Метод преломленных волн и сейсмическая томография в инженерной геофизике

А.Г.Колонин, 2006

При использовании сейсморазведки методом преломленных, а точнее – «головных», волн (МПВ) при изучении приповерхностных неоднородностей возникают три нижеследующие проблемы.

Во-первых, информации о временах прихода волн и скоростях их распространения часто бывает недостаточно для однозначного определения природы аномалий. Например, при том, что низкоскоростная аномалия может обозначать зону разлома, водонасыщенность самой зоны не может быть надежно определена без использования амплитудных данных, так как ослабление амплитуды может указывать на высокое поглощение сигнала в обезвоженной зоне.

Во-вторых, горизонтальные размеры интересующих локальных неоднородностей часто бывают меньше нормальног сноса преломленных волн, так что оказывается крайне трудно разделить аномалии связанные с изменениями рельефа, скоростей или и того и другого. Например, мелкомасштабная горизонтальная низкоскоростная неоднородность может быть ошибочно интерпретирована как понижение рельефа, так что погребенная зона разлома может быть идентифицирована как погребенное русло.

В третьих, иногда оказыватся невозможно обеспечить полное покрытие области исследований по причине наличия природных или промышленных объектов, препятствующих проведению полноценных площадных исследований. Например, при исследовании динамики состояния тектонических разломов или зон фильтраций в слоях подстилающих существующее строение, невозможно покрыть территорию, занимаемую строением, сетью сейсмических профилей для стандартных наблюдений МПВ.

Мы предлагаем технологию сейсмических исследований, методику обработки и интерпретации данных вместе с автоматизированной системой (пакетом программ) «Геотомо», успешно решающие обозначенные выше проблемы.

Наш подход, в целом, предполагает полное использование всей информации содержащейся в полевой сейсмической записи, как показано на Рис.1. Не только первые вступления могут быть использованы и не только обычные продольные сейсмические разрезы могут быть построены. Мы определяем как времена прихода волн, так и их амплитуды, осуществляя их «приведение» к плоскости преломляющего горизонта, с учетом сейсмического сноса. Обработка производится методами сейсмической томографии, с построением поверхностных карт скоростей и коэффициентов поглощения-рассеяния. Далее, полученные данные о скорости и поглощении-рассеянии могут быть использованы для совместной геологической интерпретции.

Рис 1. Входные сейсмические данные и выходные результаты обработки и интерпретации

Для исследования частично закрытых с поверхности объектов, мы предлагаем наблюдения преломленных сейсмических волн, организованные по профилям, окружающим объект исследований по контуру. К примеру (как показано на Рис.2 справа), могут быть использованы два различных профиля для источников и приемников, с получением 3-мерных тракторий преломленных волн в подповерхностном пространстве. Далее, в процессе предобработки, может быть учтен сейсмический снос и введены поправки за счет прохождения волн в покрывающей среде. Таким образом, получаются «приведенные» данные, как будто полученные при организации наблюдений прямых (проходящих) волн непосредственно на преломляющей границе. Для расчета сейсмического сноса и временных поправок, прежде всего, должны быть организованы обычные 2-мерные сейсмические наблюдения МПВ по используемым профилям. В итоге, используя 2-мерные «приведенные» к поверхности преломляющей границы данные, обычные методы 2-мерной сейсмической томографии могут быть использованы для восстановления скорости и поглощения-рассеяния по кровле преломляющего пласта.

