800 300 0.0000000 1900.00 Щ

6 8.0 600 150 0.0001000 1700.00 Л

7 30.0 1900 500 0.0000000 2000.00 11

8 10.0 1850 400 0.0000000 . 2000.00 II

9 15.0 1900 500 0.0000000 2050.00 II

10 20.0 1800 450 0.0000000 1000.00 Ц

11 100.0 2200 1100 0.0000000 2200.00 Щ

Газонасыщенный слой мощностью 4 м на глубине 6 м. таштт л ш мжшжтмшщш* - Ь ШШШЩШШШш btta НИИ :

1 1500 1000 0.0000000 1000.00

2 3.0 1600 400 0.0000000 1900.00

3 3.0 1800 300 0.0000000 1900.00 щ

4 4.0 600 150 0.0000000 1700.00 щ

5 7.0 1800 300 0.0000000 1900.00 б 8.0 1850 400 0.0001000 1900.00

7 30.0 1900 500 0.0000000 2000.00

8 10.0 1850 400 0.0000000 2000.00

9 15.0 1900 500 0.0000000 2050.00

10 20.0 1800 450 0.0000000 1000.00 j$$f

Четвертый тип.

На глубине 100м - кровля газогидратов. Выше -исходная модель Ml 100.

1*1111111 Ь ШШшШ т^шшт ЩЩ^щ шшштт ш

2 i 1боо 400 0.0000000 1900.00 Jj

3 3.0 1 1800 300 0.0000000 1900.00 Щ

4 4.0 | 1900 500 0.0000000 2000.00 Щ

5 7.0 I 1800 300 0.0000000 1900.00 б 8.0 | 1850 400 0.0000000 1900.00 II

7 30.0 | 1900 500 0.0000000 2000.00 Si

8 10.0 ! 1850 400 0.0000000 2000.00 jj

9 15.0 | 1900 500 0.0000000 2050.00 |1

10 20.0 ! i8oo 450 0.0000000 2050.00 Jj

11 100.0 1 2500 500 0.0000000 2000.00 Ц

Гпава 3. Выбор метода построения синтетических сейсмограмм.

В подавляющем большинстве случаев, требующих вычисления большого количества многоканальных синтетических сейсмограмм, используется лучевое приближение, то есть решается задача падения плоской волны на плоскую границу раздела. Делается это исключительно из соображений уменьшения до разумного затрат машинного времени. Задача данного раздела состоит в том, чтобы определить пределы применимости лучевого приближения для оценки кинематических и динамических характеристик обменных волн в указанных выше сейсмогеологических условиях и для используемых в практике многоканальных сейсмических исследований параметров методики наблюдений. Дело в том, что в рассматриваемых условиях подобное решение требует тщательного обоснования.

Обобщая описание сейсмогеологической ситуации, характерной для шельфа арктических морей, можно сказать, что типовая ситуация характеризуется следующими чертами:

Слабо консолидированные четвертичные отложения представлены чередованием невыдержанных в плане слоев мощностью в единицы метров. Скорости распространения продольных VP и сдвиговых Vs волн в слоях изменяются в пределах 800 -1700 м/с и 500 -120 м/с соответственно. При этом отношение Vp /Vs изменяется от 2,5 до 5. Плотность этих отложений изменяется в диапазоне 1,6 - 1,8 г/ см . Сверхнизкие значения скоростей распространения волн и аномально высокие значения Vp/Vs могут свидетельствовать о высокой газонасыщенности пород.

Подстилающие породы в не мерзлом состоянии характеризуются скоростями распространения продольных волн порядка 1800 м/с - 2200 м/с и плотностью порядка 2.0 - 2,2 г/ см3 до глубин в несколько сотен метров под дном при отношении Vp/Vs порядка 2-2,3. Те же породы в мерзлом состоянии характеризуются скоростью распространения продольных волн порядка 3000 м/с - 3500 м/с, при о плотности порядка 2,2 -2,3 г/см и отношении Vp/Vs порядка 1,55 - 1,65.

Как следует из приведенных выше данных, коэффициенты отражения для границы межлу четвертичными и подстилающими породами, когда те и другие находятся в не мерзлом состоянии, при нормальном падении могут достигать по абсолютной величине 0,4 и более. Значение коэффициента отражения (естественно, для продольных волн при нормальном падении) для кровли многолетнемерзлых пород составляет 0.37 - 0.43, то есть имеет весьма близкие значения. На кровле газонасыщенных пород коэффициент отражения (в том же смысле), будучи отрицательным, может достигать по модулю 0.5 и более. При таких перепадах свойств и при глубинах залегания границ, вполне сравнимых с используемыми на практике длинами волн (на частотах 60 - 180 Гц при скоростях распространения продольных волн порядка 1800 м/с Х«10м ч-ЗО м) даже при нормальном падении вопрос о применимости лучевого приближения для расчета обменных волн становится нетривиальным. При использовании же относительно длинных приемных расстановок обеспечивается очень широкий диапазон углов падения на кровлю мерзлых, либо газонасыщенных пород. Так, при стандартной методике ОГТ, применяемой, например, АМИГЭ при исследовании шельфа Баренцева и Карского морей, максимальный вынос составляет почти 150 м. Учитывая приведенный выше диапазон глубин воды и мощностей покрывающей талой толщи, это приводит к углам падения и отражения более чем 60° как для продольных, так и для обменных волн.

