Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Лекция 7 Сейсморазведка (часть 1)

Введение Сейморазведка- геофизический метод исследования земной коры, поисков и разведки полезных ископаемых, основанный на изучении характера распространения упругих волн. Источники возбуждения упругих волн: - взрывы, - невзрывные источники (вибраторы, кувалда, естественные шумы, - землетрясения. Горные породы обладают различными скоростями распространения упругих волн и плотностями: это вызывает формирование на границах слоев и отдельных тел отраженных, преломленных и обменных волн. Сейсморазведка основана на изучении: - кинематики волн – времени пробега волны от источника до приемника; - динамики волн – интенсивности, формы, частоты, длительности колебаний. Методика и техника с/р предназначены для возбуждения упругих кол-й, улавливание кол-й УВ, преобразование УВ в энергетические импульсы, их усиление и фиксация на сейсмограммах. Обработка сейсмограмм – выделение различных типов волн, опр-е времени их прихода. Количественная интерпретация – расчет скорости распространения УВ и их изменения в разрезе и объеме; оценка глубины сейсмических границ, их падения и простирания; построение сейсмогеологического разреза ( с использованием геологических данных).

Методы сейсморазведки Выделяется 3 основных метода сейсморазведки: - метод преломленных волн (МПВ); - метод отраженных волн (МОВ); - метод проходящих волн. В этих видах, в зависимости от особенностей методики, обработки и источников возбуждения УВ можно выделить ряд видов (например, МОВ-ОГТ, МОВЗ и др.). По решаемым задачам выделюется: - глубинная с/р; - нефтегазовая с/р; - рудная с/р; - инженерно-геологическая с/р. По условиям проведения выделяются: - наземная с/р; - морская с/р; - скважинная с/р; - подземная с/р.

Физико- геологические основы сейсморазведки Упругие модули. Геологические среды в первом приближении можно считать упругими. Абсолютно-упругое тело – тело, которое после прекращения действия приложенной силы восстанавливает первоначальные форму и объем. Деформация – изменение формы, объема, размеров тела под действием сил. Основные деформации – растяжения и сдвига. а) Если к концу закрепленного тела приложить растягивающую силу F то по закону Гука относительная деформация будет обратно пропорциональна F/S - напряжению: где: l-длина тела, l-изменение длины, S-площ. попер. сечен., E- модуль Юнга. а) б) S S

Коэффициент Пуассона выражает отношение поперечной деформации к продольной, где: r – ширина тела до деформации; r – изменение ширины тела в результате деформации. Модуль сдвига – коэффициент пропорциональности между приложенным к телу касательным напряжением T и углом сдвига. Имеется связь между этими модулями. Физико-геологические основы сейсморазведки

Продольные, поперечные, поверхностные волны Волна движется с определенной скоростью – сейсмическая скорость – V (км/с). Число гребней (прогибов), проходящих через фиксированную точку в одну секунду – частота – f (гц). Продольные и поперечные волны можно представить, толкая пружину или качая веревку за их конец. Длина волны ( – повторяющееся расстояние между гребнями или прогибами, Амплитуда волны – максимальное отклонение от стационарной позиции.

Продольные, поперечные, поверхностные волны Скорости Vp и Vs выражаются через модули: Vp > Vs. Величина Vs/Vp изменяется у различных типов пород от 0.3 до 0.6. Для плотных пород Vs/Vp= Продольные и поперечные волны распространяются от источника к приемнику через весь объем породы – объемные волны. Поверхностные волны – формируются вблизи от пов-й раздела с резким изменением упругих св-в (например, земной поверхности. Волна Лява возникает, когда на земной пов-ти располагается слой с пониженной скоростью Vs 1 по сравнению с подстилающей Vs 2.

Волна движется с определенной скоростью – сейсмическая скорость V Число гребней или прогибов, проходящих через фиксированную точку в 1 секунду – частота (гц) - f Импульс очень короткая серия волн (самый простой случай – один гребень и один прогиб). Могут создаваться взрывами. Часто возбуждение колебаний – в скважинах. Быстрое расширение – создает сжатие, которое распространяется во все стороны. Точки среды возвращаются в исходное положение – растяжение. Сжатие имеет сферическую форму - волновой фронт.

