Инженерная сейсморазведка 

Малоглубинные сейсмические исследования выполняются с целью изучения наиболее сложной верхней части разреза, характеризующейся латеральной и вертикальной неоднородностью пород, их анизотропией, невыдержанностью границ, в пределах которой протекает вся строительная и хозяйственная деятельность человека. К таким работам предъявляются повышенные требования к точности построения границ и оценке свойств пород. Сейсморазведка малых глубин связана с применением портативных малоканальных цифровых сейсмостанций с накоплением сигналов со слабыми невзрывными источниками сейсмических колебаний при изучении геологического разреза на глубине до 500 м.

При сейсмических исследованиях изучают особенности распространения различных типов упругих волн в геологических средах. Определяют

1) скорости распространения продольных V_P, поперечных V_S, поверхностных V_R и других волн;

2) изменение с расстоянием амплитуды колебаний указанных волн, что позволяет вычислять коэффициенты и декременты поглощения;

3) отношения сейсмических параметров для разных волн;

4) изменения сейсмических параметров в зависимости от направления распространения волн, т. е. коэффициенты анизотропии для скорости, декрементов поглощения;

Параметры, характеризующие скорость и время распространения волн, называют кинематическими, а параметры, определяемые изменением формы записи (амплитуда, частота) – динамическими [Манштейн, 2002].

Волны и вызывающие их волновые процессы являются особым видом движения, при котором изменение какой-либо величины или состояния среды передается от одной точки среды к другой с конечной скоростью. Отличительной особенностью волновых процессов является то, что событие, происходящее в одной точке среды, через некоторое время происходит в другой почти в неизменном виде. В однородной изотропной среде возможны волны двух типов. Волны первого типа вызывают такие колебания частиц среды, при которых направление перемещения частиц совпадает с направлением распространения волны. Такие волны называют продольными (Р-волнами). Волны второго типа вызывают колебания, при которых частицы смещаются в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волн. Волны этого типа называют поперечными (S-волнами).

Скорости продольной Р- и поперечной S-волн связаны с упругими характеристиками среды следующими соотношениями:

где k – коэффициент Пуассона; Е – модуль продольной упругости, или модуль Юнга (эти параметры могут быть определены экспериментально в лаборатории при растяжении стержня); σ – плотность среды; μ - модуль сдвига. Отношение V_P /V_S зависит только от коэффициента Пуассона:

В жидких и газообразных средах распространяется только продольная волна, поскольку μ = 0 [А. Нурмагамбетов, Е.И. Кульдеев, 2012].

В инженерной геофизике, как правило, изучают все известные типы горных пород от твердых монолитных базальтов до весьма слабых по прочности илов, песков и торфяных грунтов. По характеру структурных связей эти породы делятся на три типа: скальные (жесткие связи); зернистые песчано-обломочные (силы трения на контактах); глинистые, в которых преобладают водно-коллоидные связи. Кроме того, есть переходные типы. Сейсмические свойства горных пород определяются их составом, особенностями структуры (пористость, трещиноватость, слоистость), характером заполнения пор (воздух, вода, лед) и термодинамическими условиями (давление, температура). Для указанных типов пород зависимость сейсмоакустических свойств от указанных факторов различна. В таблице приведены скорости продольных и поперечных волн в зависимости от состояния горной породы:

Таблица 1. Значения скоростей и их отношений в горных породах при различном состоянии

Основным видом наземных сейсмических исследований является продольное профилирование. В зависимости от решаемых задач наблюдения проводят по отдельным профилям или по системе пересекающихся профилей (площадная съемка).

Отраженные и преломленные волны при их совместном использовании в ряде случаев значительно расширяют возможности сейсморазведки. Однако различия в кинематических и динамических характеристиках этих волн привели к тому, что методы, основанные на их использовании, с самого начала своего существования развивались раздельно. Использование отраженных волн лежит в основе метода отраженных волн (MOB), головных преломленных — в основе метода преломленных волн (МПВ).

Самой распространенной модификацией метода отраженных волн является метод общей глубинной точки (МОГТ), основанный на многократной регистрации и последующем накапливании сигналов сейсмических волн, отражённых под разными углами от одного и того же локального участка (точки) сейсмической границы (рис.1).

Рис.1. Принцип метода общей глубинной (средней) точки

 В сейсморазведке при исследованиях МОГТ-2D наиболее часто используются следующие системы наблюдений: 

• фланговые – с пунктами возбуждения, расположенными по одну сторону базы приёма – линии пунктов приёма (ЛПП);
• встречные фланговые – с пунктами возбуждения, расположенными на обоих концах базы приёма (ЛПП) или с двух сторон за её пределами (встречные фланговые с выносом);
• центральные – с пунктом возбуждения в центре базы приёма (симметричные) и с пунктом возбуждения, смещённом к одному из краёв базы приёма (асимметричные).

При проведении работ по методу преломленных волн (МПВ) используют системы наблюдений, обеспечивающие надежное распознавание волн и их прослеживание по всей исследуемой площади, что достигается при наблюдениях по системе встречных или нагоняющих годографов. При получении встречных годографов в каждой позиции приемной расстановки возбуждение проводят с правого и левого флангов, и затем всю измерительную установку перемещают по профилю с некоторым шагом. При получении нагоняющих годографов возбуждение проводят только с одного фланга, после чего измерительную установку также перемещают вдоль профиля.

