Лекция №7 - Геологический портал GeoKniga
реклама
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. Физикогеологические основы сейсморазведки а) S б) S • 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: Dl F 1 l S E Закон Гука где: l-длина тела, Dl-изменение длины, S-площ. попер. сечен., E- модуль Юнга. Физико-геологические основы сейсморазведки Dr r коэффициен т Пуассона Dl l Коэффициент Пуассона выражает отношение поперечной деформации к продольной, где: r – ширина тела до деформации; Dr – изменение ширины тела в результате деформации. T GQ Модуль сдвига – коэффициент пропорциональности между приложенным к телу касательным напряжением T и углом сдвига Q. Имеется связь между этими модулями. GE 2( 1) Продольные, поперечные, поверхностные волны • 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. Волна движется с определенной скоростью – сейсмическая скорость – V (км/с). Число гребней (прогибов), проходящих через фиксированную точку в одну секунду – частота – f (гц). V f Продольные, поперечные, поверхностные волны • Скорости Vp и Vs выражаются через модули: Vp E (1 ) (1 )(1 2 ) Vp Vs Vs 2(1 ) E 2 (1 ) (1 2 ) Vp > Vs. Величина Vs/Vp изменяется у различных типов пород от 0.3 до 0.6. Для плотных пород Vs/Vp=0.5-0.6 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 Vs1 по сравнению с подстилающей Vs2. Vr 0.9Vs Vs1 VL Vs 2 • Волна движется с определенной скоростью – сейсмическая скорость V • Число гребней или прогибов, проходящих через фиксированную точку в 1 секунду – частота (гц) - f V 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. Луч Фронт волны 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 sin a1 sin a 2 V1 V2 Если луч – в одной среде (V1), то a1a2 Угол падения равен углу отражения. • Закон преломления. sin a1 sin b V1 V2 aугол падения, bугол преломления. Волны, используемые в сейсморазведке • • • • • • • P1- прямая (падающая волна). При попадании продольной волны на границу, она будет отражаться и преломляться, создавая 4 типа вторичных волн: Верхняя среда P11 - продольная отраженная волна P1S1- поперечная отраженная волна волна. Нижняя среда P12 - продольная проходящая волна P1S2- поперечная проходящая волна Волны, не меняющие свой тип на границе – монотипные (P11 , P12 ). Волны, меняющие свой тип на границе – обменные (P1S1 , P1S2). Типы волн • Отраженные волны (ОВ). «Акустическая жесткость= V» необходимое условие формирования ОВ. ( V ) ( 1 V )1 Коэф. App 2 2 2 V2 1 V1 Отражения - сильные акуст. границы – Арр>0.5 - средние акуст. границы - 0.1<Арр < 0.5 - слабые акуст. границы Арр < 0.1 • Преломленные волны (ПВ). 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. sin i1 V1 sin 2 V2 • 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 sin i1 p sin i1s создаются в результате «волновой отраженные V1 p V1s конверсии. • P волны – отражаются и преломляются, sin i1 p sin i2 s преломленные • S волны – отражаются и V1 p V2 s преломляются 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. • Томография – базовый метод изучения внутреннего строения (как Земли, так и человека). • Пример. Пусть лучи имеют одинаковую протяженность. Время прихода волн по трассам: AA1, BB1, CC1, HH1- одинаково (стандарт). • Время прихода волн по трассам: DD1, EE1, FF1, GG1- увеличено (уменьшено) по отношению к стандарту. • Различия во времени прихода по отношению к стандарту таких волн – первые проценты при нижней точке луча –несколько сотен км. • В нижней мантии изменения Vp и Vs - менее 1%. У Vs различия больше чем у Vp. Сейсмическая томография 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).
