Примеры применения сейсмических методов разведки в решении реальных геологических задач

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Геолого-географический факультет

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

на тему: Примеры применения сейсмических методов разведки в решении реальных геологических задач

Выполнил:

А.Г. Разумов

Томск, 2011 год

Содержание

1. Историческая справка

2. Общие сведения

3. Методы сейсморазведки

4. Применение сейсмических методов

4.1 Глубинные исследования земной коры

4.2 Поисковые работы

4.3 Угольная и рудная сейсморазведка

Список литературы

1. Историческая справка

Уже в 100 г. н. э., у китайцев был прибор для определения толчков земли - возможно, это был первый сейсмоприемник!

В 1829 году в Париже, в Трудах Парижской Академии Наук появилась статья Пуассона, посвященная применению волнового уравнения для описания распространения упругих волн в твердых средах. Эта статья оказалась основополагающей для описания всей акустики твердых сред и основного направления ее - сейсморазведки. Решив волновое уравнение для двух граничных условий, Пуассон получил выражения для описания продольных и поперечных упругих колебаний.

Собственно, идея сейсморазведки возникла очень давно. О том, как используют звуковую локацию летучие мыши и дельфины, было известно, и использование этого принципа также и в твердых средах казалось очевидным еще где-то в XVII веке. Пуассон только формализовал эту идею.

Будучи математиком высочайшего класса, Пуассон был к тому же методологически грамотным ученым. Он понимал, что полученное им математическое описание поля упругих колебаний является гипотетическим, поскольку в то время акустические измерения осуществлять было еще нечем, и нельзя было и помыслить о какой-либо проверке. Чтобы стать теорией, гипотеза должна быть подтверждена экспериментом. По этой причине вышеупомянутая статья не вошла в его двухтомник по теоретической механике, который увидел свет в 1831 году.

В 1909 году профессор Загребского университета, геофизик Мохоровичич объявил о том, что ему удалось средствами сейсморазведки обнаружить на глубине в несколько десятков километров границу между породами мантии и коры Земли. Эту границу назвали поверхностью Мохоровичича. Следом за Мохоровичичем австрийский геофизик Конрад сделал открытие, согласно которому на глубине от 10 до 70 км. существует граница между гранитом и базальтом. Затем, уже после этого было объявлено, что средствами сейсморазведки обнаружено, что мощность коры под океанами меньше, чем под материками. А также, что ядро Земли находится в жидком состоянии.

Впервые взрывчатые материалы были использованы для оконтуривания подповерхностных структур в 1920-30-х в южных штатах США и в Южной Америке. Применяемые методики развивались в последующие 20 лет (или около того) довольно медленно, пока в 1950-х годах не была изобретена запись на ленту, а также до появления цифровой компьютерной обработки в 1960-х.

С начала 1960-х годов сейсмические данные стали регистрироваться и обрабатываться в цифровом формате.

2. Общие сведения

Сейсморазведка основана на изучении распространения в горных породах искусственно возбуждаемых упругих волн. Вызванные взрывом, ром или вибрацией сейсмического источника, упругие колебания распространяются во все стороны и проходят в толщу земной коры. Здесь они претерпевают преломление и отражение на границах горных пород с различными упругими свойствами и частично возвращаются к земной поверхности, где во множестве точек наблюдения регистрируются высокоточной аппаратурой. По записям этих волн строят сейсмические изображения геологических объектов, что позволяет определить их глубины и формы, а также прогнозировать их литологический состав.

Благодаря своим возможностям сейсморазведка играет ключевую роль в региональных исследованиях земной коры, особенно - в исследовании мощных осадочных толщ. Чрезвычайно велико значение метода при поисках и разведке месторождений нефти и газа, как на суше, так и на море. Сейсморазведку применяют для поисков углей и многих нерудных полезных ископаемых, а также для решения геологических, инженерно-геологических и геоэкологических задач. Все более активно она участвует в решении задач рудной геологии, изучающей сложные комплексы кристаллических пород.