Особенностью МПВ является возможность при залегании слоистой толщи на полупространстве или однородном слое большой мощности преломленную от подошвы этой толщи волну наблюдать на таком расстоянии от источника, при котором она приходит к поверхности раньше всех других волн (метод первых вступлений). Это свойство преломленных волн широко используют при решении инженерно-геологических и гидрогеологических задач, когда, например, необходимо найти положение границы, разделяющей рыхлые и консолидированные отложения или сухие и водонасыщенные.

После выполнения этапа полевых работ наступает этап обработки полученных данных. Под обработкой сейсмических данных понимают совокупность операций, проводимых в определенной последовательности по каждой сейсмотрассе или группе сейсмотрасс с целью максимального подавления регулярных и нерегулярных помех и наиболее полного выявления кинематических и динамических характеристик изучаемых волн.

При проведении работ по методу ОГТ на каждой точке наблюдения получают N сейсмотрасс — сейсмограмму ОГТ. Обработка данных метода ОГТ — это сложный и многоступенчатый процесс, в результате которого N сейсмотрасс сейсмограммы ОГТ заменяют одной новой сейсмотрассой, на которой однократные волны преобладают по интенсивности над многократными и всеми другими видами нерегулярных и регулярных волн-помех.

Обработка материалов МПВ производится способом встречных прямолинейных годографов. Наблюденные годографы осредняются отрезками прямых. Скорость в первом слое вычисляется по угловому коэффициенту годографа прямой волны. Скорости во втором и последующих слоях определяются по угловым коэффициентам преломленных волн с привлечением данных о скорости в первом слое. Используя длины отрезков, отсекаемых продолжениями годографов преломленных волн на оси времен, и вычисленные скорости, рассчитывают эхо-глубины до преломляющих границ.

Помимо описанных выше способов, существует томографический метод решения обратной задачи. В сейсмике применяется множество различных томографических подходов. Все они основаны на восстановлении определенных параметров среды и, прежде всего, скоростного распределения, коэффициентов поглощения, местоположения точек дифракции и т.д. Измеряемыми параметрами в этих случаях могут быть время вступления волны, амплитуда определенной фазы, азимут подхода, динамические характеристики целого волнового пакета и т.д. [Всемирнова Е.А., Рослов Ю.В., 2005]. На рисунке 2 приведен пример томографической обработки сейсмических данных.

Рис.2. Результаты томографической обработки данных инженерной сейсморазведки.

По сравнению с собственно обработкой, процесс интерпретации является значительно более сложным и неоднозначным. Интерпретацию сейсморазведочных данных выполняют на всех этапах их обработки: без своевременного анализа и геологического истолкования промежуточных материалов нельзя получить полноценные окончательные результаты. Решающее значение интерпретация приобретает на заключительном этапе построения итоговой сейсмогеологической модели объекта исследований.

На волновых картинах интерпретатор с помощью специальных компьютерных программ, снабженных разнообразными средствами визуализации, обнаруживает и прослеживает полезные волны. В результате он создает толстослоистую структурно-скоростную модель исследуемой среды, т. е. объемную или плоскую картину геологических объектов в сейсмическом представлении — осадочных напластований, складчатых образований, разрывных нарушений, локальных неоднородностей. Из формы и интенсивности отраженных волн можно извлекать информацию о физических свойствах пород, составляющих разрез, и тем самым прогнозировать их геологические характеристики.

Количественная интерпретация годографовов и временных разрезов начинается с изучения скоростного разреза и определения средних скоростей толщ пород над каждой из выявленных отражающих и преломляющих Далее временные разрезы преобразуются в глубинные, т.е. определяется геометрия разреза (глубины залегания, углы наклона) и распределение пластовых, средних, граничных скоростей по профилю и глубине.

Заключительным этапом является геологическое истолкование результатов, для чего используется вся геологическая информация, данные бурения и геофизических исследований в скважинах (ГИС). Оно заканчивается построением сейсмогеологических разрезов, называемых так потому, что это фактически структурно-геологические разрезы, но построенные по данным сейсморазведки и ГИС (подробнее). 

В качестве аппаратуры используется ТЕЛСС-3 - облегченная телеметрическая сейсмостанция использующая четырехканальные цифровые модули соединяемые последовательно кабельными секциями в линию приема, которая может наращиваться до 200 активных каналов. В кабельной секции находится 4 разъема для подключения сейсмоприемников. Каждый телеметрический модуль "обслуживает" 2 ближайших сейсмоприемника в линии "справа от себя" и 2 "слева". Линия приема подключаетя к интерфейсному модулю, который по USB кабелю или Wi-Fi соединению (в зависимости от исполнения) подключается к ноутбуку или планшету оператора.

Благодаря использованию телеметрических модулей оцифровки данных уменьшается расстояние от сейсмоприемника до измерительного канала, что позволяет повысить помехоустойчивости системы от наведенных помех и снизить взаимные влияния между каналами в сейсмической косе.