Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Лабораторное сейсмомоделирование волновых полей для структур со сложной верхней частью разреза

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Лабораторное сейсмомоделирование волновых полей для структур со сложной верхней частью разреза"

Р Г Б ОД

. , РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

и ОЫ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И МИНЕРАЛОГИИ

На правах рукописи

ОРЛОВ Юрий Анатольевич

ЛАБОРАТОРНОЕ СЕЙСМОМОДЕЛИРОВАНИЕ

ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ СТРУКТУР СО СЛОЖНОЙ ВЕРХНЕЙ ЧАСТЬЮ РАЗРЕЗА

04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 1994

Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, академик РАН Н.Н.Пузырев

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

Ведущая организация: Сибирский НИИ геологии, геофизики и

минерального сырья (СНИИГГиМС, г.Новосибирск)

на заседании специализированного совета Д 002.50.06 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН, в конференц-зале.

Адрес:630090,Новосибирск-90, Университетский просп. 3 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГиМ СО РАН

наук И.Р.Оболенцева кандидат технических наук Г.В.Ведерников

Защита состоится

и

^ .. 1994 г. в час.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Ю.А.Дашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования настоящей работы являются волновые поля, полученные в результате ультразвукового сейсмического моделирования, для структур со сложной верхней частью разреза, имеющих как блоковый характер, так и высокоскоростные слои с криволинейными границами. Разрезы с блоковой верхней частью, обусловленной трапповыми интрузиями, характерны для районов 2-й и 3-й категории сложности Сибирской платформы. Структуры с высокоскоростными слоями криволинейной формы характерны для районов с наличием многолетнемерзлых пород (ММП) Западной Сибири.

Актуальность темы обусловлена следующими обстоятельствами. При проведении сейсморазведочных работ, связанных с поиском углеводородов, в районах 2-й и 3-й категории сложности Сибирской платформы границы следятся только на фрагментах сейсмического разреза и требуется выяснение причин плохой прослеживаемости границ. Поскольку наибольшая расчлененность разреза наблюдается, как правило, в верхней части разреза (ВЧР), то и влияние ВЧР на волновое поле является основным. При постановке работ на поиск алмазов сейсмическими методами возникает необходимость выяснить характер влияния трубки на волновое поле для формирования критерия ее поисков. Неоднородные высокоскоростные слои ММП вносят искажения в волновые поля глубинных отраженных волн, что приводит к ошибкам при построении разреза. Выяснить влияние ВЧР с трапповыми интрузиями или слоями ММП на волновые поля невозможно без решения прямой задачи сейсмическим моделированием.

Выявить основные факторы, влияющие на волновое поле, и осуществить перебор параметров возможно как при физическом, так и при математическом моделировании. Но методы математического моделирования, основанные на лучевом методе, для сложных структур имеют ограничения, связанные с неполным представлением поля. А методы, связанные с численным решением уравнений, или методы, учитывающие следующие члены в лучевом приближении, в том числе и краевые волны, применимы не для всех классов ЭВМ и требуют затраты достаточно большого машинного времена. Кроме того, этим методам пока не под силу решения для трехмерных моделей с реализацией систем наблюдения с многократным перекрытием.

- 1 -

Ультразвуковое физическое моделирование ранее широко применялось для анализа волновых полей( Ю.В.Ризниченко, Б.Н.Ивакин, Е.М.Аверко, Н.А.Караев, Д.Г.Шамина, П.Г.Гильберштейн, Хилтерман в США и др.). Применимость ранее выполненных исследований ограничена многими факторами: узостью частотного диапазона, малым количеством моделей, отсутствием многокомпонентной регистрации и, как правило, без цифровой записи и обработки на ЭВМ.

Целый работы является повышение информативности сейсморазведки в районах со сложным строением ВЧР. содержащих трапповые интрузии, и повышение точности построения разреза в районах с криолитозоной. Для реализации этой задачи необходимо было модернизировать аппаратуру для ультразвукового моделирования и осуществить цифровую регистрацию многокомпонентного волнового поля в широком диапазоне частот как на продольных, так и на поперечных волнах.

Задачи исследований:

- выявить закономерности поведения волн, отраженных от целевой границы, и волн помех в средах со сложным строением ВЧР с параметрами, характерными для трапповых интрузий Восточной Сибири и криолитозоны Западной Сибири;

- определить влияние кимберлитовой трубки на волновое поле и проанализировать пути, улучшающие ее выделение.