Для решения задачи о применимости лучевого приближения в столь сложной ситуации необходимо в первую очередь определить, для каких целей будут использованы синтетические сейсмограммы, поскольку от этого зависит требуемая точность решения прямой задачи. Следовательно, необходимо сравнить результаты основных процедур обработки синтетических сейсмограмм, построенных точным и лучевым методами, в последовательности повышения требований к точности: скоростного анализа,

НМО и суммирования по ОГТ,

AVO - анализа.

Действительно, для оценки эффективности скоростного анализа на обменных волнах требования к точности совпадения амплитуд с истинными очевидным образом ниже, чем если синтетические сейсмограммы используются в дальнейшем для AVO-анализа, когда в расчетах параметров и атрибутов используются собственно амплитуды волн на каждой трассе исходных сейсмограмм, В то же время при стандартном скоростном анализе фактически ищется максимум суммы, то есть выполняется весьма устойчивая операция.

В работе [2] представлены результаты подобного исследования, проведенного для отраженных продольных волн в связи с возможностью пользоваться лучевым приближением именно для целей AVO-анализа (то есть в случае самых жестких требований). При этом авторами было выполнено точное решение прямой задачи для двух случаев:

1) отражение возбуждаемых точечным источником сферических волн от плоской границы раздела двух полупространств (то есть когда фронт падающей волны является сферическим),

2) случай, когда источник и приемник расположены в жидкой среде, а изучаемой границей является подошва твердого слоя, залегающего на твердом полупространстве. В последнем случае фронт падающей волны уже не является сферическим.

Полученные результаты позволили оценить пределы применимости лучевого приближения для оценки амплитуд продольных отраженных волн и, соответственно, установить связь между изменением амплитуд при различных выносах и поведением коэффициента отражения для плоских волн. В работе подробно количественно оценены величины ошибок, имеющих место при использовании лучевого приближения для моделей, характерных для строения четвертичных отложений шельфа арктических морей. Показано, что в некоторых случаях амплитуды продольных отраженных волн могут значительно отличаться от истинных — до 25% и более. Однако, как было сказано выше, в рамках настоящей работы нас в первую очередь интересует эффективность основных стандартных «кинематических» процедур обработки - скоростного анализа и суммирования по ОГТ. Этот подход очевидным образом снижает требования к точности решения прямой задачи. Соответственно, было проведено сравнение амплитуд обменных волн типа PPSP и PSSP (случай 2), полученных путем точного решения [1] и решения в лучевом приближении[12] для моделей, представляющих собой твердый слой под жидким полупространством, подстилаемый твердым полупространством -для многолетнемерзлых и газонасыщенных подстилающих пород. Использованные модели можно считать первым приближением к реальной ситуации - под толщей воды талый слой, подстилаемый многолетнемерзлыми, либо газонасыщенными породами. При этом основным параметром упругих сред, определяющим характер отражения от границ между ними, являются отношения скоростей продольных и поперечных волн над и под отражающей границей (Vp/Vs). Поэтому в моделях задавался представительный набор именно этих характеристик. Расчеты по точному решению прямой задачи проводились в программе Seismic Guide, а в лучевом приближении - в программе MOV Screen. Программы разработаны на кафедре сейсмометрии и геоакустики под руководством профессора Калинина А.В. Ниже перечисленные примеры моделей представлены в формате ввода данных для этих программ. В них предусмотрены следующие обозначения:

Н - мощность в метрах, с - скорость распространения продольных волн в м/с, b - скорость распространения поперечных волн в м/с, rho - плотность в кг/м .

Для всех моделей верхнее полупространство имело свойства воды -с=1500, b=0, rho=1000. Под водным полупространством расположен талый слой с указанными в модели параметрами. Он подстилается полупространством, представленным либо мерзлыми породами, либо газонасыщенными, например: Модель 1530: талый слой V/Vs=3, мерзлое полупространство V/Vs=1.5

Модель 1535: талый слой V/Vs=3.5, мерзлое полупространство V/Vs=1.5

Model Editor 1535.MDI (rum Fluid Solid layer Solid

Модель 1540: талый слой V/Vs=4, мерзлое полупространство V/Vs=1.5 i \ 2 \

Mudel Editor - !!)4II MDt. from Nuid SuluH.uyer Suluf

•Ni H

20.0

3 I

1800

3500

450 i

2330 j H looo.oo ж 1800.00 Щ 2200.00 1

Аналогичным образом построены модели с V/Vs=3.0, 3.5, 4.0 7 в талом слое и подстилающей мерзлотой с V/Vs=1.6 и 1.7. Их имена имеют соответствующую абревеатуру. Дополнительно были включены модели с газом, выходящим на поверхность дна (gaz) и с газом в полупространстве под толщей талых пород мощностью 10 м (gaz dn):

Model Mitiir GAZ.MDL fmin Fluid Sclii) 1 i/иг Snlit!