В настоящее время преобладающую часть геофизической информации о строении земных недр получают с помощью отраженных волн. По этой причине метод отраженных волн (МОВ) является основным, хотя практическая сейсморазведка начиналась с метода преломленных волн (МПВ). На рис. 1 приведена условная схема полевых сейсмических наблюдений. На ней показаны траектории некоторых волн (прямых, проходящих, преломленных, отраженных), возбуждаемых взрывом заряда в неглубокой скважине и принимаемых на поверхности в ряде точек с помощью сейсмоприемников, подключенных через канальный кабель к мобильной сейсмостанции, осуществляющей запись колебаний.

О важной роли сейсмических работ в разведке на нефть свидетельствует ее обширное применение. При выборе мест для заложения разведочных нефтяных скважин почти все нефтяные фирмы опираются на результаты интерпретации сейсморазведочных данных. Несмотря на то что этот метод является не прямым, а косвенным - в большинстве случаев результаты сейсморазведочных работ позволяют обнаружить геологические структуры, а не найти нефть непосредственно. Точно так же велика роль сейсмических методов в поисках грунтовых вод и в гражданском строительстве. В частности, с их помощью можно измерить глубину коренных пород.

Большинство сейсморазведочных работ проводится по методу непрерывного перекрытия, когда реакцию на возбуждение от последовательных участков разреза получают вдоль линии профили. Для возбуждения сейсмических воли используют взрывчатые вещества и другие источники энергии, а возникающие при этом колебания земли обнаруживают с помощью расстановки сейсмоприемников. Как правило, данные регистрируют в цифровой форме на магнитной ленте, чтобы для усиления полезного сигнала относительно шума, выявления важной информации и представления данных в форме, удобной для выполнения геологической интерпретации, можно было применить обработку на ЭВМ.

Основой методики сейсморазведочных работ являются возбуждение сейсмических волн и измерение времени пробега этих волн от источника до расстановки сейсмоприемников, обычно располагаемых вдоль прямой линии, направленной на источник.

Зная времена пробега до отдельных сейсмоприемников и скорость распространения волн, можно воссоздать траектории сейсмических волн. Структурную информацию получают в результате изучения траекторий волн, попадающих в две основные категории: головные, или преломленные, у которых главная часть пути проходит вдоль границы раздела двух слоев и, следовательно, приблизительно горизонтальна, и отраженные волны, у которых энергия первоначально распространяется вниз, а в некоторой точке отражается обратно к поверхности, так что общий путь практически вертикален. Для траекторий волн обоих типов времена пробега зависят от физических свойств горных пород и элементов залегания пластов.

Наиболее эффективна сейсморазведка при изучении осадочного чехла древних платформ, поскольку его горизонтально-слоистое строение наиболее просто интерпретируется по сейсмических данным. С увеличением наклона целевых геологических границ надежность получаемой сейсморазведкой информации резко падает.

Задача сейсморазведки состоит в том, чтобы получить информацию о породах, в частности об элементах залегания пластов, из наблюдаемых времен вступления волн и (в меньшей степени) из вариаций амплитуды, частоты и формы сигнала.

3. Методы сейсморазведки

Сейсморазведка включает два основных метода метод отраженных волн МОВ и метод преломленных волн МПВ, относящихся к техническим модификациям, а также несколько второстепенных методов.

Метод отраженных волн включает изучение волн, которые отразились от границы раздела двух сред. Измерив расстояние от этой границы до нескольких произвольных точек, взятых на поверхности Земли, можно измерить скорость распространения волны в среде и определить положение границы, на которой произошло отражение.

В методе преломленных волн ведут наблюдение на больших расстояниях от источника возбуждения по сравнению с глубиной залегания исследуемых границ. Сейсмические волны проходят вдоль направления залегания горных пород, скорость в котором превышает скорость в соседних пластах. Таким образом, появляется возможность судить о литологическом составе горных пород слагающих слой.

Также можно отметить достаточно широко применяемый метод продольных волн. Это связано с тем, что взрывные источники колебаний генерируют прежде всего продольные волны.

Но используя специальные средства возбуждения, можно получить и поперечные волны. Метод поперечных волн имеет преимущества перед методом продольных волн.