Фактический материал и методы исследования. Теоретической основой создания моделей является общепризнанная теория подобия. Анализ экспериментальных волновых полей проводился на основе лучевой и дифракционной теории и в рамках теории упругости. Многокомпонентная и широкополосная регистрация волновых полей с записью результатов моделирования в цифровом виде с вводом и обработкой на ЭВМ осуществлялась на аппаратурном комплексе "ЭХО-1". Частично материал обрабатывался на вычислительных центрах. Для проверки основных особенностей волнового поля проводилась сверка результатов на двумерных и трехмерных объектах с применением методики иерархии моделей с перебором параметров и переходом от простых к более сложным. Регистрация волнового поля выполнялась в основном по методу отраженных волн, а для исключения помех и более точного определения динамических и кинематических характеристик регистрация осуществлялась во внутренних точках или на просвет. Результаты моделирования представлены для 22 двумерных и 11 трехмерных моделей. Для некоторых типов волн проводилось сравнение их поведения с результатами теоретического анализа.

- 2 -

Защищаемые научные результаты

- Теоретически проанализировано и экспериментально доказано, что для пьезоэлектрического преобразователя с радиусом контакта меньше четверти длины поперечной волны при согласованном волноводе отсутствуют резонансы пьезоэлемента; ширина частотной характеристики определяется отношением модулей Юнга пьезоэлемента и модели и отношением радиуса к высоте пьезоэлемента, а чувствительность пропорциональна высоте пьезоэлемента.

- В средах с блоковым строением верхней части разреза поле глубинных отраженных волн, в первую очередь, определяется наложением частично кратных и обменных волн, образующихся в верхней части разреза и, как правило, прослеживаемость и разрешенность поперечных волн выше, чем у продольных, а в средах, характеризующихся случайным рассеиванием, при одинаковом разрешении записи по глубине отношение сигнал/помеха для поперечных волн выше, чем для продольных.

- Интенсивность и дисперсия волны Релея в сильной степени зависит от мощности и скорости слоя. Наибольшая дисперсия этой волны имеет место при мощности слоя около 0,2ЯР: для низкоскоростного слоя при этом характерны большая интенсивность и резкое увеличение длительности импульса с расстоянием, а для высокоскоростного - малая интенсивность и выделение лишь слабых высокочастотной и низкочастотной составляющих, имеющих соответственно высокую и низкую скорости.

- Интенсивность волны, отраженной от горизонтальной границы, в условиях кимберлитовой трубки определяется расположением пункта возбуждения и профиля приема; для волны, секущей трубку под углом, близким к нормальному относительно ее вертикальной оси, происходит фокусировка, а для волны, распространяющейся вдоль образующих трубки, имеет место резкое ослабление (нелучевой эффект), образование интенсивной обменной волны происходит при близком расположении источника к трубке.

- При прохождении волны через высокоскоростной слой с криволинейными границами происходит не только ослабление сигнала, но при определенных условиях имеет место полное экранирование участка нижележащей отражающей границы; кроме того, при больших углах скачкообразное увеличение времени прохождения обусловлено обменом в слое типа Р-Б-Р.

Новизна работы и личный вклад. В работе оригинально решены вопросы: расширения частотной полосы датчика, увеличения точности цифровой регистрации и методики моделирования.

- Опираясь на известное решение для жесткого штампа на границе полупространства, представляя смещение в пьезоэлементе и волноводе в виде бегущих волн в стержне и применяя граничные условия к усредненным значениям деформации и напряжения по поверхности контакта пьезоэлемента со средой, получено решение для волнового уравнения в пьезоэлементе, на основе которого построены зависимости частотной характеристики датчика от геометрических, упругих и электрических параметров. Это позволило изготовить оптимальные датчики и на их основе провести возбуждение и регистрацию волновых полей для большинства моделей.

- Используя цифровую аппаратуру для ультразвукового физического моделирования. разработанную при непосредственном участии автора, осуществляя многокомпонентную регистрацию волновых полей с шириной частотного диапазона до трех октав, применяя методику перебора параметров и систематизацию с последовательным усложнением моделей и анализируя поляризацию волн, выявлен характер частотных зависимостей волновых полей от параметров ВЧР для продольных и поперечных волн.

- Сопоставляя результаты моделирования на твердых моделях с данными на твердо-жидких моделях, в которых возбуждаются и регистрируются только продольные волны, проанализирована роль помех, связанных с обменными волнами, в средах со сложным строением ВЧР.

- Регистрируя волну во внутренних точках среды на вертикальных и горизонтальных профилях, показано влияние края высокоскоростного блока на формирование проходящей волны в зависимости от положения источника для метода ВСП и выявлено раздвоение осей синфазности этой волны, приводившее к неоднозначной интерпретации.

- Используя трехмерное моделирование на твердой модели, содержащей кимберлитовую трубку и примыкающие к ней отражающие и преломляющие границы, и регистрируя на продольных и непродольных профилях основные и побочные компоненты волновых полей, определено поведение волнового поля в условиях кимберлитовой трубки.