Ш Ъ ч

1 1 шт ! 1000.00

2 ! 20.0 600 150 ! 1700.00

3 \ 1900 500 j i 2000.00

Ь* | \ mm тшШй

Model Editor-GAZ DNMDL from Flmrt-Solid 1 ayer-S fiti p "i ЩЩ ■ ■ w црННРНЯВЦ <#11?

1 \ КЗ 1000.00

2 j 10.0 I i 1600 400 1900.00 Щ Ss з 1 ! 600 150 1700.00 . . mm- i i 1 set :!j | ИЖИЙ HUH1! l

Параметры системы наблюдений были заданы совпадающими с реально используемой методикой съемки МОГТ: количество каналов - 48, шаг между каналами -3.125 м, начальный вынос - близко к 0 м.

В качестве упругого импульса падающей волны был взят 1 период синусоиды частотой 200 Гц, отфильтрованный в рабочей полосе 50 Гц -350 Гц, что сделало его близким по форме к реально наблюденному. Для упрощения волновой картины поверхность воды была отнесена в бесконечность (водное полупространство), поскольку это упрощение никак не влияет на результаты искомого сравнения.

На рис, 1 изображена условная схема образования однократных продольных и обменных волн для рассматриваемой модели, где:

1. РР - продольная волна, отраженная от кровли твердого слоя (дна),

2. РРРР - отраженная от подошвы твердого слоя волна, прошедшая слой как продольная,

3. PPSP - обменная волна, падающая на подошву слоя как продольная и прошедшая слой от подошвы к кровле как поперечная,

4. PSSP - обменная волна, отраженная от подошвы слоя, и прошедшая слой туда и обратно как поперечная.

Соответственно, на рис. 2-7 представлены примеры вычислений синтетических сейсмограмм по вышеописанным моделям. Справа на рисунках представлены результаты точного решения, слева - лучевого. Одноименные экстремумы обменных волн 3 (PPSP) и 4 (PSSP) пропикированы соответственно красным и зеленым цветом и под рисунками теми же цветами даны их амплитудные графики. Как показывает рассмотрение рисунков, амплитуды обменных волн, вычисленных в лучевом приближении, весьма прихотливо изменяются в зависимости от выноса с резкими скачками в области критических углов. В то же время точное решение, как и следовало ожидать, дает плавную картину изменения амплитуд. Тем не менее, можно выбрать диапазон выносов, в рамках которого соответствующие кривые хотя бы подобны. При этом появляется надежда, что при осреднении с некоторыми кинематическими поправками (то есть при выполнении скоростного анализа, ввода кинематических поправок, суммирования по ОГТ) могут быть получены близкие результаты. При стандартной обработке данных МОГТ подобный выбор осуществляется процедурой обнуления заданных интервалов трасс на сейсмограмме - мьютинга. На рис. 8 приведен пример более или менее оптимальных параметров мьютинга. При этом из рассмотрения были фактически исключены трассы с выносами свыше 50 м

- 75 м (в зависимости от времени регистрации). Далее, было проведено сравнение результатов «точного» скоростного анализа и «точного» суммирования по ОГТ (рис. 9). Взятые в кавычки понятия «точное» означает, что в рамках данного раздела мы выполняем скоростной анализ и суммирование с кинематическими поправками, взятыми из пикировок, то есть по истинным годографам обменных волн, по форме существенно не гиперболическим.

Схема образования РРРР, PSSP и PPSP волн

5 —------------- К

PSSP волна PPSP волна Донная волна

Рис. 1. Схема образования однократных продольных и обменных волн. квдишшммминммни

Zooffl Xoofa ЕцЛ iU

Л! I

IllfJ

120

1-10

100

2UOмо- .1]

АЯШЮМШ0.14»ОИ .:5.0л»

Рис. 4. Сравнение лучевого (слева) и точного (справа) решений.

Модель 1640: талый слой Vp/Vs=4, мерзлое полупространство Vp/Vs=1.6

Р-. ■ fhjiii ■ * И — Ji I Г# Ht ^

Рис. 5. Сравнение лучевого (слева) и точного (справа) решений. Модель 1630: талый слой Vp/Vs=3, мерзлое полупространство Vp/Vs=1.6

1730

120

140"

IftU

180

200

140

Ti:lB S ЯП SI A/HJ.QOOW74 L25 5m,

Рис. 6. Сравнение лучевого (слева) и точного (справа) решений

Модель 1730: талый слои Vp/Vs=3, мерзлое полупространство Vp/Vs=1.7

ШШЛШШ u но

I I'll

J!I1

140 r.Ii ixlj

ZOO- ■

230

Tr:16 9«it» iW 94B»-00SI14

Рис. 7. Сравнение лучевого (слева) и точного (справа) решений

Модель 1740: талый слой Vp/Vs=4, мерзлое полупространство Vp/Vs=1.7

Рис.8. Выбор параметров мьютинга. Модель 1540 с мерзлым полупространством oo«n Common peiamoteia. Jool» m

