Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Локализация и идентификация физико-геологических неоднородностей соляной толщи методами сейсмического амплитудного анализа (на примере Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей)

Специальность 25.00.16 - Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Фатькин Константин Борисович

Пермь - 2008

Работа выполнена в Горном институте Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Санфиров Игорь Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Силаев Валерий Аркадьевич

кандидат геолого-минералогических наук Сидоров Виктор Константинович

Ведущая организация: ОАО «Пермнефтегеофизика»

Защита состоится “ ” 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан “_____”____________ 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Бачурин Б.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Основной задачей малоглубинной сейсморазведки на месторождениях водорастворимых полезных ископаемых является достоверная локализация физико-геологических неоднородностей породного массива, осложняющих ведение горных работ и представляющих потенциальную угрозу для сохранности рудника. К разряду таких неоднородностей относятся дизъюнктивные и пликативные тектонические дислокации, различного рода лито-фациальные замещения продуктивных отложений, участки газонасыщения.

Данные объекты могут иметь незначительные размеры, неоднородное тонкослоистое строение и латеральную изменчивость физических свойств. Отмеченные особенности их строения и свойств обуславливают существенную неоднозначность отображения в волновом поле. Анализ только «волновых образов» и закономерностей изменения упругих свойств не всегда позволяет определить тип и пределы распространения подобных неоднородностей.

Необходимо изучение и других доступных к интерпретации параметров волнового поля. Традиционно в основной набор динамических характеристик входит амплитуда, частота, форма волны и их производные. Выбор одного из них или их сочетания определяется особенностями строения и свойств объектов исследования, возможностями регистрационных и обрабатывающих технологий.

Интенсивное развитие аппаратурно-методической базы малоглубинной сейсморазведки позволяет привлекать к решению данной задачи во все более широких масштабах современные технологии динамического анализа отраженных волн. Как показывает многолетняя практика развития сейсморазведочных методов изучения реальных сред и выполненные автором исследования на конкретных горно-геологических объектах, наиболее информативными являются амплитудные параметры. С другой стороны, количество факторов определяющих их изменение существенно, и требуются специализированные процедуры, обеспечивающие объективность оценок закономерностей их изменения.

Целью работы является амплитудная классификация аномалий малоглубинной сейсморазведки, вызванных локальными физико-геологическими неоднородностями породного массива.

Для достижения цели поставлены задачи:

1. Изучение динамических «образов» типовых горно-геологических неоднородностей в поле отраженных волн.

2. Сравнительный анализ динамической информативности волнового поля различных невзрывных источников, применяемых в малоглубинной сейсморазведке.

3. Обоснование теоретических предпосылок «амплитудного» картирования и распознавания горно-геологических неоднородностей.

4. Практическое подтверждение возможности использования AVO-анализа (Amplitude versus Offsets - изучение изменения амплитуды в зависимости от удаления) данных малоглубинной сейсморазведки, полученных на подрабатываемых территориях.

Основные защищаемые положения:

1. Основным критерием выделения волновых аномалий от физико-геологических неоднородностей в интервале малых глубин породного массива является поведение амплитуд на сейсмических временных разрезах.

2. Возможность амплитудной классификации типовых геологических неоднородностей соляной толщи обеспечивается предельными расстановочными системами регистрации упругих волн, отраженных от ее геологических границ.

3. Различие знаков основных параметров уравнения, аппроксимирующего зависимость коэффициента отражения упругой волны от угла падения, является классификационным признаком основных типов геологических неоднородностей водозащитной и продуктивной толщ.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что применение процедур когерентной и пространственной фильтрации с узкой полосой пропускания сигнала на начальных стадиях цифровой обработки сейсмических данных, полученных в интервале малых глубин, приводит к появлению «псевдо»-амплитудных аномалий на сейсмических разрезах.

2. Для изучаемого диапазона углов отражений, регистрируемых системами с предельными расстановками, выявлена связь значимых изменений амплитуд с геометрией геологических границ.

3. Установлена необходимость детального анализа пространственного распределения AVO-атрибутов А и В для амплитудной идентификации и классификации физико-геологических неоднородностей ВЗТ и продуктивной толщи.

Практическая значимость результатов исследований:

1. Определены возможности применения отдельных типов невзрывных источников упругих волн для решения горно-геологических задач на основе анализа амплитудной изменчивости их волновых полей.

2. Разработан граф цифровой обработки сейсмических данных, обеспечивающий информативность изучения амплитудной изменчивости отражений.

3. Создана амплитудная классификация волновых аномалий для породных массивов с повышенной акустической контрастностью, обусловленной их интенсивной разработкой.

Реализация результатов исследований. Основные результаты работы успешно применяются при сейсморазведочных исследованиях с целью корректировки планов и параметров горных работ.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 24 печатных работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались с 1997 года на различного уровня конференциях и семинарах. В том числе: региональные научные конференции «Горные науки на рубеже ХХ1 века». (Пермь, 1997), «Геология и полезные ископаемые Западного Урала»( Пермь, 2000), «Строение литосферы и геодинамика»(Иркутск, 2003) ; международные конференции «Кунгурская ледяная пещера. 300 лет научной и туристической деятельности» (Кунгур, 2003), «Карстоведение -XXI век: теоретическое и практическое применение» (Пермь, 2004), «Инженерная геофизика-2006» (Геленджик, 2006); «Неделя горняка» (Москва, 2007); научные сессии Горного института УрО РАН с 1998 по 2008 годы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 115 страницах, включая 57 иллюстраций, 4 таблиц и список использованных литературных источников из 113 наименований.

