Сейсморазведка

Среди геофизических методов наиболее точный и представительный — сейсморазведка. В отличие от магнитометрического и гравиметрического методов, применяемых для изучения статического силового естественного поля, с помощью сейсморазведки изучают реакцию геологических тел на искусственно вызванные упругие колебания. Эти колебания обнаруживают на различных расстояниях и в различных направлениях от источника колебаний посредством многочисленных сейсмоприемников. Колебания сейсмических волн записываются на фотобумаге или на магнитной ленте.

Рис. 6.7. Блок-диаграмма, иллюстрирующая применение сейсморазведки при веерообразном расположении сейсмоприемников. Такой способ эффективен при картировании погребенных речных русел, залегающих на коренных породах.

Рис. 6.8. Последовательные положения фронтов сейсмических волн через интервалы в 20 мсек. Волна, первой достигшая поверхности за точкой В, преломляется средой Н.

Размещение сейсмоприемников зависит от цели работ. Если необходимо быстро найти погребенное русло реки (рис. 6.7), предпочитают веерообразное расположение, при этом сейсмоприемники помещают на равных расстояниях от точки взрыва. Рыхлый материал, например гравий, проводит упругие волны значительно медленнее, чем окружающие кристаллические породы. Границы русла будут определяться по тем точкам наблюдений, куда волны приходят с наибольшим запаздыванием. Этим методом устанавливают направление и ширину русла погребенной реки, но не мощность слагающего его аллювия.

Более точным в количественном отношении, позволяющим решать последнюю задачу, является метод преломленных волн, при котором сейсмо-приемники располагают по лучу от точки взрыва (рис. 6.8). Если изучаемые породы однородны и изотропны, волны расходятся радиально из точки взрыва в виде сферических фронтов. Если природный материал неоднороден, волны будут преломляться в соответствии со следующей зависимостью:

(6.1)

где i — угол падения; r — угол преломления; V1 — скорость волны в первой среде; V2 — скорость волны во второй среде (рис. 6.9). Если возрастание скорости волны в направлении распространения достаточно велико или угол падения достаточно большой, то угол преломления может достигнуть 90°. В данном случае происходит полное отражение волны. На рис. 6.8 показаны последовательные положения фронтов волны, проходящей через слоистые-породы. Так, в точку A первой приходит прямая волна, распространяющаяся только в среде G, но в точки, лежащие вправо от В, первой приходит преломленная волна, путь которой частично пролегает в среде Н, где скорость распространения сейсмических колебаний больше. Если построить график зависимости времени прихода волны от расстояния до источника взрыва (рис. 6.10), можно вычислить скорости распространения волн в обеих средах, а также мощность верхнего слоя. Поскольку волна от S к В (рис. 6.8) распространяется по прямой линии, величина угла наклона первого отрезка кривой (рис. 6.10) обратно пропорциональна скорости распространения волны в среде G. Вместе с тем, учитывая, что преломленная волна, первой достигающая точек вправо от В, проходит каждый раз одно и то же расстояние в среде G, можно показать, что угол наклона второго отрезка кривой обратно пропорционален скорости распространения волн в среде Н. Глубина залегания горизонтальной границы рассчитывается по данным определения скоростей волн в каждой среде, при этом используются следующие зависимости. Преломленная и прямая волны (рис. 6.8), достигшие В, будут проходить соответственно пути SDEB и SB. Время прихода прямой волны t1 определяется из выражения

Время, необходимое для прихода преломленной волны, следующее:

Рис. 6.9. Преломление сейсмических волн на границе раздела двух сред, где волны имеют различные скорости распространения.

Но поскольку , и

то

но

тогда

поэтому

(6.2)

Последнее уравнение используется для расчета глубин до горизонтальных слоев, в которых волны распространяются быстрее, чем в поверхностном слое. Сходные, но более сложные уравнения были получены для расчетов по годографам с тремя или более наклонами кривой. Пересеченный рельеф, характер напластований, различные структурные особенности и малые различия в скоростях распространения волн усложняют интерпретацию годографов. При интерпретации данных, относящихся к сложным структурам, большую помощь оказывают измерения времени прихода волн сначала в одном направлении, а затем в другом. Также с целью получения параметрических данных рекомендуется измерять скорости распространения волн непосредственно в природной среде, помещая источник взрыва (взрывчатку) или сейсмоприемники в буровые скважины на заданную глубину или используя время прохождения волн между относительно близкими точками в местах выхода изучаемой породы на дневную поверхность. Если известны скорости распространения волн, для решения сложных задач могут быть использованы графический и аналитический методы.