CML rac

1I3S

1СЭ1

1731

FflD

ТП7 , 'S^WKii^ft^JI,.-.::1^»*

Рис.9. Сравнение суммотрасс, полученных лучевым (слева) и точным (справа) решениями

Как видно из рисунков, отличие результатов суммирования ОГТ лучевого приближения от точного решения составляет не более 10%., что вполне удовлетворительно и для скоростного анализа - в том смысле, что отличия амплитуд на суммотрассах при переборе скорости в рамках скоростного анализа заведомо приведет к большим отклонениям из-за очевидной негиперболичности годографов. Для доказательства последнего утверждения на рис. 10 приведен пример скоростного анализа (с вводом кинематических поправок по гиперболам). Слева направо на рисунке изображены: панель скоростного анализа с определением закона изменения эффективных скоростей (V^), сейсмограммы ОПВ, вычисленные лучевым и точным методами, суммотрассы по этим сейсмограммам.

Как видно из рисунка, степень совпадения также очень высокая - отличия не превышают 15%.

Таким образом, можно утверждать, что синтетические сейсмограммы, вычисленные в лучевом приближении, могут быть использованы для целей анализа динамики и кинематики обменных волн в рамках решения поставленных задач - в первую очередь для оценки эффективности обработки данных ОГТ, ориентированной на использование обменных волн.

Гпава 4. Кинематика и динамика отраженных обменных волн по данным математического моделирования.

Переходя от вышерассмотренных простых к более сложным моделям, максимально приближенным к строению верхней части разреза шельфа арктических морей, необходимо исследовать влияние следующих факторов:

Четвертичные отложения представляют собой тонкослоистую толщу, на каждой границе внутри которой возникают и продольные и обменные волны, а также генерируется фон кратных волн.

Наиболее резкой границей может оказаться кровля многолетнемерзлых пород, кровля газонасыщенных пород, либо кровля немерзлых коренных отложений.

В этих условиях необходимо решить следующие основные задачи:

I. Научиться идентифицировать обменные волны, являющиеся для нас целевыми, и определять по их кинематическим и динамическим характеристикам мощность покрывающей толщи, а также скорости продольных и поперечных волн в ней. Поскольку для всех трех случаев (мерзлота, газонасыщение, коренные) изменяются лишь свойства подстилающей толщи, кинематика отраженных волн не может дать необходимых критериев. Следовательно, основными критериями идентификации обменных волн, отраженных от кровли многолетнемерзлых (либо газонасыщенных) пород могут стать их динамические характеристики, такие как амплитуды на суммотрассах (стеке) и зависимость амплитуд на сейсмограммах от выноса. Они очевидным образом совпадают с AVO-параметрами -Ro и G. Как известно, именно AVO-параметры и атрибуты «чувствуют» изменения в свойствах подстилающей отражающую границу толще, и в первую очередь отношение Vp/Vs, Наши три случая весьма различаются по этому отношению. Так, например, для многолетнемерзлых пород Vp/Vs~ 1.5-И ,7, для газонасыщенных -Vp/Vs«5-^8, для талых коренных - около 2. Однако, задача собственно постановки AVO-анализа на обменных волнах, естественно, далеко выходит за рамки настоящей работы. Ниже мы лишь попытаемся использовать Ro (максимальную амплитуду обменной волны на суммотрассе) в качестве критерия идентификации характера подстилающей толщи.

П. Провести скоростной анализ, ориентируясь на основные типы волн, связанных с целевой границей - РРРР, PPSP и PSSP. В отличие от стандартного скоростного анализа, где волны предполагаются монотипными и чем больше to, тем глубже расположена отражающая граница, в нашем случае одна и та же граница порождает по крайней мере 3 волны с возрастающими to. Фактически последнее означает необходимость перебора эффективных скоростей Vmis в рамках стандартного скоростного анализа по крайней мере трижды - для закона возрастания скорости с глубиной, например, в пределах от 1500 м/с до 2000 м/с с целью оценки разреза эффективных скорости РРРР волн, затем для закона убывания скорости с глубиной примерно в пределах от 1300 м/с до 1100 м/с с целью оценки разреза эффективных скорости PPSP волн, и, наконец, для закона убывания скорости с глубиной в пределах от 800 м/с до 1000 м/с с целью оценки разреза эффективных скорости PSSP волн.

Ш. Используя полученный набор Vnns, to, вычислить для покрывающей целевую границу талой толщи эффективные скорости продольных и поперечных волн, используя следующие уравнения: ppsp

2 ш+vx О 0s з CJ\ pssp t +т '

О J

Vo = 1500 м/с - скорость звука в воде; thb к к ——-— - квадрат эффективной скорости S-волн в " h

• к покрывающей границу слоистой твердой толще, состоящей из YI слоев с мощностями Нк и скоростями поперечных волн Ьь •

2V* = ~——— - квадрат эффективной скорости Р-волн в

1 ^ покрывающей границу слоистой твердой толще, состоящей из П слоев с мощностями hk и скоростями поперечных волн .