Практическое значение имеют как разработанные датчики и элементы аппаратуры, так и результаты моделирования: при прове- 4 -

дении и интерпретации данных сейсморазведки, направленной на поиск углеводородов, в районах с блоковым строением верхней части разреза, например на Сибирской платформе, и в районах наличия слоя многолетнемерзлых пород, а также при проведении сейсморазведки, направленной на поиск алмазных месторождений.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции БЕС 93 (Москва, 1993), всесоюзном совещании "Многоволновая сейсморазведка" (Новосибирск, 1985), конференции "Развитие геофизических исследований на нефть и газ в Западной Сибири" (Тюмень, 1980), конференции "Сейсмические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых" (Киев, 1988), совещании "Вопросы повышения эффективности сейсморазведочных работ в Восточной Сибири" (Новосибирск, 1989) и пленарном заседании Научного совета АН СССР по геофизическим методам разведки (Москва, 1989).

Обсуждение и внедрение результатов моделирования проводилось в заинтересованных организациях (имеется 4 акта внедрения).

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 авторских свидетельства.

Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН и проведена в соответствии с планом НИР. Работы по физическому моделированию начинались и проводились сначала в руководимой К.А.Лебедевым лаборатории вычислительной техники и цифровой обработки, затем в руководимой академиком Н.Н.Пузыревым лаборатории проблем сейсморазведки. Аппаратура создана и эксперименты выполнены в группе физического моделирования, руководимой Л.Д.Гиком, которому автор искренне благодарен за постоянное внимание и всестороннюю помощь в решении поставленных задач. Автор также глубоко признателен коллегам по работе Держи Н.М., Колобовой С.Е., Харламову С.М., Боброву Б. А. и Коспанову Т.Э.

Диссертация содержит 154 страниц текста, 25 рисунков и 5 таблиц. Библиография содержит 52 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена краткому описанию аппаратуры, применявшейся при моделировании, анализу вопроса расширения частотной полосы датчиков и методики моделирования.

При создании программно-аппаратурнного комплекса "ЭХО-1" для ультразвукового сейсмического моделирования автором проанализированы и реализованы широкополосные пьезоэлектрические преобразователи, увеличена точность временных отсчетов блока стро-бирования, отработана методика моделирования и при последующей модернизации комплекса создано програмное обеспечение. Комплекс обеспечивает возбуждение упругих волн в модели сейсмического объекта, преобразование колебательных смещений среды, вызываемых этими волнами, в электрический сигнал, усиление, регистрацию в цифровом виде, оперативное и документальное графическое отображение информации и обработку полученных данных. Аппаратура состоит из микро-ЭВМ "Электроника-60" и комплекта сопрягающих блоков в стандарте КАМАК. Стробоскопический преобразователь, понижающий частоту ультразвукового сигнала, позволяет без осложнений вводить сигнал в ЭВМ, что достигается с помощью аналого-цифрового преобразователя аппаратуры КАМАК. Шаг кодирования может изменяться в пределах от 0,2 до 1,6 мкс в зависимости от используемого спектра сигнала и типа решаемых задач. Конкретное его значение определяется принципом подобия и принятым в полевой сейсморазведке стандартом.

Наличие ЭВМ в аппаратурном комплексе позволяет в процессе выполнения эксперимента осуществлять: 1) оперативный контроль спектра зондирующего импульса, а также его коррекцию; 2) обеспечение необходимого повышения чувствительности за счет накопления сигнала; 3) переключение любых комбинаций направления силы источника и чувствительности приемника; 4)выполнение экспресс-обработки в виде частотной фильтрации, суммирования по ОГТ и осуществления миграционных преобразований: 5) перевод записи в формат СЦС-3 для обработки по стандартным программам на специализированных вычислительных центрах.

Архитектура комплекса позволяет дополнять его новыми устройствами и заменить управляющую ЭВМ путем смены интерфейса связи с КАМАК. Благодаря этому проведена модернизация аппаратурного

- 6 -

комплекса. К нему было подключено устройство для сканирования приемника по модели и заменена управляющая ЭВМ на IBM PC совместимый компьютер (АТ-286). Устройство сканирования выполнено на базе планшетного шагового графопостроителя "Вектор-1301". который позволяет перемещать приемник по поверхности модели с размерами 600x800 мм. Программное обеспечение для управления скана-тором позволяет реализовывать различные системы наблюдения, в том числе по площадной с многократным перекрытием. Применение автоматического сканатора и персонального компьютера дало возможность существенно поднять точность установки датчиков, уменьшить время съемки и расширить возможности обработки результатов моделирования.