Основные положения геометрической оптики Распространение упругих волн в горных породах базируется на принципах геометрической оптики. Фронт волны- поверхность, ограничивающая области, где среда деформирована под воздействием упругой волны и область, куда волна еще не дошла. Вблизи от источника фронт близок по форме к сфере. На удалении его можно считать плоским. Сейсмический луч – линия, перпендикулярная фронту. Фронт волны Луч

Принципы Гюйгенса и Ферма. Закономерности распространения УВ в горных породах устанавливаются из принципов геометрической оптики – Гюйгенса и Ферма. Принцип Гюйгенса: каждую точку фронта волны можно рассматривать как самостоятельный источник колебаний. Т.е. по фронту волны в некоторый момент можно построить его положение в любой другой момент- как огибающую элементарных сферических фронтов с центрами на исходном фронте. Принцип Ферма: волна распространяется между двумя точками по такому пути, который требует наименьшего времени для его прохождения. Отсюда следует прямолинейность распространения лучей в изотропной среде с постоянной скоростью.

Принцип суперпозиции, принцип взаимности Принцип суперпозиции: при интерференции (наложении) нескольких упругих волн, их распространение можно изучать независимо для каждой волны. Принцип взаимности: если поменять местами источник и приемник, то время прихода сигнала, форма лучей и характер колебаний частиц геологической среды не изменятся.

Законы отражения и преломления Из принципа Ферма вытекают законы: Закон отражения Если луч – в одной среде (V 1 ), то Угол падения равен углу отражения. Закон преломления. угол падения, угол преломления.

Волны, используемые в сейсморазведке P 1 - прямая (падающая волна). При попадании продольной волны на границу, она будет отражаться и преломляться, создавая 4 типа вторичных волн: Верхняя среда P 11 - продольная отраженная волна P 1 S 1 - поперечная отраженная волна волна. Нижняя среда P 12 - продольная проходящая волна P 1 S 2 - поперечная проходящая волна Волны, не меняющие свой тип на границе – монотипные (P 11, P 12 ). Волны, меняющие свой тип на границе – обменные (P 1 S 1, P 1 S 2 ).

Типы волн Отраженные волны (ОВ). «Акустическая жесткость= V» - необходимое условие формирования ОВ. Коэф. Отражения - сильные акуст. границы – А рр >0.5 - средние акуст. границы - 0.1

Измерения сейсмических волн. Сейсмографы и геофоны. а) При смещении поверхности Земли влево – рама сместится влево – грузик в силу инерции останется на месте – индикатор покажет смещение. б) При смещении поверхности Земли в вертикальном измерении – рама сместится вверх - индикатор на грузике покажет вертикальное смещение.

Сейсмографы и геофоны. Реальные инструменты – компактнее. Обычно – магнит помещенный в катушку. Сейсмограф используется в глобальной сейсмологии и предназначен для измерения очень слабых сигналов. Сейсмограф может зафиксировать движение человека в километре от прибора. Геофоны – используются в сейсморазведке – компактнее, но менее чувствительны. Сейсмограф и геофон – сейсмоприемник. Для получения полной информации о движении волны используются 3 приемника (иногда компануются в один прибор). Обеспечивается измерение вертикальной и двух горизонтальных компонент смещений поверхности Земли.

Определение путей луча Луч, попадая на границу, согласно законам физики меняет свое направление. Это явление называется рефракцией. Форма волнового фронта на скоростной границе искажается.

Продольные и поперечные волны Т.к. P и S волны по разному деформируют породы скорость их прохождения различна. P – волны приходят раньше S волн. Т.к. жидкие среды могут принимать любую форму –они не сопротивляются поперечным деформациям - S волны не проходят. P и S волны создаются большинством сейсмических источников. Кроме того, они создаются в результате «волновой конверсии. P волны – отражаются и преломляются, S волны – отражаются и преломляются отраженные преломленные

Трассы лучей в Земле Лучи названы по пути, который они проходят и по типу (P и S). P-луч в коре и мантии PcP; луч в коре и мантии, тип которого изменился с P на S на границе ядра в мантии – PcS. Луч, продольной волны, проходящий через ядро – PKP. Сигнал проходит через ядро за 20 мин. Анализ всех типов волн – является основой сейсмологической модели Земли.

Сейсмическая томография Томография – базовый метод изучения внутреннего строения (как Земли, так и человека). Пример. Пусть лучи имеют одинаковую протяженность. Время прихода волн по трассам: AA 1, BB 1, CC 1, HH 1 - одинаково (стандарт). Время прихода волн по трассам: DD 1, EE 1, FF 1, GG 1 - 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.

Примеры сейсмотомографических разрезов Томография очень важна, так как может фиксировать вариации сейсмических скоростей, латеральные или вертикальные, которые не разделяются контрастными сейсмическими границами. Томографические разрезы ОД Тонга-Кермадек показывают, что субдуцирующая плита (слэб) проявляется как зона повышенных скоростей, т.к. ее температура ниже, чем у окружающих мантийных образований. Плита изгибается на границе верхней и нижней мантии (660 км).