4 К

Т = - время to целевой Р волны, 1 с. к п

Т = — - время to целевой S волны, ! к

2/г, t() = ---- - время tQ донной волны,

Для решения поставленных задач лучевым методом были построены синтетические сейсмограммы по ансамблю моделей, показанных в главе 3, которые максимально приближены к реальным условиям, описанным в главе 2, Группы моделей отличаются тем, что первая из них представляет собой тонкослоистую рыхлую толщу, подстилаемую коренными породами, вторая - ту же толща, но с глубины 20 м по грунту начинается вечная мерзлота, третья - в той же толще с глубины 6 м по грунту имеет место газонасыщение. Ниже представлены примеры результатов расчетов синтетических сейсмограмм для рассматриваемых трех групп моделей. На каждом рисунке приведены 6 сейсмограмм (слева направо) - только продольные волны, только волны типа , только волны типа , сумма трех предыдущих случаев и, наконец, полное поле с кратными волнами. Итак, по группам: рис. 11 - подстилающая целевую границу толща представлена многолетнемерзлыми породами, рис. 12 - подстилающая целевую границу толща представлена газонасыщенными породами, рис. 13 - подстилающая целевую границу толща представлена талыми коренными породами.

В нижней части рисунков приведены амплитудные графики, построенные по пикировкам РРРР, PPSP, PSSP волн, отраженных от целевой (в указанном выше смысле) границы. Рассматривая эти результаты можно сделать качественный вывод о том, что амплитуды обменных волн убывают при переходе от мерзлоты к газонасыщению и становятся совсем небольшими при отсутствии таких аномальных явлений. Однако, при рассмотрении полного поля трудно делать какие-либо количественные выводы из-за существенного влияния интерференции. Поэтому, последовательно решая поставленные выше 3 задачи, проведем скоростной анализ для вышеперечисленных трех законов изменения скорости с глубиной. Скоростному анализу были подвергнуты как сейсмограммы полного волнового поля, вычисленные для трех групп

Рис 11. Синтетические сейсмограммы для моделей группы i. Подстилающие породы - многолетнемерзлые.

ТИС TYPE 2

HID

-------------

411 .—

I DO ■

ISU ж

Рис 12. Синтетические сейсмограммы для моделей группы L Подстилающие породы - газонасыщенные

100

1S»I

Рис 13. Синтетические сейсмограммы для моделей группы I. Подстилающие породы - талые коренные моделей - рис. 14, 15, 16, так и отдельно сейсмограммы волн каждого типа, а именно, для сейсмограмм, построенных по моделям группы I, но только с учетом монотипных продольных волн (рис. 17), только волн типа PPSP (рис. 18) и только волн типа PSSP (рис. 19). Крест на последних трех картинках и значение скорости в нижней части соответствует волне, отраженной от целевой границы - либо кровле мерзлых пород, либо кровле газосодержащих отложений, либо (в случае отсутствия того и другого) литологической границе на той же глубине. Справа от сейсмограммы изображена суммотрасса, соответствующая стеку с данным скоростным законом. Здесь следует оговориться, что мы имеем возможность настроить параметры скоростного анализа сейсмограмм полного поля (рис. 14 - 16) по скоростному анализу сейсмограмм заданного типа волн (например, рис. 17 - 19), поскольку это синтетические сбейсмограммы. На реальном полевом материале такая возможность отсутствует принципиально. Рассматривая в этом смысле рис. 14 - 16, приходится признать, что при данной разрешающей способности (то есть по существу заданной методике полевых наблюдений) скоростной анализ полного поля, направленный на выявление обменных волн, может оказаться затруднительным. Поэтому приходится переходить к динамике отраженных волн на суммотрассе. Амплитуда целевого отражения на ней соответствует величине Rq, о которой шла речь в п I. На рис. 20 сведены суммотрассы, слева направо:

Первые 9 трасс получены суммированием с Vnns(t) для волн РРРР, Вторые 9 трасс получены суммированием с Vrms(t) для волн PPSP, Третьи 9 трасс получены суммированием с Vmis(t) для волн PSSP.

Красной линией отмечены времена вступлений волн перечисленных типов. Следует напомнить, что в рассматриваемых моделях толщи, покрывающие целевую границу, идентичны. Соответственно, равны и времена вступлений однотипных волн.

Рис. 14. Скоростной анализ сейсмограммы полного поля. Подстилающие породы многолнтнемерзлые я

У raw

Number at current COP

Vaincny-I.QBS nvma , Tlmo-112.083 me

Рис. 15. Скоростной анализ сейсмограммы полного поля. Подстилающие породы газонасыщенные.

Рис. 16. Скоростной анализ сейсмограммы полного поля. Подстилающие породы талые коренные.

Рис.20. Суммотрассы и амплитудные графики для целевых отраженных волн.