Ввиду отсутствия датчиков, выпускаемых промышленностью и приемлемых для моделирования, и ввиду того, что датчики, применявшиеся другими авторами, не имеют достаточно широкой рабочей полосы частот, проведен теоретический анализ пьезоэлектрического преобразователя с малым размером контакта со средой. Датчик включает в себя цилиндрический пьезоэлемент, который одним торцом установлен на модель, а другим связан с акустическим волноводом. Аналитическое выражения для частотной характеристики этого датчика получено на основе применения решения для жесткого штампа на границе полупространства, на основе которого устанавливается связь между амплитудой волны в полупространстве и деформацией пьезоэлемента. Деформация в пьезоэлементе и волноводе представлена в виде бегущих волн в стержне. Этот преобразователь рассматривается в качестве приемника упругих колебаний и в качестве источника при подаче на него электрического импульса.

Полученное аналитическое выражение . позволяет построить частотные характеристики датчиков при разных значениях упругих, геометрических и электрических параметров пьезоэлемента и упругих параметров среды и волновода. Показано наличие резонансов датчика для мягкого и жесткого волноводов и их отсутствие для волновода, согласованного с пьезоэлементом по упругим свойствам. На основе теоретического анализа сконструированы оптимальные широкополосные пьезоэлектрические преобразователи. Для экспериментальной проверки чувствительности датчиков проводилась регистрация прямой волны при ортогональном просвечивании блока и делалось спектральное разложение полученного сигнала. При выбранных параметрах этого эксперимента проводился расчет произведения

- 7 -

частотных характеристик источника и приемника. Полученные экспериментальные и рассчитанные спектры практически совпадают. На основе однокомпонентных изготавливался деухкомпонентный датчик с регулируемой диаграммой направленности, на который получено авторское свидетельство.

Особенностью исследований, излагаемых в настоящей работе, является выполнение двух важных условий: 1) иерархизация объектов и 2) варьирование главного параметра. Основу иерархии составляет разделение по степени последовательного усложнения от горизонтально-слоистых до блоковых при моделировании разрезов с трапповыми интрузиями и до моделей с градиентным слоем при моделировании ММП. Варьирование подлежащего исследованию параметра позволяет выявить основные закономерности изучаемого явления. В связи с этим решаются методические вопросы конструирования моделей и проведения экспериментов.

Приводятся частотные характеристики двухкомпонентных датчиков, применявшихся при регистрации на листовых и объемных моделях. и даются экспериментальные диаграммы направленности для источников типа вертикальной и горизонтальной силы (рис.1). Здесь же рассматриваются вопросы точности и повторяемости при регистрации волнового поля и определения параметров моделей, а также методические приемы повышения точности и стабильности параметров.

Во второй главе рассматриваются результаты моделирования применительно к условиям Сибирской платформы, на которой есть две главные особенности. Это наличие трапповых интрузий и ким-берлитовых трубок. Моделирование первых обусловлено поиском месторождений углеводородов, а вторых - поиском алмазов. В первых двух параграфах этой главы основное внимание уделено влиянию трапповых интрузий в ВЧР на волны, отраженные от целевых границ, и на формирование помех. В третьем параграфе исследуются волновые поля в условиях кимберлитовой трубки, выходящей на поверхность.

На первом этапе моделирования применительно к условиям Сибирской платформы представлялось необходимым рассмотреть горизонтально-слоистые среды. В условиях Сибирской платформы траппо-вые покровы на поверхности земли являются слоями с повышенной скоростью волн, а карбонатные и терригенные отложения - с пони- 8 -

Рис.1. Формы импульсов (а) и амплитудно-частотные спектры (б) продольных и поперечных волн на листовой модели (2-Б) и на объемной модели (З-О; диаграммы направленности источников на листовой модели (У =0.58) для вертикальной (в) и горизонтальной (г) сил: 1 - полный вектор продольной, 2 - поперечной, 3 - конической волн.

женной. Кроме того, многие районы Сибирской платформы характеризуются почти полным отсутствием зоны малых скоростей.

Для исследования поведения волнового поля в таких условиях были подготовлены двумерные (листовые) модели, в которых верхний слой имел пониженную либо повышенную скорость волн и переменную мощность от десятых долей до нескольких длин волны. Нижняя часть модели, состоящая из двух слоев с близкими упругими параметрами, оставалась неизменной. Регистрация горизонтальной и вертикальной составляющих волнового поля при возбуждении источником типа вертикальной и горизонтальной силы позволило исследовать все типы волн и сопоставить их для разных моделей. Изменение волн, отраженных от глубинных горизонтов, в основном, обусловленно наложением частично кратных волн, образующихся в верхней части разреза. что приводит к увеличению длительности их импульса. Поскольку для этих моделей основной помехой является волна Релея, то поперечные волны выделяются значительно лучше, чем продольные, по двум причинам: во-первых, поперечные волны приходят позже и лучше разделяются по времени от поверхностной волны, во-вторых, на сейсмограммах Х-х более низкий уровень этой волны.

