Дисциплина: «Геофизика» Внимание! Перед выполнением задания в обязательном порядке необходимо прочитать материал, изложенный по теме «Сейсморазведка» рекомендуемой литературы. Задание 4. Сейсморазведка I. Общая часть Наименование темы задания: «Определение уровня грунтовых вод по сейсмическим данным метода преломленных волн». Цель – формирование заявленных в УМК профессиональных компетенций путем закрепления и углубления имеющихся, приобретения новых знаний, умений и навыков в процессе изучении теоретического блока дисциплины и решения задач практического блока по теме «Сейсморазведка». Задачи, решаемые в задании: a. Построение вдоль линии наблюдения (сейсмического профиля), совмещенного с осью х: • годографа t пр.в (x) прямой волны; • прямого t1 (х) и встречного t2 (х) годографов головной преломленной волны, т.е. волны, преломленной на зеркале уровня грунтовых вод (УГВ) как преломляющей границы. b. Построение трансформант системы встречных годографов: • разностного годографа Q (x) головной преломленной волны; • линии to (х) головной преломленной волны; c. Построение графика высотных отметок hинд (х) для пунктов приема (ПП) упругих волн вдоль сейсмического профиля; d. Вычисление: • средней скорости VСР упругих волн в покрывающих границу УГВ отложениях; • граничной скорости Vr упругой (скользящей) волны в подстилающих границу УГВ отложениях; • глубины Н (х) залегания преломляющей границы. e. Построение сейсмогеологического разреза. II. Данные для выполнения задания Для определения глубины залегания УГВ в песчаных отложениях вдоль прямолинейного профиля на основании известных формул (табл. 1) проведены сейсмические наблюдения методом преломленных волн (МПВ). Фиксация времени прихода упругих волн в ПП производилась по методу первых вступлений и полученные результаты помещены в таблицу 2. Система наблюдения в данном задании представляется следующими параметрами: 1. расстояния между пунктами приема (ПП) упругих колебаний вдоль линии наблюдения (сейсмический профиль) Δх = 10 м. 2. В данной расстановке используется один сейсмоприемник на сейсмический канал (группирование ПП отсутствует). 3. Взрывной интервал (расстояние между соседними пунктами возбуждения (ПВ) сейсмических волн) l = 250 м. 4. Пункты возбуждения последовательно размещались на обоих флангах (левосторонняя и правосторонняя фланговые расстановки) базы приема, что позволяет обрабатывать результаты сейсмических наблюдений по системе встречных годографов . 5. База приема (расстояние от первого до последнего ПП на сейсмическом кабеле (сейсмическая коса) рассматриваемой установки) L = 250 м. 6. Альтитуды (абсолютные высотные отметки) h, м пунктов приема упругих колебаний также приведены в таблице 2. Внимание! Каждый студент индивидуально изменяет параметр h, м на величину №№ в соответствии с формулой: hинд (х), м = h(х) + №№, где №№ - две последние цифры номера студенческого билета (например, 01, 02, … 21, 22), последовательно прибавляемые к табличным значениям h(х) в разряд единиц (табл. 2). Пример: 105 м +74 = 179 м, где №№ = 74 или 105 м +07 = 112 м, где №№ = 07.Несоответствие в задании этому условию является причиной для отказа в приеме работы к защите. Отдельно вдоль короткого профиля, совпадающего с основной линией наблюдения, при использовании левофланговой расстановки с базой приема L = 40 м были проведены наблюдения (табл. 3) с целью более точного определения скорости распространения упругих волн в сухих песках выше УГВ по годографу прямой волны. III. Сведения из теории Сейсморазведка – представляет собой раздел разведочной геофизики, в котором изучаются поля упругих деформаций происходящих в геологических средах вследствие механических воздействий. Это взрывы, удары, техногенные вибрации, тектонические процессы, в частности землетрясения. Как и в других разделах геофизики поля разделяются на искусственные, используемые преимущественно в сейсморазведке, и естественные, которые изучают в основном в сейсмологии. В результате упругих деформаций в природных объектах возникают упругие объемные волны, основными полезными из которых являются продольные υр и поперечные