Исходные материалы и личный вклад автора. Диссертация отражает результаты исследований с 1997 года по госбюджетной и договорной тематике в Горном институте Уральского отделения Российской академии наук. Постановка и выполнение теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, проведены при непосредственном участии автора.

Плодотворной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег - Бабкина А.И., Приймы Г.Ю., Пригара А.М., Семериковой И.И. Ярославцева А.Г. Ахматова А.Е.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Динамические «образы» типовых горно-геологических неоднородностей в сейсмическом волновом поле

Для изучения месторождений полезных ископаемых пластового типа, осложненных несогласными формами залегания, к которым относится и Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС), наиболее подходят модели непараллельно-слоистых сред.

Для них характерен ряд общих признаков, таких как: слоистость, с залеганием пластов от субгоризонтального до сложноскладчатого, с параллельными и непараллельными границами раздела пластов; небольшая, до 500 м, глубина залегания продуктивных толщ, тонкослоистая структура и значительная латеральная изменчивость физических параметров.

По данным ряда исследователей (А.И Белоликов, Г.А. Бюллер, П.М. Голубев, П.А. Гольдберг-Захарова, Н.М. Джиноридзе, А.А. Иванов, В.И. Копнин, А.И. Кудряшов, Б.И. Сапегин, П.А. Сафроницкий, Н.Г. Шешуков, М.П. Фивег и другие) для ВКМКС характерно наличие в разрезе следующих объектов, осложняющих горно-геологическую ситуацию на участках ведения горных работ.

1. Зоны трещиноватости.

2. Зоны замещения в форме галитовых аномалий в калийной залежи.

3. Складчатость

4. Участки соляного карста.

Перечисленные неоднородности характеризуются значительной изменчивостью физических свойств и строения по латерали и вертикали, тонкой слоистостью, сложной формой.

Использование моделирования позволяет выяснить, как отображаются в сейсмическом волновом поле перечисленные выше геологические объекты.

Для изучения динамики сейсмических волн использованы типовые сейсмогеологические модели, составленные А.М. Пригарой, Т. В. Байбаковой и самим автором.

Зоны трещиноватости. Трещины в соляных породах ВКМКС делятся на 2 основные группы: залеченные и открытые. Открытые трещины, как правило, заполнены газом. Залеченные трещины характеризуются разнообразным минеральным составом и имеют наибольшее распространение.

В сейсмогеологической модели зоны трещиноватости отображаются в виде областей с пониженными значениями скоростей распространения сейсмических волн относительно вмещающего массива. На основании формулы для средней скорости Vср

Vcp=(h1+h2)/(h1/v1+h2/v2) (1),

где h1 и h2, v1 и v2 - возможные мощности и скорости упрошенной двухфазной модели среды, справедливой для конкретного значения Vcp, и принимая Vcp=Vи, можно рассчитать варианты причин подобного изменения интервальной скорости (Vи).

Таким образом, во всех интервалах в пределах обозначенной нами зоны трещиноватости, возможно понижение значений Vи на 150-350 м/с.

Для зоны трещиноватости использована модель блочно-ячеистого типа с распределением эффективных скоростей в зависимости от пикета пункта взрыва и глубины.

В средней части модели с ПК 562 и отметки глубины -52 значения скоростей занижены по сравнению со скоростями в окружающих ячейках. В расчетах этой модели использовалась следующая система наблюдения: центральная, 48 каналов, Xпп (расстояние между пунктами приема ПП) = Хпв (расстояние между пунктами возбуждения ПВ) = 8 м, максимальное удаление между ПВ и ПП Lmax = 192 м, шаг дискретизации t = 0.5 мс, тип исходного импульса - затухающая синусоида.

Рис. 1. Теоретическое волновое поле зоны трещиноватости

На теоретическом временном разрезе, полученном в результате моделирования зоны трещиноватости (рис.1), явно выделяется область, в которой невозможно прослеживание отражающих горизонтов. Такой эффект вызван отсутствием контрастных по физическим свойствам границ в заданной зоне трещиноватости.

Зоны замещения или галитизации сильвинитовых пластов широко распространены на территории ВКМКС. Аномальные галитовые образования подразделяются на открытый, экранированный и сквозной типы.

Экранированный тип. К этому типу относятся зоны как мелких и средних, так и крупных размеров. Характерной особенностью данных зон является то, что пласты карналлитовых пород, относящиеся к различным горизонтам, являются экраном для проникающих снизу растворов (по гипотезе Джиноридзе), преобразующих минеральный состав пород.

Сквозной тип. Характеризуется галитизацией всех пластов сильвинитовой и карналлитовой зон при полноте их разреза (присутствует покровная каменная соль и маркирующий горизонт подстилающей каменной соли). Отличие внутреннего строения от остальных изученных зон заключается в том, что каменной солью представлены все пласты сильвинит-карналлитовой зоны.

Необходимость применения геофизических методов при изучении галитовых аномалий очевидна, поскольку на основе геологической информации спрогнозировать их местоположение не удается. Зависимость между строением участков и размещением на них рассматриваемых аномалий отсутствует. Предпосылками применения малоглубинных и шахтных сейсморазведочных технологий в данном случае является значительное отличие скоростей распространения упругих волн в каменной соли (4100-4200 м/с) по сравнению с карналлитом (3600-3800 м/с) и сильвинитом (3800-3900 м/с).

