Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Метод преломленных волн

Формирование отраженных и преломленных волн на границе двух сред,
Двухслойная среда со скоростями V1 < V2,
φ−угол наклона границы
Прямая и преломленная волны
Прямая и отраженная волны
Прямая, отраженная и преломленная волны

Годографы отраженных и преломленных волн
Двухслойная среда со скоростями V1 < V2
Критический угол i достигается в точке R, где
sini=V1/V2
Луч скользит со скоростью V2 вдоль границы сред, формируя головную преломленную волну.
Лучи головной преломленной волны – параллельны и т.о. фронт волны – плоский.
Отраженная волна (как и прямая волна)– сферическая. Ее скорость - V1. В точку R отраженная и преломленная волна приходят вместе. Далее, в связи с тем что преломленная волна движется со скоростью V2 > V1 преломленная волна опережает отраженную.

Уравнение годографа головной преломленной волны
Двухслойная среда: скорости V1 < V2
S (xn,tn)-первая точка выхода преломленной волны, ε−угол выхода волны. Так как все лучи параллельны ε=const; Vk=Δx/Δt =const
Vk- кажущаяся скорость.
Годограф преломленной волны – прямолинейный. Начинается в точке S (xn,tn); tgα=Δt/Δx=1/Vk
Найдем уравнение годографа.
По восстанию пласта:
Найдем tnB и xnB. После преобразований:
(+) – по восстанию пласта
(-) – по падению пласта
Преломленная волна приходит раньше ОВ и, на некотором удалении от ПВ раньше прямой волны. Поэтому МПВ велись методом первых вступлений.

Некоторые особенности преломленных волн
На разрезах выделяется 5-7 преломляющих границ, каждая из которых может быть охарактеризована одним годографом. Строится серия годографов преломленных волн.
Особенность МПВ – прослеживание границ на тем больших расстояниях от источника возбуждения, чем глубже эта граница залегает.
В первом приближении уравнение годографа для двухслойной среды справедливо и для многослойной, если под V1 понимать Vср в покрывающей среде.
В МПВ помимо преломленных волн наблюдаются рефрагированные волны если Vp возрастает с глубиной (например, в связи с увеличением давления).
Распознавание типа волны – большая проблема. Решение - анализ нагоняющих годографов: у преломленных волн они параллельны; у рефрагированных с удалением от источника годографы сближаются.

Системы наблюдений
МПВ
Так как вблизи от источника преломленные волны не наблюдаются, то ближайший СП устанавливается на расстоянии, сопоставимом с предполагаемой глубиной залегания преломляющей границы.
Уверенная интерпретация МПВ возможна лишь тогда, когда по линии профиля можно построить как минимум 2 годографа, полученных из разных источников возбуждения: встречных или нагоняющих.
Так как нагоняющие годографы от одной границы параллельны, то по ним строятся сводные годографы путем параллельных смещений.
Обычно применяются полные системы наблюдений, обеспечивающие прослеживание всех преломленных волн вдоль профиля наблюдений. Применяются системы непрерывного профилирования: через один, два, три интервала.

Интерпретация данных МПВ
Интерпретация сводится к определению:
H– глубина залег. преломл. границы;
ϕ − угол наклона преломл. границы;
Vг=V2 граничная скорость в преломляющем слое
Vэф в перекрывающей среде получают по данным сейсмокаратажа или МОВ.
Надежно интерпретируются только встречные годографы.

Определение скорости по встречным годографам
Пусть имеются два годографа преломленных волн:
Vср и Vг = const;
Vг (V2)>Vср
Определим Vг по разностному годографу:
t1(x)-время прихода Пр.волны в точку x по первому годографу (от ист-ка O1);
t2(x)-время прихода Пр.волны в точку x по второму годографу (от ист-ка O2);
T – время во взаимных точках (т.е. по трассе (O1ABO2) и наоборот.

Общая схема обработки сейсмических материалов МОВ
1. Изучение скоростей УВ – интерпретация годографов.
2. Выделение из волновой картины полезных сигналов без искажений и подавление помех (фильтрация).
3. Для определения истинного положения преломляющих границ необходимо учесть сейсмический снос преломленных волн, т.е. поместить полезные волны на те участки геологической среды, где они образовались. Эта операция наз-ся «миграция».
4. При возбуждении и распространении волн, а также при выполнении операций по ослаблению помех происходит понижение и сужение полосы частот. Операции повышения разрешенности сейсмических записей повышают детальность разреза.
5. Расчет акустической жесткости среды по амплитудам преломленных и дифрагированных волн-построение детального акустического разреза среды.

Применение метода преломленных волн
Метод преломленных волн широко используется при изучении верхней части геологического разреза (ВЧР) для определения глубины залегания, рельефа и разрывных нарушений фундамента, обнаружения соляных куполов, а также оценки мощности и упругих свойств глубинных уровней земной коры.
Сейсморазведка МПВ начала применяться в геологии с 20-х годов XX столетия. Результаты МПВ обычно представляются в виде толстослоистой модели упругих свойств: сейсмических разрезов, на которых изображаются преломляющие границы и приводятся значения граничных (пластовых) скоростей. Результаты обработки пока представляются с использованием главным образом кинематических параметров волн.
Применение МОВ началось позднее МПВ. Быстрое развитие метода привело к использованию в обработке не только кинематических, но и динамических свойств волн, что ведет к повышению его эффективности. Объемы работ МОВ в десятки раз превышают объемы МПВ.