υs., а второстепенными дифрагированные, интерференционные и боковые. Помимо объемных волн на границе с дневной поверхностью возникают также и поверхностные волны: Релея и Лява, которые в разведочной геофизике, как правило, являются помехами. На рис. 1 (где α и α`- углы падения и отражения волны) показано, если есть граница раздела сред, отличающихся по акустической жесткости А (произведение скорости υ на плотность σ, т. е. А= υ∙σ), то при падении на нее, например продольной Р-волны образуется еще четыре волны: Р1S1 – отраженная поперечная, P1P1 – отраженная продольная волна, P1P2 – преломленная проходящая продольная волна, P1S2 – преломленная проходящая поперечная волна. М Образование упругих волн етод Образование различных типов волн Схема образования головных волн сейсми на границе двух твердых сред ческой разведк и, основа нный на регистр ации волн, а б которы Рис 1. Образование различных (а) типов волн и, в частности, головных е преломленных (б) волн прелом ляются в земной коре в слоях, характеризующихся повышенной скоростью распространения сейсмических волн, и проходят в них значительную часть пути именуют методом преломленных волн (МПВ). Возбуждение сейсмических колебаний ведётся на поверхности или в скважинах и шурфах взрывными или невзрывными источниками сейсмических колебаний. Преломлённые головные волны, образование которых демонстрирует рис.1 б, регистрируют на поверхности стандартными или специализированными сейсморазведочными станциями, расположенными на относительно значительном удалении от пункта возбуждения ПВ волн. Расстояние между источником и приёмником обычно превышают в 1,5-2 раза значение глубины до преломляющей границы. По мере удаления от пункта взрыва число наблюдаемых головных преломлённых волн возрастает, поскольку регистрируются волны, преломлённые во всё более глубоких слоях земной коры. Основная модификация МПВ - корреляционный метод преломлённых волн (КМПВ), который основан на изучении первых и последующих вступлений преломлённых волн, исследовании формы их колебаний и их фазовой корреляции (как и в методе отражённых волн). В простых геологических условиях ограничиваются изучением только первых вступлений (метод первых вступлений). При интерпретации полученных данных определяют время пробега преломлённой волны от источника её возбуждения до пункта регистрации, вычисляют глубину залегания, наклон поверхности пластов с повышенной скоростью сейсмической волны и величину этой скорости. Граничная скорость в преломляющем пласте характеризует его литологический состав, что позволяет в ряде случаев отождествлять преломляющий горизонт с определённой стратиграфической границей. Для вычисления средних скоростей распространения сейсмических волн в толще, перекрывающей преломляющую границу, используются, как правило, данные, полученные методом отражённых волн или сейсмического каротажа. Таким образом, условия возникновения головной преломленной волны рассматриваемой в задании сводятся к следующему: 1. На границу преломления от пункта возбуждения ПВ падает сейсмическая волна, имеющая сферический или цилиндрический фронт при угле падения α (рис. 1 а и б), равному некоему критическому углу i v sin(α = i ) = 1 , v2 2. Скорость V в покрывающих преломляющую границу отложениях должна быть меньше, чем в подстилающих отложениях и, соответственно. в подстилающих больше. При соблюдении этих двух условий, возникает головная преломленная волна ( явление подобное полному внутреннему отражению в оптике). В случае скольжении неоднородной волны по границе в нижележащем более скоростном слое при угле падения большем критического происходит отрыв фронта проходящей преломленной волны от фронта падающей волны, и этот фронт, растекаясь по границе, порождает в первой среде согласно принципу Гюйгенса-Френеля преломлённую (головную) волну, которую и регистрируют на поверхности с помощью сейсмоприемников в ПП. Головная волна компенсирует разрыв сплошности среды и распространяется вдоль границы со скоростью, равной скорости в более высокоскоростной среде (рис. 1 б). Другими словами преломляющая граница сама начинает генерировать