Рис 2. Продольная и контурная схемы наблюдений методом преломленных волн

Поверхностный профиль приема

Для разделения локальных структурных и литологических аномалий при интерпретации годографов первых вступлений МПВ, мы предлагаем два подхода для учета сейсмического сноса. Прежде всего, наша система интерпретации сопряженных годографов позволяет строить многослойную скоростную модель по нагоняющим годографам с различными выносами пункта возбуждения. Сама многослойная модель может быть использована для построения распределения эффективных скоростей вдоль профиля по каждой из преломляющих границ. Эти эффективные скорости, вместе с начальным приближением глубинной модели, могут быть использованы для оценок пространственного сноса и временных поправок, таким образом, что перекрывающиеся аномалии рельефа и граничной скорости (определяющие структурную и литоло-гическую информацию, соответственно) могут быть разделены. Второй, альтернативный, подход, используемый нами, основан на оригинальном алгоритм е «миграции годографов», по сути сходном с миграцией сейсмограмм до суммирования в обычной сейсморазведке методом отраженных волн. При этом, миграция применяется к временам годографов, а не к полному волновому полю. Последний алгоритм может рассматриваться как аналогичный классическому методу «полей времен», при том, что он обеспечивает существенно более высокую разрешающую способность. Оба подхода, кратко описанные выше, обеспечивают сходную эффективность, позволяя получать более высоко разрешенные результаты чем обычная интерпретация МПВ. Рис.3 демонстрирует применение первого подхода для локализации погребенной верхней кромки эродированной кимберлитовой трубки, используя данные синтетического моделирования. Без учета сейсмического сноса, побочные «ложные» структурные аномалии искажают рельеф преломляющей границы, в то время как скоростная аномалия недостаточно контрастна. Учет сноса делает скоростные аномалии более четко выраженными и устраняет побочные структурные эффекты.

При использовании сейсмической томографии МПВ в сейсмических исследованиях, важно, при наличии такой возможности, обеспечивать наблюдения не только на двух параллельных профилях. Для надежной и представительной интерпретации, критично проводить наблюдения таким образом, что участок исследований оказывается полностью оконтурен профилями возбуждения и приема. Рис.4 иллюстрирует применение приповерхностной сейсмической томографии МПВ для обнаружения погребенной кимберлитовой трубки. Очевидно, что использование набора лучей, ограниченного двумя профилями только на севере и юге или только на западе и востоке, приводит к искажению реконструированных аномалий вдоль преобладающего направления лучевых траекторий.

Figure 3. Определение горизонтальной скоростной аномалии при продольном профилировании преломленными волнами

Сопряженные годографы по линейному профилю, пересекающему скоростную аномалию по ширине несколько больше чем снос преломленной волны.	Сопряженные годографы по линейному профилю, пересекающему скоростную аномалию по ширине несколько меньше чем снос преломленной волны.
Сопряженные годографы, глубинный разрез и графики скоростей в покрывающем слое и граничной, для приведенной выше модели, без учета сейсмического сноса.	Сопряженные годографы, глубинный разрез и графики скоростей в покрывающем слое и граничной, для приведенной выше модели, без учета сейсмического сноса.
Сопряженные годографы, глубинный разрез и графики скоростей в покрывающем слое и граничной, для приведенной выше модели, с учетом сейсмического сноса.	Сопряженные годографы, глубинный разрез и графики скоростей в покрывающем слое и граничной, для приведенной выше модели, с учетом сейсмического сноса.

Рис 4. Восстановление скоростной аномалии в кровле преломляющего горизонта методом сейсмической томография МПВ

Синтетическая модель – скорость продольной сейсмической волны.	Схема хода лучей для одного источника (на севере) и расстановки приемников (на юге).
Томографическое восстановление скорости с использованием источников и приемников только на западе и востоке.	Томографическое восстановление скорости с использованием источников и приемников только на севере и юге.
Томографическое восстановление скорости с использованием всех источников и приемников - как на западе и востоке, так и на севере и юге.	Результат восстановления с использованием всех источников и приемников, после применения многоуровневой дифференциации.

Система «Геотомо» представлена в Интернете: http://itso.ru/.

Литература

1. Колонин А. Г., Возможности использования результатов сейсмического просвечивания для обнаружения локальных неоднородностей. - Геология и геофизика, Новосибирск, 1989, N 3, С. 101-110

2. Колонин А.Г., Автоматическая обработка данных просвечивания. - Передовой науч.-произв. опыт / ВИЭМС., М., 1989, Вып.7, С. 3-6

3. Колонин А.Г., Сейсмическая томография с использованием амплитуд отраженных волн. - Российский геофизический журнал, Санкт-Петербург, 2002, 25-25, C.12-18