Операции обработки сейсмических записей преломленных волн.
При любой обработке сейсмических записей используются кинематические (времена прихода) и динамические (форма импульса) свойства волн. В процессе миграции формируется динамическое изображение преломляющей границы с учетом сейсмческого сноса и увеличивается его кинематическое отличие от прочих волн. Происходит построение волнового изображения преломляющей границы любой конфигурации. Мигрированный разрез МПВ более низкочастотный в сравнении с МОВ.
Временной разрез МПВ до миграции (а) и после миграции (б).

Сейсмические разрезы в транзитной зоне суша-море
Работы направлены на поиски нефти и газа на шельфе. По временному разрезу МОВ (а) опр-ся положение отражающих границ, и V в покрывающей среде; амплитуды волн х-ют коэффициенты отражения и по ним можно опр-ть изменение акустической жесткости.
В МПВ (б) опр-ся положение преломляющих границ и граничные скорости; амплитуды волн на границах х-ют коэффициенты преломления- по ним можно опр-ть изменение акустической жесткости.

Методика ГСЗ-МОВЗ
Полевые наблюдения осуществлялись по методике точечного профилирования при регистрации трех компонент смещения почвы. Шаг между пунктами наблюдений составлял от 5 до 15 км, расстояние между пунктами взрыва 40-120 км. При отработке профилей ГСЗ произведено большое число малых взрывов, а также средние и попутные взрывы большой мощности, в том числе - ядерные.
При отработке профиля «Кварц» (Мурманск-Кызыл) были выполнены три атомных и 80 химических взрывов. Максимальная дистанция наблюдения 3150 км соответствовала глубине проникновения рефрагированных волн около 700 км. Сейсмические разрезы составлялись методом математического моделирования: при решении прямой задачи осуществлялось до 6-7 переборов различных вариантов

Вдоль профилей регистрируются :
преломленные волны,
закритические ОВ,
обменные волны.
Скоростная модель земной коры по данным ГСЗ представляется в виде системы блоков (доменов) толщиной 4-15 км и горизонтальной протяженностью 40-100 км, разделяемых субгоризонтальными, вертикальными и в некоторых случаях наклонными границами. Общей особенностью разрезов ГСЗ является малая детальность расчленения верхней толщи земной коры мощностью 10- 15 км.

Типовая модель радиальной расслоенности земной коры
Увеличение скорости Vp с глубиной от 2,5 до 5,5 км/с в осадочном чехле и от 6,0 до 7,2 км/c в консолидированной земной коре.
«Нормальная» структура расслоенности блоков земной коры:
- осадочно-вулканогенный слой (Vp - от 2,5 до 5,5 км/с );
- верхнекоровый мегаслоя (Vp - от 6,0 до 6,4 км/с)
- среднекоровый мегаслой (Vp=6,5-6,6 км/с;
- нижнекоровый мегаслой (Vp=6,7-7,2 км/с).
Регионально прослеживаемые границы:
F0 – подошва осадочно-вулканогенного слоя;
K1 - подошва верхнекорового гранитно-метаморфического мегаслоя;
K2 - подошва среднекорового мегаслоя;
M- подошва коры (гр. Мохо)

Изучение глубинного строения земной коры
вдоль геотраверсов
В последние годы при обработке преломленных волн вдоль региональных профилей помимо кинематических строятся динамические разрезы.

Изучение глубинного строения земной коры
вдоль геотраверсов
Фрагменты сейсмических разрезов по профилю 2-АР (Карское море).
а) по миграции преломленных волн от поверхности фундамента;
б) по материалам МОВ-ОГТ.
Наибольший интерес представляет верхняя – осадочная часть разреза.

По данным МПВ могут быть построены сейсмотомографические разрезы, позволяющие оценить строение глубинных горизонтов земной коры.

Томография – базовый метод изучения внутреннего строения (как Земли, так и человека).
Для изучения «внутреннего строения» (томографии) Земли используются «рефрагированные волны».
Рефрагированные волны формируются в реальных условиях Земли, когда мы имеем расслоенную среду с нарастанием скорости с глубиной. Трасса прохождения лучей будет выполаживаться.
В зависимости от базы наблюдений (расстояние источник УВ- приемник) мы получаем набор разноглубинных зондов
Сейсмическая томография

Структура расслоенности Земли установлена по сейсмологическим данным.
Земная кора – Vp = 2.3- 7.2 км/сек. На границе Мохо – резкий скачек до 7.8-8.4 км/сек.
Граница Голицина – 400 км. М – резко увеличивается. Объясняется фазовым переходом доминирующих минералов (оливин, пироксен) в более компактную форму (аналогично переходу графита в алмаз).Область 400-600 км переходная зона верхней мантии.
Граница 660 км-разделяет верхнюю и нижнюю мантию. Предполагается фазовый переход минералов. Возможен небольшой вещественный переход.
Ниже 660 км Vp и Vs плавно увеличиваются за исключением нижних 200 км (слой D). Он выделяется как более высокой температурой, так и несколько отличным составом.
2700 км- граница ядра. Ядро делится на внешнее и внутреннее.
Сейсмическая модель Земли.

Изучение скоростных неоднородностей Земли на заданном глубинном уровне
Пример. Пусть лучи имеют одинаковую протяженность. Время прихода волн по трассам: AA1, BB1, CC1, HH1- одинаково (стандарт).
Время прихода волн по трассам: DD1, EE1, FF1, GG1- увеличено (уменьшено) по отношению к стандарту.
Различия во времени прихода по отношению к стандарту таких волн – первые проценты при нижней точке луча –несколько сотен км.
В нижней мантии изменения Vp и Vs - менее 1%. У Vs различия больше чем у Vp.