Рис. 2. Сейсмогеологическая модель экранированной зоны замещения (а) и теоретический временной разрез (б)

Зоны замещения проявляются на теоретических временных разрезах по разному, в зависимости от типа зоны. На временном разрезе, полученном для экранированной зоны (рис.2б) амплитудных аномалий не наблюдается, можно отметить лишь понижение видимой частоты в зоне галитизации и выпадение отражающего горизонта на участке ПК 500-1200. Однако вышележащие пласты карналлитовой зоны выделяются на разрезе достаточно уверенно.

Рис. 3. Сейсмогеологическая модель зоны замещения сквозного типа (а) и теоретический временной разрез (б)

Основные признаки зоны замещения сквозного типа связаны с амплитудными аномалиями. На временном разрезе (рис. 3б) наблюдается увеличение амплитуд на краях зоны замещения и уменьшение в центре, за счет деструктивной интерференции отраженных и дифрагированных волн. Отсутствие отражающих горизонтов в аномалеобразующей зоне связано с отсутствием контрастных по физическим свойствам границ.

Складчатость. На временном разрезе, полученном для борта прогиба (рис. 4б) четко проявляются характерные для подобных участков аномалии волнового поля - разрывы и скачки осей синфазности и амплитудные аномалии в пределах пикетов 350-550. Ухудшение прослеживания ОГ связано с криволинейностью границ и рассеиванием лучей, вследствие особенностей лучевого метода расчета.



Рис. 4. Сейсмогеологическая модель борта прогиба (а) и полученный для нее теоретический временной разрез (б)

Участки соляного карста. Соляной карст отличается от карста карбонатных и гипсовых пород тем, что он не связан с образованием карстовых полостей и пещер вследствие выщелачивания каменной и калийной солей подземными водами и накоплении на их месте нерастворимых компонентов, содержащихся в соляных породах.

Другой, более значимый для решения вопросов безопасности, тип соляного карста отмечается на солеотвалах. Проявление здесь карстовых процессов существенно осложняет их обслуживание.

По результатам многолетних исследований строения и закономер-ностей преобразования солеотвалов, выполненных различными геологами (Андрейчук В.Н., Вострецов С.П., Клементьев В.П. и др.) известен ряд общих закономерностей формирования подземных карстовых форм.

Схематично вся толща солеотвала сверху вниз может быть поделена на три интервала, разделяющиеся по степени уплотнения. Генезис подземных карстовых форм в основном связан со сложными процессами растворения и выноса солей из третьего нижнего интервала, содержащего зону горизонтальной циркуляции вод, расположенную в его основании. Впоследствии линейные неровности рельефа могут локализовать подотвальный сток, определяя плановую конфигурацию сети подземных каналов.



Рис. 5. Сквозная зона замещения а) амплитудный разрез, б) частотный разрез, в) отношение сигнал/шум

По скоростям распространения продольных упругих волн выделяется также три интервала по 7-8 м толщиной со средними значениями в 1000 м/с, 2000 м/с и 3000 м/с. На границах данных интервалов формируются устойчивые сейсмические отражения.

В результате изучения динамических «образов» типовых горно-геологических неоднородностей в волновом поле отраженных волн установлено, что их обнаружение наиболее вероятно по изменению амплитуд волн, отраженных от границ вмещающих интервалов. Основанием для этого служат особенности строения физико-литологических моделей типовых неоднородностей, характеризующихся высокой контрастностью отражающих горизонтов и тонкой слоистостью. Анализ частотной составляющей волнового поля и когерентности показал, что эти параметры подвержены изменению в меньшей степени (рис. 5).

Так, изменение частоты в интервале, включающем аномальную зону (ПК 500-1100), составило 18-25% по сравнению со значением на участках без аномалий. Когерентность (отношение сигнал/шум) в зоне аномалии так же мало отличается от нормального значения. Наибольшему изменению подверглась амплитуда сигнала. Разница между нормальным и аномальным значениями достигает порядка 75%.

Глава 2. Особенности динамического анализа упругих волн на подрабатываемых территориях

Динамические характеристики отраженных волн. Применение сейсморазведки для решения новых задач в условиях более сложных типов сред (слабодифференцированных по скоростям, тонкослоистых и др.) обусловило необходимость привлечения к интерпретации, наряду с кинематическими, также и динамических характеристик сейсмических волн (А.Г. Авербух, И.С. Берзон, А.М. Галаган Е.А., Гогоненков Г.Н., Епинатьева, О.Н. Кондратьев, Г.Н. Парийская, С.П. Стародубровская и другие).

Под динамическими характеристиками сейсмических волн подразумевается совокупность зависимостей, определяющих характер колебаний частиц среды во времени и в пространстве при распространении волн. В настоящее время при сейсмических исследованиях используются следующие динамические характеристики:

1) форма волны, т.е. зависимость величины смещения частиц среды (или какой-нибудь производной смещения - скорости, ускорения и т.д.) от времени t

2) амплитудные и фазовые спектры волн; спектральные характеристики волны связаны с формой волны, т.е. с временными зависимостями, известными соотношениями Фурье;

3) амплитуды волн;

4) траектории движения частиц среды в пространстве или характер поляризации волн.

Для отмеченных динамических характеристик могут находиться и их производные, например: изменение с расстоянием амплитуд различных волн и отношение амплитуд разных волн.

Амплитуды сейсмических волн зависят от ряда факторов, основными из которых являются:

1) дифференциация скоростей и плотностей на границах раздела;

2) неидеально-упругое поглощение;

3) особенностями формы отражающих и преломляющих границ. Кроме того, важную роль играет тип используемого источника. В малоглубинных и шахтных исследованиях в основном используются поверхностные источники падающего или ударного типа, генерирующие высокочастотные (по сравнению с нефтяной сейсморазведкой) колебания.