Внутри каждых девяти: первые 3 трассы соответствуют модели с мерзлотой, вторые 3 трассы соответствуют модели с газонасыщением, третьи 3 трассы соответствуют модели с отсутствием аномалий.

Как видно из рисунков, на суммотрассах удается устойчиво определять Ущщ и to для всех трех волн, отраженных от целевой границы как для случая газонасыщенной подстилающей толщи, так и для случая вечной мерзлоты - величины R0 достаточны велики. Таким образом, становится возможным решение задачи Ш - оценки Vp и Vs в покрывающей толще, путем решения уравнений (1) и (2). Что касается третьего случая - продолжения ниже отражающей границы монотонной талой толщи без газа, то успех скоростного анализа для обменных волн для нее весьма условен в силу малости амплитуды этой волны на суммотрассе. Очевидно, в присутствии реального шума она будет практически не видна.

Амплитудные графики, приведенные в нижней части рисунка, показывают принципиальное различие в соотношениях R0 продольных и обменных волн для трех основных типов моделей. Наиболее естественно провести сравнение амплитуд обменных волн с донным отражением, так как последнее практически всегда может быть найдено и измерено на записи. Сравнение показывает следующее:

Амплитуды PPSP-волн в случае мерзлых подстилающих целевую границу пород сравнимы и больше в 1.5-2.0 раза апмлитуды волны, отраженной от дна. При переходе к газонасыщенной подстилающей толще амплитуды PPSP-волн становятся близкими и меньше амплитуды донной волны. В случае же неаномальной толщи амплитуды обменных волн в 5 - 10 раз меньше и вообще их устойчивая и достоверная идентификация на сложном полевом материале маловероятна. Амплитуды PSSP-волн во всех случаях существенно меньше даже амплитуд PPSP-волн. Возможность их устойчивой идентификации на реальном полевом материале, осложненном достаточно высоким фоном нерегулярных и регулярных помех, представляется реальной для случая, когда целевая граница подстилается многолетнемерзлыми породами. В остальных двух случаях, очевидно, требуются дополнительные исследования.

Таким образом, проведенный анализ позволяет надеяться, что идентификация вечной мерзлоты, либо газонасыщения в подстилающей целевую границу толще может быть произведена путем выполнения вышеописанного графа обработки и качественного сравнения Ro для отражения от дна и предположительно обменной волны типа PPSP. При этом для многолетнемерзлых подстилающих пород подобная процедура наиболее устойчива. Далее, используя уравнения (1), (2), возможно определение скоростей продольных и поперечных волн в покрывающей целевую границу талой толще и, в конечном счете, решение инженерной задачи - оценке прочностных свойств этих грунтов.

В следующей главе будет сделана попытка применения выработанных графа обработки и критерия идентификации к реальному полевому материалу, полученному в районе Приразломного нефтяного месторождения.

Гпава 5. Примеры обработки полевых данных с учетом обменных волн.

Практическое опробование вышеописанных разработок было проведено на полевом материале, полученном в районе расположения известного Приразломного нефтяного месторождения. По данным бурения в этом районе на глубине 5 м-15 м по грунту встречаются газосодержащие мелкозернистые породы, перекрытие суглинками. При этом содержание газа растет с эти породах сверху вниз, приводя к значительному градиенту скорости продольных волн - от 1500 м/с у кровли до 600 м/с у подошвы газонасыщенного слоя. Имеет место также значительное изменение газосодержания в плане, связанное с изменением литологического и гранулометрического состава коллектора. Таким образом, кровля этих отложений может быть перспективна с точки зрения образования иинтенсивных обменных волн.

Рассматриваемые полевые сейсмические исследования проводились методом ОГТ. В качестве источника возбуждения использовался пневмоизлучатель с центральной частотой возбуждаемого упругого импульса около 200 Гц. Начальный вынос приемной косы 15 м. Шаг между пьезоприемниками 3.125 м. Количество каналов 48. Шаг возбуждения 6.25 м. В наше распоряжении были предоставлены материалы по полигону общей протяженностью профилей ОГТ около 1500 погонных км.

Анализ качества полевого материала показал, что полевые работы проводились при волнении моря 3-6 баллов. По этой причине плохо выдерживалась согласованная глубина погружения излучателя и приемного устройства, имел место высокий уровень нерегулярных помех и, в конечном счете, соотношение сигнал/шум даже для донной волны не превышало 10 на исходных сейсмограммах.

На рис. 21 приведен интервал суммоленты ОГТ, полученной путем обработки по следующему упрощенному предварительному графу: аММ , ■

IWI

I HI

II I ■

ISO

C-, rV •'> r ' ifep. <.ч <*V=>

4v■-. v:.