Кроме целевых волн исследовались помехи, в частности волна Релея, которая наряду с головной волной претерпевает наибольшие изменения в интервале мощностей слоя от одной десятой до одной длины продольной волны. Для низкоскоростного слоя при этом характерно резкое изменение протяженности цуга, а для высокоскоростного - ослабление интенсивности волны.

В отдельных областях ВЧР могут наблюдаться зоны с относительно мелкими неоднородностями, на которых возможно рассеяние волн. В связи с этим проведены опыты по оценке уровня рассеянных волн, когда размеры неоднородностей меньше одной трети длины волны. Для количественной оценки вычислялась интенсивность рассеянной волны с нормировкой ее на интенсивность падающей волны. Построенные графики для интенсивностей рассеянных волн в зависимости от волнового числа, т.е. при одинаковом разрешении волн показывают, что интенсивность рассеянной продольной волны в полтора-два раза превышает интенсивность рассеянной поперечной.

Исследуется влияние дайки на характер волнового поля. Наибольший уровень помех наблюдается на продольных волнах. С наименьшими искажениями и с меньшим уровнем помех ведет себя поперечная волна с поляризацией в плоскости нормали к дайке.

- 10 -

ПВ1 ПВ2 ПВЗ -400- 0 400 м

0,2

0,4 0,6 0,81,0"

1.2 2, хм

ч А В > •> > ь

V,»*, с

> * >

0,3 0,4 0,5 {,

300 х,м

0,3 0,4 0,5 {,с

X, км

Рис.2. Модель со ступенчатой границей и сейсмограммы вдоль горизонтального и вертикального профилей во внутренних точках среды: а - модель среды и схема наблюдений; б - сейсмограмма для горизонтального профиля и источника ПВ2; в,г - сейсмограммы для вертикального профиля и источника: в - ПВЗ, г - ПВ1.

Определенный практический интерес представляет исследование во внутренних точках среды, в том числе типа ВСП. на модели, имеющей уступ на высокоскоростном блоке (рис.2). При близком расположении вертикального профиля к границе блока происходит раздвоение осей синфазности падающей волны, вызванное тем, что в первые вступления выходит волна, прошедшая через приподнятое крыло высокоскоростного блока и испытавшая дифракцию на краях.

Важным этапом при моделировании явилось изучение волновых полей для сложной системы однородных блоков в ВЧР. Отраженные волны на центровых лучах имеют разрывы в прослеживании границ, в том числе связанные с дифракционными явлениями, а также сильные колебания в амплитудах. Особенно отчетливо это проявляется для твердой двумерной модели, когда на отраженную волну накладываются интенсивные помехи, связанные с обменными и другими типами волн (рис.3). На трехмерной твердожидкой модели структура волнового поля на ортогональном профиле более простая. Отметим, что в такой модели для профилей, близких к простиранию блоков, облик сейсмограмм очень сильно зависит от положения источников и приемников по отношению к краям блоков. Обработка данных по способу общей глубинной точки (ОГТ) для системы с 12-кратным перекрытием для блоковой структуры ВЧР без введения статических поправок, естественно, не дает удовлетворительного результата. Введение априорных поправок даже при вертикальном ходе лучей в верхнем слое существенно улучшает выделение глубинных отраженных волн, хотя наблюдается некоторая амплитудная нестабильность. На твердой модели отношение сигнал-помеха на отдельных участках снижается до единицы. Данные по многократным системам наблюдения были обработаны в специализированном вычислительном центре сотрудниками НПО "Нефтегеофизика" (Москва). На полученных временных разрезах целевые волны в целом следятся более регулярно. Однако обращает на себя внимание нестабильность прослеживания определенных фаз и раздвоение осей синфазности. и это приводит к появлению регулярных неоднородностей на временном разрезе, в частности типа ложных выклиниваний, что указывает на недоучет влияния неоднородности верхней части разреза.

Регистрация волновых полей на объемной модели кимберлитовой трубки, выходящей на поверхность, проводилась по различным линейным системам наблюдения (рис.4), что позволило проанализировать влияние трубки на различные типы волн. При постановке

- 12 -

0113*31!«}

.ШШтптЖ^

< у, им

Рис.3. Двумерная блоково-слоистая модель: а - модель среды; б -волновое поле центровых лучей; в. г - фрагменты временных разрезов ОГТ: в - без ввода статических поправок, г - с вводом априорных статических поправок.