Состав волнового поля упругих волн невзрывных источников. Частотный состав волнового поля определяют следующие факторы: спектральный состав импульса источника упругих колебаний, условия возбуждения и приема, фильтрующее действие среды, характеристики регистрирующего оборудования и параметры системы наблюдения.

При производстве работ по методике невзрывной малоглубинной сейсморазведки высокого разрешения используется несколько типов невзрывных источников: конструкция типа “трипод”, использующая принцип падающего груза; пружинная вертикальная пушка и кувалда.



Рис. 6. Амплитуда исходного сигнала для трипода

Для анализа связи параметров невзрывного источника упругих колебаний и спектрально-временных характеристик возбуждаемого им волнового поля выполнен расчет амплитудных спектров по отдельным трассам многоканальной записи. В изучаемую выборку трасс включены удаления от пункта взрыва - 16, 96 и 192 метра. Из представленных результатов спектрального анализа видно, что и на предельной длине расстановки (192 м) возможен анализ амплитудной изменчивости в частотном диапазоне (10-90 Гц), обеспечивающем необходимую разрешенность интерпретационных выводов.

Полученные результаты показывают, что при увеличении интенсивности воздействия изменение частоты фиксируется тогда, когда изменяется масса сбрасываемого груза. Это хорошо согласуется с результатами экспериментов, проведенных с целью изучения влияния параметров источника на спектрально-временные характеристики возбуждаемого импульса и описанных другими авторами (П.И. Дик, В.В. Майоров, В. В. Палагин, А.Я.Попов, М. Б. Шнеерсон, Р. Шерифф, Л. Гелдарт, Я. Хилл).

Экспериментальное изучение структуры волнового поля невзрывного источника малой мощности и его разрешающей способности применительно к поверхностным условиям территории Верхнекамского месторождения калийных солей показывает на принципиальную возможность изучения изменчивости амплитудного состава волновых полей в целях картирования и распознавания физико-геологических неоднородностей в интервале малых глубин. При этом следует учитывать соответствие масштабов работ и возможностей проектируемого к применению типа источника. Для исследования глубин до 400 метров, включающих соляную толщу, подходящими будут излучатели с большей энергией удара - падающий груз либо пружинная пушка. Изучение ВЧР, а также наблюдения во внутренних точках среды, возможно проводить с использованием маломощного источника импульсного типа (кувалда).

Цифровая обработка сейсмических данных, обеспечивающая возможность динамического анализа. Проблемы регистрации, обработки и интерпретации материалов малоглубинной сейсморазведки МОГТ обусловлены особенностями возбуждаемого волнового поля. Применение невзрывных источников малой мощности, наличие интенсивного фона техногенных помех и специфические особенности геологического строения интервала малых глубин могут быть причиной невысокого качества регистрируемых данных. Сейсмограммы, получаемые при работе с падающим грузом, в качестве источника упругих колебаний, имеют невысокое отношение сигнал/помеха. Волновое поле характеризуется сильной зашумленностью и присутствием интенсивных поверхностных, звуковых и преломленных волн. В таких случаях не исключена возможность ошибки интерпретации поверхностных, звуковых волн, как полезных действительных сейсмических отражений. При невозможности явного прослеживания отражений на полевом сейсмическом материале следы рефракции, поверхностной и звуковых волн остаются в данных после фильтрации и принимаются за полезные отражения (Санфиров И.А).

Возникает вопрос о возможности появления различных побочных явлений - «артефактов» (Steeples Don W., Miller Richard D) - в виде ложных осей синфазности, при обработке материалов малоглубинной сейсмики с низким соотношением сигнал/помеха по стандартному графу обработки, как за счет включения в обработку различных помех, так и «следов» неоптимальной фильтрации. При этом осложняется не только амплитудный анализ целевых отражений, но и определение самих отражений. Для его решения исследован синтетический материал, включающий 3 типа смоделированных сейсмограмм: сейсмограммы, содержащие исключительно «белый» (некогерентный) шум, сейсмограммы с «белым» шумом, прямыми и преломленными волнами без отражений и то же с отраженными волнами. Все 3 типа синтетического материала подверглись обработке по стандартному графу. сейсморазведка геологический волна амплитуда

Оценен «артефактный» потенциал графа обработки сейсмических данных. Так при суммировании сейсмограмм содержащих имитацию прямых, преломленных и звуковой волн, т.е. волнами-помехами, на временном разрезе появились ложные оси синфазности, наведенные за счет когерентного суммирования волн-помех (рис. 7).

Рис. 7. Первая сумма ОГТ по синтетическим сейсмограммам, содержащим некогерентный шум и волны-помехи

Разделение неглубоких отражений от преломлений на полевых файлах является важной задачей. Известно, что энергия, отраженная неглубоко от поверхности имеет частотную составляющую, близкую к энергии прямой волны и ранних преломленных вступлений на полевых записях, поэтому частотная фильтрация малоэффективна. Если не использовать мьютинг в начальной части записи, в интервале времен, соответствующих временам первых вступлений и последующих интенсивных волновых пакетов, то они будут включены в последующую обработку и будут выглядеть на временном разрезе, как реальные отражения. Естественно, что при мьютинге происходит некоторая потеря кратности при суммировании для неглубоких отражений, однако это является наиболее эффективным методом борьбы с прямыми и поверхностными волнами.

Более того, малоглубинные отражения с большим углом падения и преломленные волны имеют схожие фазовые скорости и могут интерферировать друг с другом в большом диапазоне удалений ПВ-ПП. Следовательно, использование f-k фильтрации для разделения перекрывающихся вступлений, имеющих схожие фазовые скорости, не достаточно эффективно из-за краевых эффектов фильтров, которых можно избежать за счет применения двух режимов: пропускания и подавления.