Поперечные волны имеют меньшую скорость распространения и меньшую длину волны по сравнению с продольными. Это позволяет повысить точность измерения времени пробега поперечной волны.

Оба эти метода относятся к группе технических модификаций. К технологическим модификациям относится метод общей глубинной точки МОГТ, который основан на суммировании отражений от общих участков границы при различных расположениях источников и приемников. МОГТ применяют при поисках и разведке нефтяных и газовых месторождений.

Методом обращенного гидрографа МОГ изучают отражающие границы, расположенные ниже забоя скважины, где располагаются сейсмоприемники. Методы сейсморазведки обычно применяются в сочетании с другими геофизическими и геологическими методами, что дает возможность повысить геологическую эффективность.

В последние десятилетия появился новый метод - спектральная сейсморазведка, также называемая спектральным сейсмопрофилированием (ССП). Новое направление в сейсморазведке, основанное на "изучении спектральных характеристик собственного акустического поля Земли и резонансных явлений, возникающих в слоях горных пород при взаимодействии их с сейсмическими волнами". Основным параметром, изучаемым данным методом, является акустическая жесткость среды. Участки разреза с повышенной акустической жесткостью на спектральных разрезах отображаются высокими уровнями амплитуд частотного спектра и наоборот. Первые упоминания о практической значимости этого метода появились в конце XX века. В настоящее время метод спектральной сейсморазведки вызывает дискуссии и не является общепризнанным. Однако отдельные исследования подтверждают оправданность его применения в обнаружении карстовых пустот, нефтегазовых залежей, инженерно-геологических исследованиях.

Трудность математической трактовки некоторых задач физики упругих волн, необходимость экспериментальной проверки получаемых теоретических решений привели к развитию методов изучения распространения упругих волн на моделях. Модели изготовляют из искусственных материалов, которые по параметрам упругости и плотности близки к горным породам. Применяют специальные моделирующие материалы с управляемыми упругими свойствами. Используют одномерные, двумерные и трехмерные модели. Наибольшее распространение получили двумерные твердые модели благодаря относительной простоте изготовления и контроля за их упругими свойствами.

Для сохранения подобия процессов, протекающих в натуре и модели, необходимо, чтобы удовлетворялись некоторые условия.

Среди них важнейшими являются сохранение отношения длины волны к линейным размерам изучаемых объектов мощность слоев, радиус кривизны границ и т. д. и удалений источника от приемника.

Обычно линейные размеры модели примерно в 1000 раз меньше размеров натуры, следовательно, длина волны в модели также должна быть уменьшена в такое же число раз.

Если скорости волн в модели и натуре приблизительно равны, то необходимы значительное повышение частоты колебаний и переход к ультразвуковому диапазону частот. Используемые при сейсмическом моделировании колебания имеют частоту от 20 кГц до 1 МГц. Помимо физического моделирования производят также математическое моделирование, рассчитывая волновые поля для заданных распределений упругих свойств в среде, пользуясь основными дифференциальными уравнениями.

Сейсмическая разведка - это сложная динамическая система, назначенная для исследования земных недр.

В ней происходят с преобразования энергии и информации, важнейшими из которых являются: возбуждение сейсмическим источником первичных волн, их распространение в геологической среде с образованием на ее неоднородностях вторичных волн, прием и запись упругих колебаний в точках наблюдения, обработка и интерпретация сейсмических записей. Целенаправленную последовательность этих процессов можно сматривать как сейсморазведочный канал, преобразующий воздействие источника упругих колебаний (входной сигнал) в сейсморазведочную информацию (выходной сигнал).

Сейсморазведочный канал состоит из трех последовательно действующих подсистем (рис. 2).

Первой и основной из них является объект исследования - сейсмогеологическая среда, т. е., геологическая среда в том виде, как она проявляется при формировании поля упругих колебаний.

Возникающее в некоторой точке среды поле можно считать результатом прохождения импульса источника через пространственно ограниченный объем среды - сейсмогеологический канал. Строение среды в пределах этого объема является той информацией, которая извлекается из сейсморазведочных наблюдений.

