Поглощение и рассеяние волн

История.

Первые исследования в области сейсморазведки проведены Геттенгейским геофизическим институтом в германии. Минтроп регистрировал волны, возникающие при падении на землю железного шара массой 4т. Одна из записей полученных им в 1908г. напоминает запись землятресения, на записи наблюдается резкий начальный импульс и ряд последующих волновых цугов. Тогда он еще не понимал, что волновые цуги, наблюдавшиеся на первых записях, являются отраженными, преломленными и др. волнами от известняка залегающего под ним. Опыты Минтропа были первой попыткой использования слабых искусственных землетрясений. В дальнейшем он попытался провести изучение глубинного тектонического строения сейсмическим методом, используя взрывы небольшой мощности. В 1921 г. он основал первую в мире геофизическую компанию Сейсмогамбург. В течении многих лет Сейсмогамбург была крупнейшей в мире компанией, однако в своей работе они использовали только преломленные волны. Они не нашли практического применения методу отраженных волн, который был изобретен и в дальнейшем изучен в США. В настоящее время метод отраженных волн является самым используемым в мире методом.

Как известно все упругие волны делятся на продольные и поперечные.

Упругие волны- это механические возмущения распространяющиеся в упругой среде. Волны в которых колебания происходят вдоль направления распространения называются- продольными. Волны в которых колебания происходят перпендикулярно направлению называются- поперечными.

В продольных волнах деформация слоев среды состоит в изменении плотности, следовательно продольные волны представляют собой чередующиеся уплотнения и разрежения. В поперечных волнах происходит сдвиг слоев перпендикулярно направлению распространения.

Известно, что упругие силы при сдвиге слоев возникают только в твердых телах, в жидкостях и газах смежные слои свободно скользят друг по другу без проявления противодействующих сил. Если нет упругих сил то и образование упругих волн в жидкостях и газах невозможно. Поэтому упругие поперечные волны могут распространятся только в твердых телах. Изучение с помощью сейсморазведки земной коры возможна в той степени в какой слагающие ее породы различаются упругими свойствами.

Горные породы являются сложными образованиями с разнообразными характеристиками: пористостью, трещиноватостью, слоистостью, плотностью и т.д. Реальные породы далеки от тех идеальных моделей сплошных упругих сред, для которых построена классическая теория распространения сейсмических волн. Тем не менее основные методы этой теории согласуются с волновыми полями наблюдаемыми во всех видах пород. Согласно теории упругости, скорости сейсмических волн зависят не только от плотности среды, но и в большей степени от модулей ее упругости: Е- модуль Юнга; Е,- модуль Пуассона. Эти параметры напрямую зависят от литологического состава, пористости, плотности, трещиноватости и т.д. Влияние плотности на изменение скоростей не велико, т.к. у большинства горных пород диапазон изменения плотности колеблется от 1,4 г/см³ до 3г/см³ . из формул теорий упругого поля следует, что между скоростью распространения сейсмической волны и плотностью среды существует обратная зависимость. Однако фактически для большинства горных пород с увеличением плотности увеличиваются и скорости продольных и поперечных волн, здесь нет противоречия. Дело в том что с увеличением плотности еще быстрее возрастает модуль Юнга (Е)

 

Пределы измерения скоростей сейсмических волн:

А ) кристаллические породы: гранит, гнейс, диабаз, габбро, диарит. U_р – от 5-7 км/сек; U_s – от 0,5-1,5 км/сек.

 

Б) осадочные породы:

- сцементированные: ангидрит, известняк, каменная соль, кремневый песчаник. U_р – от 3-5 км/сек; U_s – от 0-1 км/сек.

- рыхлые породы: глины, суглинки, пески, алевролит. U_р –от 0,5-2,5 км/сек; U_s – от 0 км/сек.

 

Из этих данных видно, что У (отношении скоростей) может находится в интервале от 0 до 7. У= U_р/ U_s

Породы одного литологического состава могут отличатся по сейсмическим скоростям из-за своей внутренней структуры. Очень важным фактором для величин скоростей является степень пористости. Эта зависимость наиболее выражена в тиррегентных отложениях у которых пористость может достигать 30-40%.

Для тиррегентных пород U_р оценивается приблеженной имперической формулы известные как уравнение среднего времени

 

Uф- скорость во флюиде:

Uт- скорость в твердой фазе;

K_n – коэффициент пористости.

 

Зависимость U_р от K_n имеет экспоненциальный характер.

 

Наибольшее падение U от 0 до 10% при условии, что заполнен газом.

Наличие во влагонасыщенных породах газа приводит к общему уменьшению упругости горных пород и соответственно U_р. При полном насыщении пород водой происходит скачкообразное увеличение U_р.

Для осадочных пород характерно увеличение U_р с глубиной из-за роста горного давления. Возрастание скоростей с глубиной наиболее выражена у тиррегентных пород, в карбонатных отложениях- это свойство проявляется намного слабее, а у хемогенных пород она практически незаметна.

Зоны тектонических нарушений характеризуется значительным уменьшением сейсмических скоростей, которые могут достигать 30-40% и более. Обычно этот эффект сильнее выражен для поперечных волн, поэтому отношение скоростей имеет пониженное значение. В нефтяных залежах U_р составляет приблизительно 1550-1700 м/с. При газонасыщении нефти U_р может уменьшится до 700-800 м/с.

 

Сейсмические границы.

Сейсмические границы- это поверхность раздела геологических сред, различающихся своими упругими свойствами. В образовании сейсмических границ основную роль играет изменение скоростных параметров горных пород. Колебание плотности и поглощающих свойств имеют подчиненное значение.