сейсморазведочных работ на поиск кимберлитовых тел определенные надежды возлагались на головные волны, образующиеся на субгоризонтальных границах, примыкающих к трубке. Но исследование показало. что кинематические и динамические эффекты, вносимые трубкой в волновое поле головной волны, являются незначительными: они более заметны на волнах, отраженных от горизонтальных границ. В зависимости от расположения источников и приемников относительно кимберлитовой трубки наблюдается как усиление, так и ослабление этих волн, кинематические аномалии волнового поля невелики. На непродольном профиле при близком расположении приемников к трубке и по другую сторону от удаленной линии источников наблюдается фокусировка волн (рис.4в), отраженных от горизонтальных границ, и наоборот, при симметричном и близком расположении источника и приемника относительно трубки возникает резкое ослабление этих волн (рис.4г). В обоих этих случаях имеет место фокусировка волны Релея с задержкой сигнала до величины, равной видимому периоду. Наиболее резко проявляет себя трубка, когда источник (приемник) находится на трубке, а приемник (источник) рядом, при этом отраженные волны почти полностью пропадают. При расположении источника вблизи выхода трубки на поверхность возникает интенсивная обменная волна, образующаяся на поверхности трубки и отражающаяся от горизонтальных границ. При регистрации горизонтальной компоненты смещения, перпендикулярной направлению на источник, эти волны легко выделяются (рис.4д).

Зарегистрированные в эксперименте данные подвергались обработке методом переноса поля. Пересчет поля, зарегистрированного на удаленном от трубки профиле, на гипотетический профиль, проходящий через трубку, приводит к улучшению выделения аномалии.

В третьей главе приводятся результаты работ по исследованию волновых полей на физических моделях, содержащих в верхней части высокоскоростной слой переменной мощности, который по своим параметрам соответствует слою многолетнемерзлых пород. Кроме исследования искажений волновых полей, вносимых слоем ММП, анализируется возможность выделения этого слоя с целью его учета при построении разреза для нижележащих границ.

Выбор моделей проводился в основном для разрезов, характерных для средней части Западной Сибири в районах широтного течения р. Обь, где в основном наблюдается зона пятнистого однослой-

- 14 -

б ПВ-4

ПВ-2 ПВ-1 т 2 3 4-5 6 ПП

- Ц , , Л* . А

У=2,65 км/с Щ I,3км/с

У,=3,5 км/с ^.=1,7 км/с

^=2,3км/с ¿=1,1км/с

Г Г I

-----

• V. -

¿0 5о 10 30 НО t, м«с

г, см s* 5/

д

----

'О 30 10 70 90 Г, мне

50 во НО >80 ь м«с

Рис.4. Модель с кимберлитовой трубкой и фрагменты волновых полей при непродольном профилировании по системе равных удалений: а - общий вид модели с системой наблюдения; б - разрез модели по оси У; в, г - сейсмограммы 2-г: в - для источников на линии ПВ-2 и приемников на ПП-3; г - для источников на линии ПВ-4 и приемников на ПП-4; д - сейсмограмма 1-х для источников на профиле ПП-2 и приемников на ПВ-2.

ного распространения ММП. Мощность этого слоя достигает 150 м и более. ММП характеризуются значениями скоростей, повышенными на 30 - 50%. Нижняя граница слоя находится на глубине около 300 м и может иметь плавное уменьшение скорости до значения в немерзлой породе. В этих районах наблюдается зона малых скоростей, которую ранее при физическом моделировании не удавалось реализовать из-за трудностей, связанных с изготовлением и применением материалов с малыми скоростями упругих волн и повышенными требованиями к мощности источника и чувствительности приемника. Реализовать модель с ЗМС удалось благодаря использованию полиэтилена, который обладает сравнительно низкими скоростями волн. Для листовой модели скорости имеют значения vP =1000 м/с и vs =550м/с. Полиэтилен обладает довольно существенным поглощением, декременты поглощения для продольной и поперечной волн примерно равны и составляют величину 0,35 в рабочем диапазоне частот.

Объемная модель ММП выполнена в виде выпуклой линзы с максимальной мощностью 110 м, расположенной на слое с постоянной мощностью. На этой модели исследовались изменения волнового поля, обусловленные неоднородностью слоя ММП в обоих направлениях, для чего проводилась регистрация по площадной системе наблюдения. Кроме анализа кинематических искажений, вносимых такой формой ММП. на волну, отраженную от целевой границы, рассматриваются волны отраженные от подошвы и кровли ММП с целью оценки введения поправок за слой ММП при построении временного разреза. Поскольку в такой модели отсутствуют помехи, связанные с поверхностной волной, то здесь эти волны хорошо выделяются. Влияние волны, отраженной от кровли линзы, проявляется на значительно большей площади, чем она занимает. Как показывают проведенные расчеты, это может приводить к тому, что введение поправок за слой ММП, имея только данные по профильной системе наблюдения для волн, отраженных от подошвы и кровли ММП, приводит к значительным ошибкам при построении временного разреза. Эти ошибки обусловлены недостаточностью данных по профилю для такой формы трехмерного строения ММП.