Сейсмическое поле служит входной информацией для второй системы - сейсморегистрирующего канала - инструмента исследований, который включает технику, методику и технологию полевых работ. На выходе сейсморегистрирующего канала получают сейсмические записи - сейсмограммы, служащие входной информацией для третьей подсистемы - сейсмообрабатывающего канала.

Сейсмообрабатывающий канал - совокупность средств и методов преобразования и анализа зарегистрированной волновой картины для получения четкого изображения объекта.

Это в свою очередь, сопровождаемого количественными характеристиками его геометрических и петрофизических свойств и их геологической интерпретацией.

Эти материалы образуют сейсмогеологическую модель объекта исследований и являются результатом работы (выходным сигналом) всего сейсморазведочного канала. Его функционирование экономически оправдано при условии, что стоимость полученной геологической информации превосходит расходы на проведение сейсморазведки.

Теория сейсмогеологического канала основана на анализе связей между физическими свойствами геологической среды и характеристиками возникающего в ней поля упругих колебаний. Анализ строится на решении так называемых прямых задач - расчетах волновых полей для заданных сейсмических моделей.

Теория сейсморегистрирующего канала рассматривает сочетание методики и техники полевых наблюдений, позволяющих получить достаточно полную информацию об исследуемых волновых полях.

В теории сейсмообрабатывающего канала синтез обрабатывающих процедур сочетается с анализом их эффективности при геологической интерпретации получаемых результатов. Эта теория строится на обратных задачах определении строения сейсмических моделей по наблюдаемым волновым полям.

Технические средства сейсморазведки включают:

1. источники сейсмических волн;

2. средства регистрации сбора данных;

3. обрабатывающие установки.

Источник сейсмических колебаний это ограниченная область внезапного выделения энергии, приводящего к возникновению напряженного состояния окружающей среды.

В настоящее время для проведения сейсморазведочных работ применяют разнообразные источники сейсмических и акустических волн, имеющих различные энергетические и частотные характеристики. Выбор источника определяется условиями ведения работ (суша, море, город), характером решаемых геологических задач исследование глубинного строения земной коры, нефтяная, рудная, инженерная сейсморазведка и наличием конкретного фона сейсмических помех. Одним из способов возбуждения колебаний в горных породах является взрыв. Для этих целей обычно бурят сейсмические взрывные скважины глубиной до 60м, куда закладывают заряд взрывчатого вещества. Взрывной пункт оборудуется системой синхронизации возбуждения, предназначенной для синхронного запуска сейсмостанции, производства взрыва и отметки момента взрыва возбуждения колебаний.

Взрыв относительно дешевый и высокоэффективный источник сейсмических колебаний.

Основные недостатки его невозможность повторного точного воспроизводства импульса источника, а также сохранения точных временных интервалов между повторными взрывными импульсами, например, при движении разведочных судов на море. Кроме того, требуется специальное разрешение на хранение, транспортировку взрывчатых веществ и производство взрывов.

В определенной мере свободны от указанных недостатков и имеют другие конкретные преимущества невзрывные источники колебаний.

При проведении сейсморазведочных работ на суше нашли широкое применение вибрационные источники, создающие в породах с помощью специальной металлической плиты импульсы давления частотой от 10 до 80 Гц. Благодаря тому, что вибрационный источник смонтирован на машине, он оперативен, удобен в обращении и позволяет получать точно известный и воспроизводимый сигнал.

Обычно этот источник используется в городах, т. к., он не создает повреждений в окружающей среде. При морских исследованиях используют импульсные источники возбуждения. К ним относят воздушные и водяные пушки, которые выбрасывают в море под большим давлением воздушный пузырь или струю воды.

4. Применение сейсмических методов

4.1 Глубинные исследования земной коры

С их помощью изучают внутреннюю структуру земной коры и прилегающую часть верхней мантии до глубин порядка 100 км. Глубинные исследования решают следующие задачи:

- разграничение областей коры с существенно различным внутренним строением, разделенных глубинными разломами;

- изучение взаимосвязи структур низов земной коры, кристаллического фундамента и осадочного покрова;

- выявление закономерностей размещения перспективных площадей в связи с региональной структурой земной коры;

- исследование строения под коровой части верхней мантии и ее связи со структурами земной коры.