Как показал опыт, особенно сильно влияет на появление искусственных фаз на волновых изображениях использование Винеровской фильтрации в узком окне на ранних стадиях обработки. Поэтому не рекомендуется делать это в начальном этапе обработки. Как дополнительный метод контроля, суммирование по ОГТ после каждой последующей процедуры и сравнение сумм до и после, является очень хорошим способом избежать ошибок при обработке.

Таким образом, при использовании оптимального типа источника для интервала малых глубин и «неартефактного» графа цифровой обработки обуславливается возможность изучения аномалий амплитуд, как наиболее информативных классификационных признаков физико-геологических неоднородностей.

Теоретические предпосылки «амплитудного картирования» горно-геологических неоднородностей. Методика обработки и интерпретации первичных материалов, получаемых в малоглубинной сейсморазведке МОГТ, в целом определяется общими принципами традиционной взрывной сейсморазведки. Однако, некоторые специфические особенности, связанные с маломощным невзрывным источником и небольшой глубиной изучаемого интервала, приводят к необходимости использования своих, отличных от традиционной сейсморазведки, элементов методики изучения динамических характеристик. В малоглубинной сейсморазведке наибольшее значение имеет изучение амплитуд волн, а так же спектральных характеристик. Как показали результаты моделирования, вклад первых в суммарную изменчивость волнового поля преобладает.

Незначительные расстояния, которые преодолевают упругие волны, являются отличительной особенностью, характеризующей малоглубинные сейсморазведочные исследования. Двойной путь пробега отраженных волн не превышает 500-600м. Поэтому их амплитуда зависит, в основном, от перепада акустической жесткости на отражающих и преломляющих границах.

(2),

где, А - амплитуда волны, - акустическая жесткость в i-ом слое, L - полное геометрическое расхождение.

В общем случае коэффициенты отражения и преломления зависят от угла падения волны, подходящей к границе, и от четырех параметров, характеризующих свойства контактирующих сред: отношение скоростей Vp1/Vp2, Vp1/Vs1, Vp2/Vs2 и отношение плотностей сред .

При наклонном падении волны на границу раздела из среды с меньшей скоростью Vp коэффициенты отражения представляют собой действительные числа при углах падения, не превышающих критический угол, то есть при выполнении неравенства:

(3)

Это означает, что только в этом диапазоне углов форма всех возникающих волн соответствует форме падающей волны. При углах падения, больших критического, коэффициенты становятся комплексными числами. Для отраженных волн это означает наличие сдвига фаз при отражении. Величина сдвига зависит от величины угла падения, и не зависит от частоты колебаний.

При критических углах падения комплексными являются так же и коэффициенты преломления. Это означает, что преломленных волн, уходящих от границы в среду с большей скоростью, не существует. Таким образом, по энергии закритическое отражение является полным.

В случае малоглубинной сейсморазведки используются системы наблюдения с относительно короткой базой, обычно с максимальным удалением источник-приемник не более 200 м. Расчеты показывают, что максимальный угол падения лучей на глубине 200 м при таком удалении составляет не более 25?. При обычном для такой глубины перепаде скоростей с 3600 до 4000 м/с неравенство (4) остается справедливым: sin(25?)<(3600/4000). Это означает, что для стандартных мало-глубинных работ в указанном районе, при расчете теоретических волновых полей, можно не принимать во внимание сдвиг фаз и комплексные числа.

Явление поглощения сейсмических волн в малоглубинной сейсморазведке можно наблюдать только для поверхностных волн, ввиду малых удалений и небольшого временного интервала записи. В работах других авторов (Е.А. Галаган, А.М.Епинатьева и другие) указывается, что погрешности определения поглощения растут с уменьшением интервала записи сейсмограмм и достигают 50-70% при Дt= 0,3 с. В нашем случае целевые горизонты укладываются в диапазоне времен t= 0,1-0,2 c.

Полученные количественные оценки изменчивости амплитудного и частотного состава реальных сейсмозаписей малоглубинной сейсморазведки, а также результаты моделирования подтверждают теоретические предпосылки о незначительном влиянии на них неидеально-упругого поглощения. Кроме того, отсутствие закритических углов позволяет утверждать, что основные факторы, влияющие на амплитудно-частотные характеристики - вертикальная и горизонтальная слоистость, и скоростная дифференциация среды. В подобных условиях возможно использование методических подходов количественного изучения амплитуд применяемых при AVO-анализе данных нефтяной сейсморазведки.

Глава 3. AVO-анализ в рудовмещающем интервале малых глубин

Кэффициент отражения, а следовательно, и амплитуда отраженной волны, меняются в зависимости от угла падения волны на границу. Соотношение между удалением и углом падения волны на границу можно определить, если известна скорость распространения волны в среде и глубина границы. Поэтому задачу изучения амплитуд отражений в зависимости от удаления можно свести к изучению этих амплитуд в зависимости от угла падения.

Величина изменения амплитуд и характер изменения зависят от того, как меняются плотность, скорости продольных и поперечных волн, их отношение и др. Более того, изменение амплитуд в зависимости от угла падения относительно нормального может быть значительно даже в тех случаях, когда изменение упругих свойств на границе довольно мало (Ю.Н. Воскресенский, И.Н. Бусыгин, И.Я. Баллох, В.В. Корягин, И.Г. Медовский, Aki K., Koefed J., Shuey R.T., Richards P., Rutherford S.R., Williams R.H.).