в точках прохождения фронта граничной (скользящей) волны собственно головную волну, которая выходит на поверхность. На рис. 2 А представлены траектории распространения сейсмических волн разных классов при горизонтальной границе раздела и срабатывании ПВ вблизи поверхности наблюдения. Из теории также известно, что годографы (графики зависимости времени прихода сейсмических волн в пункты приема от расстояния между ними и пунктом возбуждения) прямой и головной преломленной волн вдоль прямолинейных профилей представляются прямыми линиями, а годографы отраженных волн имеют вид гиперболы (рис. 2 Б ). А Б Рис. 2. А: Траектория распространения сейсмических волн различных классов в случае двухслойной модели среды и горизонтальной границы раздела: S – пункт возбуждения; D – сейсмоприемник; z – мощность слоя; V1 и V2 – скорости сейсмических волн соответственно в покрывающей и подстилающей сейсмическую границу толщах; Б: общий вид годографов прямой, головной и отраженной волн Ниже приводятся формулы необходимые для решения поставленных в задании задач (табл. 1). Расчетные формулы 1 VСР = ΔХ/Δtпр.в. 2 3 4 5 6 hинд (х), м = h (х) + №№, Таблица 1 расчетная формула средней скорости прямой волны; расчетная формула значений линии to (х), где ТВЗ - взаимное время прихода упругой волны во взаимные точки (ПП-ПВ) при построении системы встречных годографов (рис. расчетная формула разностного годографа Q (x); расчетная формула граничной скорости скользящей волны; Расчетная формула индивидуальных значений альтитуд пунктов приема на сейсмическом профиле; расчетная формула для определения глубины УГВ откладываемой относительно линии рельефа в пункте регистрации времени прихода головной преломленной волны IV. Отчетные материалы, представляемые в обязательном порядке для защиты результатов работы и их последовательность На совмещенном графике (рис. 3) представить следующие материалы: 1. годограф прямой волны tпр.в. (х), мс, полученный по наблюдениям специально поставленным для изучения средней скорости в сухих песках (табл. 3); 2. прямой годограф головной преломленной волны t1 (х), мс; 3. встречный годограф головной преломленной волны t2 (х), мс; 4. разностный годограф головной преломленной волны Q (х), мс; 5. линия to (х), мс для головной преломленной волны; 6. Результат вычисления средней скорости VСР, м/с распространения прямой волны в покрывающих преломляющую границу отложениях (формулы табл. 1). 7. Результат вычисления граничной скорости Vr , м/с распространения скользящей волны в подстилающих преломляющую границу отложениях (формулы табл. 1). 8. Схематический геолого-геофизический (сейсмогеологический) разрез (пример, рис. 4) с линией УГВ. V. Порядок выполнения работы 1. Вычислить глубину h (х), м по формуле 5 (табл. 1) и занести полученные значения в таблицу 2 во второй столбец вместо заданных значений h, м (абс. отм). 2. Построить на одном графике (пример рис. 3) для выбранной системы наблюдения: a. годограф прямой волны tпр.в. (х), мс по данным полученным на специальном профиле с базой приема L = 40 м и отметить ПП в которых регистрируется прямая волна и где фиксируется головная преломленная волна. b. прямой годограф головной преломленной волны t1 (х), мс c. отметить ПП в которых регистрируется головная преломленная волна; d. встречный годограф головной преломленной волны t2 (х), мс и отметить ПП в которых регистрируется прямая волна и где фиксируется головная преломленная волна; e. разностный годограф головной преломленной волны Q (х), мс и отметить ПП в которых вычисляется разностный годограф прямой волны и где разностный годограф головной преломленной волны; f. линию to (х), мс для головной преломленной волны и отметить ПП, в которых вычисляется линия to (х), мс для прямой волны и где линия to (х), мс для головной преломленной волны;. Внимание! Помните, что каждая волна характеризуется своей скоростью распространения в среде. Это отражается на форме годографа. Например, для прямой и преломленной волн будут наблюдаться разные углы наклона годографов в виде прямых линий к оси 0Х вдоль линии наблюдения. Поэтому следует внимательно разобраться в каких ПП и какая волна зарегистрирована по первому вступлению. 