Двумерные модели со слоем ММП исследовались в порядке их усложнения. Эти модели по своим упругим параметрам были выполнены более приближенными к реальным разрезам, имели слой ЗМС и в верхней части имитировали ММП в виде выклинивающегося слоя, типа несквозного талика с плавными границами и сквозного талика, име-

- 16 -

ющего с одной стороны слой с резкой подошвой, а с другой - с градиентной.

На этих моделях исследовались искажения волнового поля, вызванные неоднородностью ВЧР, проходящей волны, для чего делалось просвечивание моделей под разными углами, и отраженных волн. Показано образование волны Р-Б-Р при прохождении слоя, интенсивность которой сравнивается с проходящей продольной волной при углах около 45. Проводился анализ по выделению волн, отраженных от границ ММП, на фоне интенсивной помехи, обусловленной поверхностной волной. При выборе определенного шага группирования и высокочастотной фильтрации поверхностную волну удается подавить и выделить отражения от кровли и от резкой границы подошвы ММП, а отражение от градиентной границы, как и ожидалось, не удалось проследить при заданном диапазоне частот.

В конце главы рассматривается влияние кривизны нижней границы высокоскоростного слоя на волны, отраженные от нижележащих границ. Показано, что в лучевом приближении при определенной кривизне высокоскоростного слоя даже при малом перепаде скоростей происходит полное экранирование участка нижележащей отражающей границы при любой системе наблюдения, расположенной на дневной поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданная аппаратура для ультразвукового моделирования позволяет исследовать волновые поля для сложных моделей сред, в том числе для сред со сложным строением ВЧР. Отличительной чертой данного комплекса является цифровая регистрация с записью на магнитную ленту, автоматическое сканирование приемника, оперативный контроль и управление от микро-ЭВМ. Это дало возможность по сравнению с ранее используемой аппаратурой проводить регистрацию с большей точностью, увеличить объем информации и поднять скорость проведения экспериментов. Такое расширение возможностей аппаратуры позволяет выйти на качественно новый уровень исследований и от наблюдений на отдельных профилях перейти к регистрации полей по системам с многократным перекрытием и произвольным системам наблюдения. Кроме того, архитектура комплекса позволяет заменить управляющую ЭВМ на более современную, что дает возможность проводить обработку по различным алгоритмам, в том числе

- 17 -

параллельно с проведением эксперимента.

Разработанные оригинальные пьезоэлектрические датчики выгодно отличаются от ранее применявшихся широкой полосой частот и позволяют проводить моделирование на более высоких частотах, что обеспечивает получение частотных закономерностей волновых полей. Эти датчики, заложенные в конструкцию с деухкомпонентной регистрацией, обеспечивают проведение исследований на всех типах волн с применением поляризационного анализа. Ранее информацию в таком полном объеме не было возможности получить.

Построение иерархии моделей с перебором параметров, на которых проводится исследование волновых полей, позволяет установить закономерности поведения волн, отраженных от целевых границ, в средах со сложным строением ВЧР и выявить основные виды помех. Впервые на экспериментальном материале для таких сред показано преимущество поперечных волн перед продольными в меньшем уровне помех и в меньшем уровне искажений при прохождении через ВЧР в условиях субвертикальных интрузий.

Как и следовало ожидать, обработка данных по способу ОГТ для блоковой структуры ВЧР без введения статических поправок не обеспечивает удовлетворительной прослеживаемости отражений. Стандартная обработка при автоматической коррекции статики приводит к появлению регулярных неоднородностей на временном разрезе, в частности, типа ложных выклиниваний. Введение априорных поправок даже при вертикальном ходе лучей в верхнем слое существенно улучшает временной разрез, хотя наблюдается некоторая амплитудная нестабильность и на отдельных участках отношение сигнал-помеха снижается до единицы. Все это дает основание настаивать на необходимости тщательного изучения ВЧР с целью введения поправок, учитывающих ее неоднородность.

Применение новых методических приемов моделирования дает возможность извлечь дополнительную информацию, имеющую важное значение при интерпретации получаемых данных. Сопоставление полей на твердой и твердожидкой модели позволяет выявить роль обменных волн для сложной блоковой структуры ВЧР, а регистрация на горизонтальных и вертикальных профилях во внутренних точках среды дает возможность выявить характер прохождения волны вблизи резких неоднородностей. Отсутствие такой информации приводило, например, к ошибочным выводам при интерпретации полевых данных ВСП для скважины, расположенной вблизи уступа на траппе.