Обычно сейсморазведка средних и больших глубин выполняется как правило методом отраженных волн, изучая отражающие границы преимущественно на продольных волнах. Отражающая граница - это поверхность раздела сред, отличающаяся величиной акустической жесткости, которая равна произведению плотности пород на скорость в ней.

При распространении упругой волны в горной породе в любой момент времени, существует поверхность, разделяющая возмущенную и невозмущенную области- фронта волны. Иными словами фронт волны разделяет область, где сейсмические колебания начались и область куда они в данный момент еще не пришли.

Продольные и поперечные волны в одной и той же среде распространяются с разными скоростями. Значение U_р и U_s определяют по формулам.

 

U_р =

U_s =

где - модуль сдвига;

- модуль сжатия;

- величина внешней нагрузки.

 

Многолетние работы в различных регионах показали, что наблюдаемую на сейсмограммах волновую картину нельзя объяснить простым отражением от границ между слоями. Установлено, что в большинстве случаев волны на сейсмограмме образовались в результате интерференции элементарных отражений следовательно понятие сейсмические границы являются не столь простым, а ее прослеживание по отраженным волнам, сопоставлении с геологической границей оказывается не столь однозначным. В отдельных случаях сейсмические границы совпадают с литологическими. Бывает, что изменение упругих свойств горных пород связаны с перерывами в осадконакоплении, размывами, эрозионными срезами, поэтому в осадочном разрезе некоторые отражающие границы являются по сути стратолитологическими границами. Отражающие границы характеризуются рядом свойств:

-резкостью;

-интенсивностью;

-устойчивостью.

Резкость границы определяется расстоянием, на котором происходит изменение упругих свойств среды.

При скачкообразном изменении сейсмической жесткости, границу называют резкой. Обычно резкими бывают границы пород с разной литологией. При постепенном изменении сейсмической жесткости границу называют не резкой или градиентной. Примером такой границы может быть подошва коры выветривания кристаллических пород. В случае резкой границы U_р изменяется в разы, в случае градиентной границы U_р изменяется на какую то величину.

Интенсивность границы определяется величиной ее коэффициента отражения А. Условно разделяют сильные отражающие границы (А>0,3) и слабые (А<0,3), а также средние, занимающие промежуточное положение.

Устойчивость границы заключается в пространственной стабильности ее свойств благодаря чему отраженная волна сохраняет свои характеристики. Это важно для прослеживания волны на всей площади исследования, что обеспечивает корректность сейсмических построений.

В тиррегенных отложениях континентальной формации, которые отличаются нестабильностью осадконакопления, границы даже литологически однородных слоев обычно не устойчивы. В противоположность им условия на морских шельфах при длительном и постоянном по времени формировании тиррегенных и карбонатных отложений оказываются очень стабильными, благодаря чему создаются устойчивые и часто интенсивные отражающие границы.

 

Преломляющая граница возникает в том случае, если в разрезе перекрывающей толщи отсутствуют интервалы с более высокой скоростью распространения упругой волны. Наиболее известной преломляющей границей, изученной во многих регионах, является кровля кристаллического фундамента, залегающего под осадочным чехлом. В самом осадочном чехле преломляющей границей может быть кровля толщи известняков, перекрытая менее скоростными песчано –глинистыми отложениями. В самой верхней части разреза преломляющей границей служит уровень грунтовых вод.

Образование преломленной волны зависит только от скоростных свойств среды и не зависит от плотности пород.

Преломляющие границы также можно характеризовать степенью резкости, устойчивости и интенсивности. Интенсивность в данном случае определяется относительным скачком скорости на границе. Когда скорость увеличивается вдвое и более, граница считается сильной. Геометрическая и петрофизическая шероховатости сказываются на преломленной волне значительно слабее чем на отраженной. В отдельных случаях это дает МПВ определенные преимущества перед МОВ.

 

Поглощение и рассеяние волн.

Поглощающие свойства горных пород определяются прежде всего степенью их монолитности при слабом влиянии минерального состава и текстуры. В целом породы с большей скоростью характеризуются меньшим поглощением т.е. между этими свойствами существует обратная пропорция. Величины коэффициентов поглощения меняются в очень широких пределах, различаясь иногда в сотни раз, в то время как скорости распространения сейсмических волн различаются в разы, реже в десятки раз.

Поглощение сильно зависит от присутствия газовой фазы в поровом пространстве породы. По этой причине в нефтегазоносных пластах, а также в газовой шапке наблюдается повышенное поглощение энергии упругих волн.

Помимо фактора поглощения, ослабление сейсмических волн объясняется процессом рассеяния.

 

Верхняя часть разреза.

В сейсмологическом разрезе выделяют верхнюю часть разреза (ВЧР), которая отличается значительной изменчивостью упругих свойств слагающих ее пород и наименьшими значениями скоростей U_р и U_s, а также повышенным поглощением сейсмических волн.

Верхний слой ВЧР, образованный наименее сцементированными породами обычно называют зоной малых скоростей (ЗМС). Если ЗМС= 20-30м и более, то в ее нижней части выделяют зону пониженных скоростей (ЗПС). В наиболее рыхлых и сухих песчано-глинистых породах ЗМС

U_р = 0,2-0,5 км/с

U_s = 0,1-0,3 км/с

У= ,4-0,6

При переходе от сухих пород к водонасыщенным величина U_р резко возрастает до 0,7-1,5 км/с, тогда как значения U_s увеличивается плавно. Поэтому У резко уменьшается до 0,15-0,2. Характеристика У применяется для определения типа пород. Например в карбонатных породах У в среднем меньше чем в тиррегенных. А переход от сухих пород к водонасыщенным сопровождается уменьшением У до очень малых значений.