3. Вычислить среднюю скорость VСР, м/с распространения прямой волны в сухих песках по годографу прямой волны с использованием формулы 1 (табл. 1): VСР = ΔХ/Δtпр.в.. Внимание! В расчетных формулах значение ΔХ, м (не путать с параметром Δх, м - расстояние между ПП) представляет собой произвольно (с учетом памятки в разделе V. п. 1) выбираемый на наклонном прямолинейном графике интервал оси ОХ, соответствующий регистрации прямой волны. Тогда под величиной Δtпр.в.., с будет пониматься интервал оси времен, инд соответствующий приращению годографа прямой волны на выбранном интервале ΔХ, м. Соответственно ΔХ, м в данном случае находиться в интервале регистрации прямой волны, скорость которой нужно рассчитать. В общем случае при прямолинейных формах годографов ΔХ, м может быть кратным значению Δх , т.е. ΔХ = nΔх, где n – коэффициент. 4. Вычислить граничную скорость Vr , м/с распространения сейсмической волны в обводненных песках по формуле 4 (табл. 1): Vr = 2ΔХ/ΔQ. Внимание! Вычислительная схема по формуле 4 (табл. 1) аналогична схеме вычислений по формуле 1 (табл. 1). Здесь интервал ΔХ, м выбирается на участке регистрации головной преломленной волны как в прямом, так и встречном годографах и для него уже по разностному годографу соответстующего участка базы приема (т.е. где есть информация о головной волне как на прямом так и встречном годографах) определяется соответствующее приращение ΔQ , мс. 5. В каждом ПП вычислить значение Н (х), м по формуле 6 (табл. 1) и занести их в табл. 2. 6. Построить схематический геолого-геофизический (сейсмогеологический) разрез: a. построить график изменения рельефа hинд (х), м вдоль сейсмического профиля. b. построить преломляющую границу (УГВ) для интервала базы приема где это возможно, откладывая для соответствующих ПП значения глубины Н (х), м УГВ относительно линии рельефа, т.е. Н имеет смысл глубины залегания УГВ относительно линии рельефа. c. нанести условные обозначения пород, слагающих разрез. Внимание! Внимательнее относитесь к вычислению значений Н на краевых участках профиля. Помните, что информацию о глубине Н (х), м залегания УГВ и упругих свойствах обводненных породах несет сейсмическая волна распространяющая со скоростью Vr , м/с (скользящая и головная). Поэтому внимательней выбирайте участки профиля, где просматривается нужный тип волны с целью вычисления их скоростей. В случае необходимости для получения значений времен прихода головной волны на тех участках профиля, где они не наблюдаются можно воспользоваться линейной интерполяцией имеющегося годографа нужной волны на эти участки. Полученные интерполированные значения снимаемые с в таком случае сгодографов далее можно использовать в вычислительных схемах для Q (х), мс и to (х), для участков базы приема, где головная волна не зарегитрирована и, таким образом, отстроить границу УГВ для всей базы приема. VI. Материалы для выдачи данных студентам Таблица 2 Материалы для построения прямого t1 и встречного t2 годографов головной преломленной волны ПК, м 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 h, м (абс.отм) 117 118 118,5 118,5 118,5 118,5 118 118 117 116,5 116 117 118 119 119 119,5 119,5 120 121 121 121 120 119,5 119,5 119 119 Вариант 1 t1 (х), мс 0 20 38 44 50 54 62 67 72 78 82 86 92 97 104 107 116 118 120 124 131 137 141 148 152 158 t2 (х), мс Н (х), м 158 151 147 142 137 131 125 119 115 108 103 98 91 83 77 70 65 59 53 45 41 37 32 25 19 0 Таблица 3 Данные для построения годографа t пр.в (x) прямой волны ПК, м t1, мс 0 0 10 16 20 33 30 49 40 54 VII. Примерный вид отчетных графических материалов (отвлеченные примеры) Рис. 3. Общий вид годографов: прямой tпр.в.(х) и встречный t*пр.в.(х) годографы прямой волны, годографы (прямой t1 (x) и встречный t2 (x)) головной преломленной волны, разностный годограф Q (x) и линия to (х) головной волны; Твз. – взаимное время прихода головной преломленной волны Указать условные обозначения к представляемому рисунку Рис. 4. Общий вид схематического геолого-геофизического разреза (сейсмогеологический разрез)