В ГСЗ (глубинном сейсмическом зондировании) регистрируют преломленные и критически отраженные волны по системам непрерывного и пунктирного профилирования или точечных зондирований. Дистанции наблюдений составляют от 50-100 до 300-500 км. и более. Для возбуждения колебаний используют мощные взрывные источники с массой зарядов, достигающей 2-3 тонн.

В ГСЗ выполняют низкочастотную регистрацию в диапазоне 3-15 Гц, меняя высокочувствительную аппаратуру различных каналов.

По наблюдениям ГСЗ строят наиболее устойчивые преломляющие границы в земной коре и определяют соответствующие граничные скорости. Прослеживают поверхность кристаллического фундамента (V = 6 км/с), границу Конрада - условную внутрикоровую границу (V = 7 и/с), границу Мохоровичича (Мохо) - подошву земной коры (V= 8 км/с).

Последняя на континентах располагается на глубинах 30-75 км., максимально погружаясь под наиболее высокими горными хребтами. Удается наблюдать также менее устойчивые внутрикоровые границы и спорадические границы в верхней мантии. Океаническая земная кора имеет мощность до 10 км. и в целом является более высокоскоростной.

Геологическая природа глубинных сейсмических границ в земной коре и верхней мантии пока достоверно не известна.

В ГСЗ, как правило, не удается выполнять непрерывную фазовую корреляцию волн на большие расстояния. Поэтому реализуют групповую корреляцию, при которой волны отождествляют по совокупности их кинематических и динамических особенностей. Средняя погрешность построения границы Мохо оценивается величиной около 1-2 км.

На рис. 3 изображен сейсмический разрез земной коры по широтному профилю ГСЗ в Сибири протяженностью 1500 км.

4.2 Поисковые работы

Задача поисковых работ - обнаружение геологических объектов, благоприятных для нахождения целевых полезных ископаемых.

При поисках нефтегазовых месторождений такими объектами могут быть антиклинальные складки и купола, зоны выклинивания пластов и их смещения вследствие разрывных нарушений, рифовые постройки, русловые и дельтовые отложения и др., площади, перспективные для поисков, устанавливают на основании существующих исследований, которыми выявлены области флексур и перегибов перспективных отложений, их регионального выклинивания и фациального замещения и т. п.

Временный разрез МОГТ на рис. 4 служит примером того, как на волновой картине поискового профиля проявляется нефте-, газо-, перспективное тело.

Облекающие его отложения хорошо трассируются наклонными осями в диапазоне времен 0,6-0,7 с на интервале профиля х?1,5-3,0 км. При последующем бурении скважина 6, в отличие от скважин 5 и 7, дала промышленный приток нефти.

Поисковую сейсморазведку обычно проводят по квазипрямоугольной сети, образуемой основными и связующими профилями. Плотность сети профилей определяется размерами целевых объектов. Для их надежного обнаружения необходимо, чтобы в любом случае потенциальный объект был пересечен хотя бы двумя основными профилями.

Поэтому интервал между ними не должен превышать 1/3 от размеров по простиранию минимальных искомых объектов. Расстояния между связующими профилями делают в 2-3 раза больше.

Такая площадная сеть обеспечивает при корреляции полезных волн их систематическую привязку по замкнутым контурам.

По материалам оперативной обработки сейсмических записей - еще до завершения полевых работ - проектная сеть поисковых профилей может быть скорректирована или дополнена новыми линиями наблюдений.

Такое гибкое управление поисками повышает их результативность и ускоряет решение поставленной геологической задачи.

По окончании полной обработки полевых материалов решается вопрос о целесообразности перехода к детализации перспективных объектов, выявленных на площади.