Поведение коэффициентов отражения Р-волн даже в области небольших углов (до 30°) существенно зависит от соотношения скоростей Vр/Vs или коэффициента Пуассона покрывающей и подстилающей толщи. При близких значениях Vр/Vs для обеих сред, коэффициенты отражения в этом диапазоне углов так же близки к коэффициентам отражения для нормального падения.

В случае же различия отношения Vр/Vs для контактирующих сред, поведение коэффициента отражения может сильно отклоняться от случая для нормального падения. Это впервые показано Коэфэдом в 1955 г. на моделях, для которых соотношения всех параметров сред, кроме Vр/Vs (или коэффициентов Пуассона у), для подстилающей среды выбраны одинаковыми. Если подстилающая среда имеет большую скорость Р-волн, чем покрывающая, а другие соотношения свойств пластов одинаковы, то изменение коэффициента Пуассона у для подстилающей среды может повлечь резкое возрастание или уменьшение коэффициента отражения даже при больших углах падения.

Этот эффект становится более выразительным по мере того, как контраст скоростей становится меньше. Подобные же эффекты наблюдаются, если соотношение Vр/Vs для нижней среды постоянно, а изменяется для верхней.

Таким образом, отклонения поведения коэффициента отражения от его значения для нормального падения определяются величиной контраста соотношения Vр/Vs на границе контактирующих сред и могут быть основой для сейсмического анализа литологии и флюидонасыщения.

На данных теоретических положениях и основывается AVO-анализ

Классическая схема AVO-анализа состоит в аппроксимации распределения интенсивности отраженной волны на сейсмограммах ОГТ линеаризованными упрощениями уравнения Цепритца. Для случая плоской волны, изменение амплитуды отраженной волны (коэффициента отражения) R(i) с углом падения для небольших изменений параметров слоя и углов падения, обычно встречающихся в приложениях отражающей сейсмики, можно точно выразить формулой, предложенной Аки и Ричардсом в 1983 году :

Rpp (i)=A+B sin² i+ C sin² i tan² i, (4)

где параметр А имеет смысл коэффициента нормального отражения продольной волны; В - градиент, а С - кривизна (параметр нелинейности) амплитудной зависимости R().

На основе этих данных и учитывая, что данные о соотношении скоростей Vp/Vs связаны с коэффициентом В, а так же то, что при принятых в сейсморазведке реальных удалениях углы падения обычно не превышают 30°, уравнение для Rpp (выше) может быть записано в виде:

Rpp(i)=A + B sin²i +… (5)

Такое уравнение справедливо для малых углов падения и оно линейно относительно sin²i. Уравнение (5) получило название двучленной аппроксимации Шуэ и на нем основано большее число практических применений AVO.

Построение и изучение зависимостей между А и В является одним из самых распространенных способов AVO анализа.

Рассмотрим 4 типа геологических осложнений характерных для соляного месторождения пластового типа - зоны замещения, трещиноватости, соляной карст и складчатость.

Согласно характеристикам AVO по классификации Резерфорда-Уильямса выделяются 3 класса сред (рис.8).



Рис. 8. Классификация сред на диаграмме А(В)

Класс 1- высокоимпедансные среды - имеют акустическую жесткость выше покрывающей среды. Коэффициент отражения положителен для нулевого удаления и уменьшается с удалением. Степень изменения амплитуды от удаления (градиент AVO), для сред 1 класса обычно больше, чем для сред классов 2 и 3. Согласно результатам шахтных исследований [Бабкин, Санфиров], зона замещения является высокоскоростной относительно вмещающих пород. Вблизи «контактной» поверхности по обе стороны присутствуют области резкого изменения скоростей упругих волн. Т.е. по аналогии с классификацией Резерфорда-Уильмса зона замещения должна соответствовать 1 классу (рис. 9а).

Класс 2 - среды с разницей импедансов, близкой к нулю - импедансы, близкие с покрывающими породами. Градиенты для сред 2-го класса достаточно велики, но меньше градиентов для сред 1-го класса. Их отражающая способность при малых удалениях близка к нулю и ее трудно оценить при наличии помех. Отражения могут проявляться только на больших удалениях. Частным случаем распространения складчатости является борт прогиба. Характеризуется субгоризонтальным положением отражающих горизонтов с резким наклоном на коротком участке. Возникающие в этом случае аномалии волнового поля можно увязать с изменением угла отражения сейсмических волн от акустической границы. Можно предположить, что борт прогиба будет относиться ко второму классу сред. Хотя, не исключены флуктуации как в первый, так и третий класс.

Рис. 9. Графики распределения атрибутов А и В по профилю

а) зона замещения - 1 класс сред, б) зона трещиноватости - 3 класс сред

Класс 3 - низкоимпедансные среды. Они имеют более низкую акустическую жесткость, чем покрывающая среда. Этот класс проявляется отрицательными амплитудными аномалиями на разрезах ОСТ, так как имеет большую отрицательную отражательную способность на всех удалениях. Градиенты таких характеристик меньше градиентов для сред 1 и 2 классов. Отражения от этих сред лучше других поддаются AVO-анализу. В нашем случае в этот класс попадают зоны трещиноватости. Их строение можно описать моделью двухфазной среды газ - твердое тело. Подобный объект может характеризоваться повышенной газонасыщеностью и, соответственно, низкой скоростью распространения упругих волн и их повышенным затуханием, особенно в высокочастотной части спектра. Основными критериями для обнаружения подобных образований служат значительное затухание амплитуд колебаний и понижение частотного состава при прохождении сейсмических волн через газонасыщенные зоны.