Рис. 21. Суммолента (брутстек) с выделенным для анализа участком

1. Ввод данных, задание геометрии наблюдений

2. Анализ и редактирование данных

3. Скоростной анализ

4. Обработка данных

4 .1 Коррекция за расхождение

4.2.Полосовая фильтрация

4.3. Ввод кинематических поправок

4.4.Мьютинг

4.5.Суммирование по ОГТ

5. Вывод и визуализация данных

При этом ввод кинематических поправок и суммирование по ОГТ проводилось для постоянной эффективной скорости Vnils=1500 м/с (так называемый бруттстек). Как видно из рассмотрения рисунка, на записи выделяются отражение от дна, полнократные в водном слое волны, интенсивная поддонная отраженная волна, ось синфазности которой не параллельна донному отражению, а также неполнократные и полнократные к ней волны, порожденные водным слоем. Красными вертикальными линиями на рисунке ограничен участок записи, подвергнутый подробному анализу. В большем масштабе он приведен на рис. 22. Проведенный анализ динамических характеристик поддонной волны показал, что она предположительно является волной, отраженной от кровли газосодержащих пород, то есть целевой РРРР волной (в нашем смысле). На рис. 23 приведены 2 сейсмограммы ОГТ - слева - с интенсивной целевой волной из левой части рассматриваемого участка, справа - с весьма слабой целевой волной из правой части участка. Видно, что в случае высокой интенсивности полярность этой волны противоположна полярности отражения от дна. Полярность же полнократных в водном слое волн изменяется на противоположную для каждой следующей полнократной волны. Это означает, что коэффициент отражения на дне является положительным.

Tr:B9 Sam.4t6 АгщивЭ.Э tZOS.Ora j-J

Рис. 23. Исходные сейсмограммы и спектр донной волны.

Отсюда следует,что коэффициент отражения на целевой границе отрицательный, то естиь скорость продольных волн при переходе через границу уменьшается. Учитывая это последнее обстоятельство, естественно предположить, что рассматриваемое отражение представляет собой монотипную продольную отраженную волну, связанную с кровлей газосодержащих пород, то есть в нашей терминологии - это целевая РРРР волна, характерная для моделей второй группы. На рис 24 приведен набор сейсмограмм ОГТ с введенными кинематическими поправками. В нижней части рисунка изображены амплитудные графики донной (синий) и целевой (красный) волн. Видно, что как сами амплитуды, так и их зависимость от выноса не противоречат сделанному предположению - во всяком случае в левой части участка, где целевая волна имеет максимальные амплитуду. Правая же часть участка более всего подходит к случаю, когда подстилающие породы не имеют аномальных свойств и граница является только литологической.

Теперь необходимо провести с этим материалом процедуры, примененные к синтетическим сейсмограммам (глава 4). На рис.25 и 26 показаны результаты скоростного анализа соответственно для левой и правой частей участка. Проведенный анализ для левой части участка (рис. 25) показал следующее:

Скорость, определенная по отраженной от дна волны, составляет 1400 м/с, что заметно ниже скорости звука в соленой воде. Это означает, что геометрия расстановки, заданная в заголовках трасс и файлов исходных данных, искажена относительно истинной.

Эффективная скорость, определенная по целевому отражению, на 50-70 м/с больше. Исправив геометрию и произведя пересчет в интервальную скорость, мы получили скорость продольных волн в покрывающей искомую границу толще 1750м/с - 1800 м/с и ее мощность от 9 м до 11 м соответственно.

JRiei-Sl

Zoom Convnonpnamidfi. Ioolt Ец1 а *ц> »n

ЭМ1 J37I

Aomxrм m II in и i— и i— м 1— w iw и no и it» й i— w IH

94Ю MM

W 1— Ml— И 1W If IW isiiilii

1И И IW W 1M

Ш99 S»nt3« An*r1 08^00* М97.вт«

Jtl ■

Рис.24. Сейсмограммы ОГТ с кинематическими поправками. Амплитудные графики донной и целевой волн.

VelocSty=1.4S3 mtma . Tlma=47.327 ma

Number И current GPP 3 3340

Рис. 25. Скоростной анализ сейсмограммы из левой части участка.

Рис. 26. Скоростной анализ сейсмограммы из правой части участка. Исходя из данных главы 2, скорость распространения сдвиговых волн в покрывающих целевую границу породах ожидается в пределах 400 - 600 м/с, то есть to обменной PPSP волны может ожидаться в интервале 50 мс - 70 мс, а эффективная скорость для нее должна находиться в пределах Vm^l 100 м/с - 1300 м/с. Как видно на рис.25, на этих временах to существенное маскирующее влияние оказывают многократные продольные волны, связанные с поверхностью воды. При этом в области времен to«60 мс наблюдается яркое пятно, соответствующее Угщ «1260 м/с. Принимая его соответствующим целевой PPSP волне, мы получаем интервальную скорость сдвиговых волн в покрывающей толще около 600 м/с, что вполне разумно соотносится со всеми независимыми данными.

Естественно, что к полученному результату необходимо относиться как к предварительному. Для повышения достоверности идентификации рассматриваемой волны как целевой PPSP необходимо:

1. Провести дополнительную специальную математическую обработку, направленную на подавление реверберационных волн и повышение разрешающей способности.

2. Рассмотреть распределение скоростей продольных и обменных волн или менее равномерно по площади для изучения поведения целевых отражений в плане.