Рис. 6.10. Годограф для гипотетического случая, показанного на рис. 6.8. Уравнение, используемое для вычисления глубины до границы раздела, верно, если поверхность земли и поверхность раздела параллельны. Точки на кривой характеризуют данные, полученные с помощью сейсмоприемников.

На рис. 6.11—6.13 представлены примеры, иллюстрирующие возможности метода преломленных волн при решении гидрогеологических задач. Необходимым условием успеха является значительная разница в скоростях распространения упругих волн. Метод преломленных сейсмических волн имеет два существенных ограничения; которые необходимо учитывать. Во-первых, обычно невозможно получить информацию о слоях, залегающих ниже слоя плотной и твердой породы, отличающейся наибольшей скоростью распространения волн. Например, пласт базальта или плотного известняка вызовет отклонение волн, как это показано на рис. 6.14. В этом случае никаких прямых данных о нижележащих слоях получить нельзя. Второе ограничение связано с затратами на проведение сейсморазведки. Обычно большое количество специального оборудования и многочисленный персонал делают сейсморазведку самым дорогим из всех геофизических методов исследований.

Рис. 6.11. Схема проведения сейсморазведки методом преломленных волн для нахождения места смещения поверхности грунтовых вод вдоль сброса. Аллювий водопроницаем и довольно однороден, за исключением зоны сброса. Горизонтальный масштаб годографов отличается от масштаба геологического разреза; отдельные сейсмические профили фактически накладываются один на другой.

Использование метода отраженных волн позволяет получать данные о глубинных слоях, в том числе о слоях с высокими скоростями распространения волн, хотя для этого необходимо иметь более сложное оборудование, а интерпретация данных может оказаться значительно более трудоемкой, чем при использовании простого метода преломленных волн. Применение портативных сейсмических приборов, которые обслуживают два человека, при исследованиях на небольшой глубине методом преломленных волн снижает стоимость работ. Если требуется изучить слои, залегающие на глубине менее 50 футов, для создания сейсмических колебаний можно использовать обычную кувалду, что исключает необходимость применения сильных взрывчатых веществ в населенных районах.

Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в б. СССР, показывают, что различия в пористости и размере зерен осадочных пород, слагающих водоносные горизонты, можно отражать на карте в результате изучения характеристик (коэффициентов) поглощения преломленных волн при различных частотах. Было установлено, что коэффициенты поглощения подвержены довольно значительным изменениям, тогда как граничные скорости волн изменяются мало. При усовершенствовании этот метод, возможно, позволит проводить качественную оценку пористости, а также водопроницаемости аллювиальных отложений, образующих водоносные горизонты.

Рис. 6.12. Влияние наклонной границы раздела на форму годографов (вторые участки кривых имеют уклон). Действительные границы раздела обычно не такие ровные, как показано на схеме, поэтому интерпретация годографов обычно затруднена и поручается опытным геофизикам.

Рис. 6.13. Схема, на которой изображены годографы, полученные для одного и того же участка, но для противоположных направлений распространения волн (встречные годографы). Построение годографов для обоих направлений необходимо, чтобы верно интерпретировать сейсмические данные. Только один нижний годограф ошибочно показывал бы горизонтальную границу раздела.

Рис. 6.14. Схема, объясняющая, почему обычный метод преломленных волн нельзя использовать для нахождения границ раздела ниже слоя с высокой скоростью распространения волн. Фронт волцы преломляется нижней границей раздела базальт — туф вниз, так что os не может быть обнаружен на дневной поверхности. Отрезок годографа, соответствующий скорости V3=7000 фут/сек, на графике не показан.

 
< Пред.   След. >