Сюда же можно отнести участки соляного карста. Схематично вся толща солеотвала с верху в низ может быть поделена на три интервала, разделяющиеся по степени уплотнения. Генезис подземных карстовых форм в основном связан со сложными процессами растворения и выноса солей из третьего нижнего интервала, содержащего зону горизонтальной циркуляции вод, расположенную в его основании. Сейсморазведочные исследования подтверждают подобную геологическую модель солеотвала. Соответственно, зоны распространения соляного карста относятся так же к 3 классу.

Для подтверждения предположений о принадлежности различных горно-геологических объектов к тому или иному классу сред произведен расчет AVO-атрибутов А и В по моделям, описанным в главе 1 (рис. 9).

Исходя из приведенной выше классификации, AVO-анализ данных мало-глубинной сейсморазведки можно представить следующим образом. В целевом временном окне на сейсмограммах с высоким отношением сигнал/помеха осуществляют поиск аномально ведущих осей синфазности. Эти отражения классифицируют по поведению характеристик AVO для выделения по профилям или на площади перспективных зон с ожидаемым классом сред. С целью пространственной привязки аномальных зон нами предлагается такой подход, как построение графиков распределения атрибутов А и В вдоль профиля.

Глава 4. Практические аспекты AVO-анализа на подрабатываемых территориях

В данной главе представлены результаты расчетов по реальным сейсмическим данным с применением инструментов AVO-анализа для интерпретации амплитудных аномалий, зарегистрированных наземными (зона трещиноватости, соляной карст) и шахтными (зона замещения, складчатость) сейсмоакустическими исследованиями МОГТ на территории ВКМКС.

Зона трещиноватости. По имеющихся временным разрезам произведен расчет атрибутов А и В в скользящем окне во временных интервалах, соответствующих основным, выделенным при геологической интерпретации, отражающим горизонтам.

На рисунке 10 представлена зависимость А(В) на которой черными точками отмечены значения полученные в зоне трещиноватости. Как видно, большая часть из них расположена в квадранте III, что характерно для сред третьего класса.

Рис. 10. Зависимость А(В) для горизонта Дк в зоне трещиноватости

Зона замещения. Графики распределения атрибутов А и В вдоль профиля, рассчитанные по отражающим горизонтам кровля пласта Ек и кровля переходной пачки (ППк), представлены на рисунке 11. По ним выделяется ряд участков с отрицательными значениями обоих параметров (ПК 380-420). Часть из них совпадает с зоной замещения на суммарной сейсмозаписи, выделенной при интерпретации, однако, есть и несогласующиеся участки.

Информация, полученная из диаграмм зависимостей А(В) дает более подробную картину распределения поля точек AVO-атрибутов (рис. 12). Горизонт Ек выделяется не так явно, как кровля переходной пачки. Сильная зашумленность сейсмической записи здесь явилась причиной того, что зона замещения на зависимости А(В) не выделяется (рис. 12а). Переходная пачка на временном разрезе представлена хорошо выраженной осью синфазности и распределение точек, соответствующие зоне замещения, тяготеет к IV квадранту (рис. 12б). В данном случае находит подтверждение наше предположение, что зона замещения соответствует первому классу сред.

Рис. 11. Зона замещения. Графики распределения значений атрибутов А и В вдоль профиля: а) горизонт Ек, б)горизонт ППк

Рис. 12. Выделение аномалий на зависимостях А(В): а) горизонт Ек, б) горизонт ППк

Соляной карст и горные выработки. Задачи по выявлению карстовой полости в теле солеотвала и обнаружению горной выработки являются аналогичными. Особенности волнового поля будут аналогичны карстовым полостям. В качестве примера полости, как горно-геологической неоднородности, рассмотрен материал с погребенной горной выработкой.

Рис. 13. Выделение аномалий на зависимости А(В) - горная выработка

На рисунке 13 представлена зависимость А(В) построенная по данным малоглубинной сейсморазведки в зоне горной выработки. Значительное количество точек, нанесенных на график, хорошо укладывается в схему интерпретации, характерную для геологических сред класса 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1. Представленные типы физико-геологических неоднородностей выделяются в суммарном волновом поле в основном по амплитудному признаку.

2. Предложено рассматривать в качестве определяющих амплитудную изменчивость слоистость и скоростную дифференциацию пород ВЗТ и продуктивных отложений.

3. Определены возможности применения различных источников упругих волн в рамках решения разномасштабных горно-геологических задач на основе анализа амплитудной изменчивости их волновых полей.

4. В рамках стандартного графа обработки сформировано направление, не искажающее изучение амплитудных эффектов.

5. По степени и виду изменения амплитуд суммарных сейсмозаписей сформулированы классификационные признаки основных типов физико-геологических неоднородностей ВЗТ и продуктивных отложений

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фатькин К.Б. Особенности волновых полей невзрывных источников для сейсмогеологических условий Верхнекамского месторождения калийных солей / К.Б. Фатькин // Горные науки на рубеже XXI века: материалы междунар. конф. 1997 г. / ГИ УрО РАН. - Екатеринбург, 1998. - С. 386-391.

2. Фатькин К.Б. Невзрывные источники упругих волн для малоглубинной сейсморазведки / К.Б. Фатькин // Горное эхо. Вестник Гонного института УрО РАН. - 1998. - № 2. - С. 11-12.

3. Фатькин К.Б. Разрешающая способность невзрывной сейсморазведки МОГТ в зависимости от поверхностных условий / К.Б. Фатькин // Комплексное освоение недр Западного Урала: материалы науч. сес. ГИ УрО РАН. - Пермь, 1998. - С. 114-115.