Заключение

В заключении проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1 Изучено строение четвертичных отложений мелководных шельфов арктических морей. Определены характер и пределы изменений акустических свойств талых, многолетнемерзлых и газонасыщенных пород.

2. На основании проведенных исследований построены адекватные акустические модели реальных сред.

3. Проведено обоснование использования лучевого приближения при вычислении синтетических сейсмограмм по моделям, характерным для строения изучаемых отложений и для применяемых на практике параметров методики полевых наблюдений МОГТ с целью моделирования поля обменных волн.

4. Исследованы кинематические и динамические характеристики обменных волн, образующихся на кровле многолетнемерзлых, газосодержащих и талых коренных пород.

5. Выработаны оптимальный граф обработки и критерии идентификации обменных волн.

На основании опробования, проведенного на полевом материале, можно сделать следующие рекомендации:

1. Для глубин воды до 20 м-30 м, наиболее интересных с практической точки зрения, расстояние источник-приемник не должно превышать 50-70 м.

2. Для получения более высокой кратности ОГТ необходимо уменьшить шаг между приемниками по крайней мере до 2 м. Благодаря низким скоростям обменных волн кинематические поправки будут достаточно велики.

3. Для повышения разрешающей способности необходимо использовать более высокочастотные излучатели, проводить работы при волнении моря до 1,5 баллов.

Литература

1. Л.М.Бреховских «Волны в слоистых средах»М., «Наука», 1973, 511с.

2. А.В. Калинин, Н.В. Шалаева «О пределах применимости лучевых приближений при оценке динамических параметров отраженных волн», Вестник МГУ. Серия 4 . Геология. 1999, № 5, С. 49-55.

3. Калинин А.В., Шалаева Н.В., Казанин А.А. «Интенсивность головных волн при малоглубинных сейсмических исследованиях на мелководном шельфе арктических морей», «Геофизика», 2000, №3, С. 21-26

4. А.В. Калинин, А.Г. Казанин, М.Ю. Токарев, Н.В.Шалаева «Интенсивность обменных волн в сейсмогеологических условиях шельфа арктических морей. Вестник МГУ, сер. Геология (в печати).

5. В.П. Мельников, В.И. Спесивцев «Инженерно-геологические и геокриологические условия шельфа Баренцева и Карского морей». Новосибирск, «Наука», 1995.

6. Терентьева Е.Б, Физико-механические свойства мерзлых пород и типовые физико-геологические модели. Вестник МГУ. Серия 4 . Геология. 1999, № 6, С. 60-62.

7. Терентьева Е.Б. Особенности поля волн, полученных при моделировании, для сред, содержащих многолетнемерзлые породы. Вестник МГУ. Серия 4, Геология, 2000 (в печати).

8. Терентьева Е.Б. Оценка погрешностей лучевого метода расчета синтетических сейсмограмма в условиях морской сейсморазведки. Вестник МГУ. Серия 4, Геология, 2000 (в печати).

9. Ecker С. "Seismic AVO analysis of methane hydrate structures", SEG-94, 1994, 1100- 1103.

10. Ecker C., Dvorkin J. "Sediments with gas hydrates: Internal structure from seismic AVO", SEG-1996, 1996, 1767-1770.

11. Gregovic R., Mcdonald J. "Propagation of converted shear waves in a simulated marine enviroment: physical model study", SEG, 1993, 942-945.

12. Kalinin A.V., Shalaeva N.V. «New approach to the solution of the dynamic problem of AVO analysis», Society of exploration geophysicists. Technical Program. Expanded Abstracts. 66 Annual Meeting and International Exposition, Nov. 10-15, 1996, 1370-1372 .

13. Lawton D. "P-SV Acquisition Design and the Concept of the P-SV Zero-Offset Section", SEG-93, 1993, 562-565.

14. Miller S.L., Harrison M.P. et al., "Interpretation of a carbonate reservoir using P-P and P-SV seismic data", SEG-94,1994, 471-473.

15. Taylor G., 1989, The point of P-S mode-converted reflection: an exact determination. Geophysics, 54, 1060-1063.

16. Tessmer G. "Common-reflection point data-stacking technique for converted waves", Geopliys. Prosp. 36, 1998, 671-688.

17. Zanzi L., Angle-Velocity analysis and depth migration for P-SV data. 1996, SEG, 1567- 1570.

18. Zhang Y., Nonhyperbolic Converted Wave Velosity Analysis and Normal Moveout, 1996, SEG, 1555- 1558.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Казанин, Алексей Геннадиевич

Заключение

В заключении проделанной работы можно сделать следующие выводы:

2. На основании проведенных исследований построены адекватные акустические модели реальных сред.

5. Выработаны оптимальный граф обработки и критерии идентификации обменных волн.

На основании опробования, проведенного на полевом материале, можно сделать следующие рекомендации:

3. Для повышения разрешающей способности необходимо

использовать более высокочастотные излучатели, проводить работы при волнении моря до 1,5 баллов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Казанин, Алексей Геннадиевич, Москва