- 18 -

Проведение исследований на объемной твердой модели, содержащей целевой объект, отражающие и преломляющие границы, позволяет проанализировать поведение различных типов волн, в том числе головных и отраженных обменных при регистрации на продольных и непродольных профилях. Применение алгоритма переноса поля, опробованного на данных, полученных в условиях кимберлитовой трубки, приближает профиль наблюдения к объекту и тем самым убирает негативные эффекты, связанные с дифракцией и расхождением волнового поля, что усиливает признаки выделения неконтрастной неоднородности, удаленной от профиля регистрации.

Полученные результаты исследования волновых полей применимы при постановке сейсморазведочных работ, обработке и интерпретации сейсмических данных при поисках месторождений углеводородов в условиях трапповых интрузий в ВЧР, например на Сибирской платформе, или при наличии высокоскоростного слоя, характерного для многолетнемерзлых пород в Западной Сибири, а также при поисках алмазов. Аппаратура и датчики для ультразвукового моделирования кроме сейсморазведки применимы в акустике, сейсмологии и других областях знаний, связанных с исследованием волновых полей.

Несомненно, исследования по сейсмическому моделированию волновых полей для структур со сложной ВЧР необходимо продолжить. Особенно для структур, имеющих блоковое строение с многослойными трапповыми интрузиями и дайками, и для структур, содержащих крутопадающие высокоскоростные слои. Важное значение приобретает моделирование сред, более приближенных к реальным: микронеоднородных, трещиноватых и анизотропных. Путем моделирования необходимо исследовать вопрос об использовании информации, даваемой преломленными волнами, с целью определения неоднородности ВЧР, поскольку для таких волн, в отличие от отраженных, разносится влияние ВЧР на область источника и профиля приема. Требуется дальнейшее исследование поверхностных волн. Поскольку высокая чувствительность этих волн к мощности верхнего слоя и скорости в нем дает возможность применять их для оценок строения самой верхней части разреза, например, для определения мощности траппа, перекрывающего кимберлитовую трубку. Безусловно, требуется дальнейшее совершенствование аппаратуры и датчиков с целью повышения быстродействия, чувствительности и расширения области рабочих частот, что позволит охватить более широкий круг исполь-

- 19 -

зуемых материалов, получить более компактные модели, что важно при моделировании. Все это заставляет по-новому подходить к изучению волновых полей в средах со сложным строением ВЧР.

Основные работы опубликованные по теме диссертации:

1. Программно-аппаратурный комплекс "ЭХО-1" для ультразвукового сейсмического моделирования: Методические рекомендации / Б.А.Бобров,Л.Д.Гик, Н.М.Держи, Ю.А.Орлов; Под ред. К.А.Лебедева. - Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1984. - 124 с.

2. A.c. 1290137 СССР, МКИ G Ol V 1/40. Ультразвуковой широкополосный датчик с регулируемой диаграммой направленности / Б.А.Бобров, Л.Д.Гик, Ю.А.Орлов. (СССР). -5с.: ил.

3. Орлов Ю.А., Гик Л.Д.. Пузырев H.H. Лабораторное сейсмо-моделирование применительно к условиям Сибирской платформы // Моделирование задач сейсморазведки: Сб.науч.тр./ Институт геологии и геофизики СО АН СССР. Новосибирск, - 1988. - С. 5-60.

4. Орлов Ю.А, Гик Л.Д., Бобров Б.А., Колобова С.Е. Моделирование: влияния кимберлитовой трубки на сейсмическое волновое поле // Геология и геофизика. - 1983.- N 3. С.95-102.

5. Бобров Б.А., Гарин В.П., Гик Л.Д., Держи Н.М., Колобова С.Е., Орлов Ю.А. Сравнение методов обработки по данным сейсмического моделирования // Разведочная геофизика,- М: Недра.-1986.- Вып. 103.- С. 10-14.

6. Бобров Б.А., Гик Л.Д., Орлов Ю.А. Опыт моделирования задач многоволновой сейсморазведки средствами ультразвукового физического моделирования // Многоволновая сейсморазведка: Тез. докл. Всесоюз.совещания. 3-6 сентября 1985. - Новосибирск,-1985.- С.132-133.

7. Гик Л.Д., Орлов Ю.А., Белов Е.В. Изучение влияния тре-щиноватости горных пород на сейсмическое волновое поле с помощью управляемой объемной модели // Упругие волны в гиротропных и анизотропных средах: Сб. науч. тр. / Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО РАН. - Новосибирск: Наука. -1993.- С. 198-206.

8. A.c. 853559 СССР, МКИ G Ol R 13/02. Цифровой стробоскопический преобразователь электрических сигналов / Н.М.Держи, Ю.А.Орлов (СССР). - 3 е.: ил.