4. Фатькин К.Б. «Артефакты» обработки данных малоглубинной сейсморазведки МОГТ / К.Б. Фатькин, И.А. Санфиров // Геология Западного Урала на пороге XXI века: материалы регион. науч. конф. / ПГУ. - Пермь, 1999. - С. 228-229.

5. Фатькин К.Б. Информационные возможности стандартного графа цифровой обработки данных малоглубинной сейсморазведки МОГТ / К.Б. Фатькин // Материалы научной сессии. - Пермь, 1999. - С 15-17.

6. Фатькин К.Б. Применение AVO-анализа при изучении карбонатного и соляного карста / К.Б. Фатькин // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. / ПГУ. - Пермь, 2000.

7. Фатькин К.Б. Оценка возможностей различных способов амплитудного анализа сейсмозаписей для контроля состояния продуктивной толщи / К.Б. Фатькин, И.А. Санфиров // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 1999 г. - Пермь, 2000. - С. 75-77.

8. Фатькин К.Б. Картирование карстовых полостей с использованием динамических признаков сейсмической записи / К.Б. Фатькин, И.А. Санфиров // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2000 г. - Пермь, 2001. - С. 156-158.

9. Фатькин К.Б. Районирование территории ВКМКС по свойствам поверхностных волн-помех / Фатькин К.Б. // Проблемы комплексного мониторинга на месторождениях полезных ископаемых: материалы науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2001 г. - Пермь, 2002. - С. 99-101.

10. Фатькин К.Б. Малоглубинные сейсморазведочные исследования в пределах Тыретского солерудника / К.Б. Фатькин, И.А. Санфиров // Строение литосферы и геодинамика: материалы ХХ-й Всерос. науч. конф. / ИЗК СО РАН. - Иркутск, 2003. - С. 272.

11. Фатькин К.Б. Применение динамических характеристик для картирования зон распространения соляного карста / К.Б. Фатькин // Кунгурская Ледяная пещера. 300 лет научной и туристической деятельности: материалы междунар. науч.-практ. конф. / ГИ УрО РАН [и др.]. - Кунгур, 2003. - С. 334-335.

12. Фатькин К.Б. Оценка возможности AVO-анализа для изучения строения и свойств соляной толщи / К.Б. Фатькин // Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов: материалы междунар. конф. и науч. сес. ГИ УрО РАН. - Пермь, 2003. - С. 91-92.

13. Фатькин К.Б. (ESTIMATION OF THE LARGE SINKHOLE CONSEQUENCES BY SHALLOW SEISMIC CDP SURVEY) / Фатькин К.Б., Санфиров И.А., Кадебская О.И. // 66th EAGE Conference. - Paris, 2004

14. Фатькин К.Б. Изучение форм отображения воздействия разработки на горный массив в поле упругих волн на основе физического моделирования / Санфиров И.А. Бабкин А.И. Асанов В.А. Пригара А.М. Фатькин К.Б. Ярославцев А.Г. // Региональный конкурс РФФИ-Урал. Результаты научных исследований за 2004 г. - Пермь, 2005. - С.254-256.

15. Фатькин К.Б. Возможности сейсморазведочных исследований при обследовании зданий и сооружений на закарстованных территориях / К.Б. Фатькин, И.А. Санфиров, А.Г. Ярославцев // Карстоведение - XXI век: теоретическое и практическое значение: тез. докл. междунар. симп. / ПГУ [и др.]. - Пермь, 2004. - С. 46-47.

16. Фатькин К.Б. Применение AVO-анализа данных малоглубинной сейсморазведки при изучении зон трещиноватости / К.Б. Фатькин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2003 г. - Пермь, 2004. - С. 171-172.

17. Фатькин К.Б. Сейсморазведка малых глубин на территории Пермского Прикамья / Фатькин К.Б. Санфиров И.А., Бабкин А.И., Прийма Г.Ю., Пригара А.М. Ярославцев А.Г., Ахматов А.Е. // Материалы международной научно-практической конференции. ПГУ. - Пермь, 2004. - С.135-137.

18. Фатькин К.Б. Особенности динамического анализа данных малоглубинной сейсморазведки / К.Б. Фатькин // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. / ПГУ. - Пермь, 2005. - С. 215-218.

19. Фатькин К.Б. Возможности динамического анализа данных малоглубинной и инженерной сейсморазведки / К.Б. Фатькин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2004 г. - Пермь, 2005. - С. 143-145.

20. Фатькин К.Б. AVO-классификация неоднородностей соляной толщи / К.Б. Фатькин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2005 г. - Пермь, 2006. - С. 247-249.

21. Фатькин К.Б. Оценка информативности параметров Шуэ при решении задач соляной геологии / Фатькин К.Б. // Инженерная геофизика - 2006: тез. докл. II-й междунар. науч.-практ. конф. - Геленджик, 2006. - С. 25-26.

22. Фатькин К.Б. Определение и анализ параметров Шуэ по данным малоглубинной сейсморазведки / Фатькин К.Б. // Разведка и охрана недр. - 2006. - № 12. - С. 37-39.

23. Фатькин К.Б. Картирование зон замещения и трещиноватости по данным атрибутного AVO-анализа шахтных сейсмоакустических исследований / К.Б. Фатькин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2006 г. - Пермь, 2007. - С. 208-211.

24. Фатькин К. Б. Применение амплитудного анализа отраженных волн для локализации и идентификации физико-геологических неоднородностей водозащитной толщи и продуктивных отложений (на примере ВКМКС) / К.Б. Фатькин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2007 г. - Пермь, 2008. - С. 127-128.

Размещено на Allbest.ru

...