4.3 Угольная и рудная сейсморазведка

Угольная сейсморазведка участвует в поисковых и разведочных работах с целью изучения продуктивных толщ, обнаружения и отслеживания угольных пластов, прогнозирования зон их выклинивания, изменения мощностей и разрывных нарушений.

Последнее особенно важно для обеспечения нормальной работы угледобывающих комплексов.

Выявление и трассирование мало амплитудных (до 5 м.) разрывных нарушений на угольных месторождениях является очень важной и весьма трудной задачей детальных сейсмических съемок, проводимых на дневной поверхности. Эти работы комплекс с наблюдениями в скважинах и шахтах. Наряду с традиционными методами сейсморазведки, здесь используют волноводные явления, возникающие в угольных пластах благодаря их низкоскоростным свойствам, по сравнению с вмещающими породами. В местах резких изменений геометрии угольного пласта - его разрыва, изгиба или утончения - происходит повышенное излучение в окружающую среду упругой энергии, переносимой вдоль пласта волноводными колебаниями.

Этот эффект используют в шахтной сейсморазведке для прогнозирования условий залегания угольных пластов.

Временной разрез МОГТ, изображенный на рис. 5, получен на одном из угольных месторождений Приморья.

На разрезе показан интервал угленосных отложений, установленный по результатам бурения серии скважин вдоль сейсмического профиля. Несмотря на высокую плотность бурения, без данных сейсморазведки трудно изучить поведение угольных горизонтов и, главное, - выявить их разрывные нарушения, которые плохо фиксируются по скважинным данным, но хорошо видны на временном разрезе.

Рудная сейсморазведка первоначально занималась главным образом картированием коренных пород под наносами и определением мощности последних, для чего применяли МПВ (метод преломленных волн). Такое положение объясняется тем, что рудовмещающие изверженные и метаморфические породы имеют сложное гетерогенное строение, при котором прежде сравнительно редко удавалось прослеживать устойчивые сейсмические границы во внутренних частях кристаллических массивов. Теперь, когда методика многократных наблюдений МОВ (метод отраженных волн) достигла существенных успехов, все большее значение приобретают сейсмические исследования, направленные на изучение геолого-структурной обстановки в перспективных районах.

Для исследования рудоконтролирующей тектоники и оконтуривания крупных рудовмещающих структур проводят детальные работы МОГТ высокой кратности, достигая глубины исследований 2-3 км. и более. Сейсморазведочные работы выполнялись при поисках хромитовых руд в Кемпирсайском интрузивном массиве гипербазитов (Мугоджары). Оруденение локализуется в дунитовых серпентинитах, преимущественно - в узлах пересечения разрывных нарушении различной ориентировки.

На рис. 6 приведен временной разрез МОГТ, где четко прослеживаются пологие горизонты А", приуроченные к подошве зон серпентинизации на глубине около 2 км., и наклонные отражения Р от контрастных зон разломов, расположенных как выше, так и ниже этого уровня.

Рисунок показывает временной разрез, построенный по детальным наблюдениям МОВ, которые были выполнены в Якутии при поисках алмазоносных кимберлитовых трубок. Профиль выполнен в области многолетнемерзлых пород по методике высокочастотного ОНП с двухметровым шагом каналов. Колебания возбуждались взрывами детонаторов в пятиметровых скважинах. Прием осуществлялся одиночными 100-герцовыми сейсмоприемниками.

Полученный разрез освещает строение верхней части разреза до глубины 150 м. на видимых частотах около 200 Гц.

Профиль проходит над кимберлитовой трубкой диаметром 60 м., которая прорывает слоистую структуру карбонатного цоколя и перекрыта терригенными отложениями 30-метровой мощности. На разрезе хорошо виден эрозионный характер кровли трубки и достаточно четко выявляются сопровождающие ее крутопадающие разрывные нарушения.

земной сейсморазведка геологический

Список литературы

1. Бондаренко В.М., Демура Г.В., Савенко Е.И. Общий курс разведочной геофизики - М.: Норма, 1998.

2. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка - М.: Недра, 1980.

3. Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка, том 1. - М.: Мир, 1987.

Размещено на Allbest.ru