Введение к работе
Объектом исследования настоящей работы являются волновые поля, полученные в результате ультразвукового сейсмического моделирования, для структур со сложной верхней частью разреза, имеющих как блоковый характер, так и высокоскоростные слои с криволинейными границами. Разрезы с блоковой верхней частью, обусловленной трапповыми интрузиями, характерны для районов 2-й и 3-й категории сложности Сибирской платформы. Структуры с высокоскоростными слоями криволинейной формы характерны для районов с наличием многолетнемерзлых пород (ММП) Западной Сибири.
Актуальность темы обусловлена следующими обстоятельствами. При проведении сейсморазведочных работ, связанных с поиском углеводородов, в районах 2-й и 3-й категории сложности Сибирской платформы границы следятся только на фрагментах сейсмического разреза и требуется выяснение причин плохой прослеживаемости границ. Поскольку наибольшая расчлененность разреза наблюдается, как правило, в верхней части разреза (ВЧР), то и влияние ВЧР на волновое поле является основным. При постановке работ на поиск алмазов сейсмическими методами возникает необходимость выяснить характер влияния трубки на волновое поле для формирования критерия ее поисков. Неоднородные высокоскоростные слои ММП вносят искажения в волновые поля глубинных отраженных волн, что приводит к ошибкам при построении разреза. Выяснить влияние ВЧР с трапповыми интрузиями или слоями ММП на волновые поля невозможно без решения прямой задачи сейсмическим моделированием.
Выявить основные факторы, влияющие на волновое поле, и осуществить перебор параметров возможно как при физическом, так и при математическом моделировании. Но методы математического моделирования, основанные на лучевом методе, для сложных структур имеют ограничения, связанные с неполным представлением поля. А методы, связанные с численным решением уравнений, или методы, учитывающие следующие члены в лучевом приближении, в том числе и краевые волны, применимы не для всех классов ЭВМ и требуют затраты достаточно большого машинного времена. Кроме того, этим методам пока не под силу решения для трехмерных моделей с реализацией систем наблюдения с многократным перекрытием.
Ультразвуковое физическое моделирование ранее широко применялось для анализа волновых полей( Ю.В.Ризниченко. Б.Н.Ивакин, Е.М.Аверко, Н.А.Караев, Д.Г.Шамина, П.Г.Гильберштейн, Хилтерман в США и др.). Применимость ранее выполненных исследований ограничена многими факторами: узостью частотного диапазона, малым количеством моделей, отсутствием многокомпонентной регистрации и, как правило, без цифровой записи и обработки на ЭВМ.
Целый работы является повышение информативности сейсморазведки в районах со сложным строением ВЧР. содержащих трапповые интрузии, и повышение точности построения разреза в районах с криолитозоной. Для реализации этой задачи необходимо было модернизировать аппаратуру для ультразвукового моделирования и осуществить цифровую регистрацию многокомпонентного волнового поля в широком диапазоне частот как на продольных, так и на поперечных волнах.
Задачи исследований:
выявить закономерности поведения волн, отраженных от целевой границы, и волн помех в средах со сложным строением ВЧР с параметрами, характерными для трапповых интрузий Восточной Сибири и криолитозоны Западной Сибири;
определить влияние кимберлитовой трубки на волновое поле и проанализировать пути, улучшающие ее выделение.
Фактический материал и методы исследования. Теоретической основой создания моделей является общепризнанная теория подобия. Анализ экспериментальных волновых полей проводился на основе лучевой и дифракционной теории и в рамках теории упругости. Многокомпонентная и широкополосная регистрация волновых полей с записью результатов моделирования в цифровом виде с вводом и обработкой на ЭВМ осуществлялась на аппаратурном комплексе "ЭХО-1". Частично материал обрабатывался на вычислительных центрах. Для проверки основных особенностей волнового поля проводилась сверка результатов на двумерных и трехмерных объектах с применением методики иерархии моделей с перебором параметров и переходом от простых к более сложным. Регистрация волнового поля выполнялась в основном по методу отраженных волн, а для исключения помех и более точного определения динамических и кинематических характеристик регистрация осуществлялась во внутренних точках или на просвет. Результаты моделирования представлены для 22 двумерных и 11 трехмерных моделей. Для некоторых типов волн проводилось сравнение их поведения с результатами теоретического анализа.
Защищаемые научные результаты
Теоретически проанализировано и экспериментально доказано, что для пьезоэлектрического преобразователя с радиусом контакта меньше четверти длины поперечной волны при согласованном волноводе отсутствуют резонанси пьезоэлемента; ширина частотной характеристики определяется отношением модулей Юнга пьезоэлемента и модели и отношением радиуса к высоте пьезоэлемента, а чувствительность пропорциональна высоте пьезоэлемента.
В средах с блоковым строением верхней части разреза поле глубинных отраженных волн, в первую очередь, определяется наложением частично кратных и обменных волн, образующихся в верхней части разреза и, как правило, прослеживаемость и разрешенность поперечных волн выше, чем у продольных, а в средах, характеризующихся случайным рассеиванием, при одинаковом разрешении записи по глубине отношение сигнал/помеха для поперечных волн выше, чем для продольных.
Интенсивность и дисперсия волны Релея в сильной степени зависит от мощности и скорости слоя. Наибольшая дисперсия этой волны имеет место при мощности слоя около 0,2Др: для низкоскоростного слоя при этом характерны большая интенсивность и резкое увеличение длительности импульса с расстоянием, а для высокоскоростного - малая интенсивность и выделение лишь слабых высокочастотной и низкочастотной составляющих, имеющих соответственно высокую и низкую скорости.
Интенсивность волны, отраженной от горизонтальной границы, в условиях кимберлитовой трубки определяется расположением пункта возбуждения и профиля приема; для волны, секущей трубку под углом, близким к нормальному относительно ее вертикальной оси, происходит фокусировка, а для волны, распространяющейся вдоль образующих трубки, имеет место резкое ослабление (нелучевой эффект), образование интенсивной обменной волны происходит при близком расположении источника к трубке.
При прохождении волны через высокоскоростной слой с криволинейными границами происходит не только ослабление сигнала, но при определенных условиях имеет место полное экранирование участка нижележащей отражающей границы; кроме того, при больших углах скачкообразное увеличение времени прохождения обусловлено обкеном в слое типа P-S-P.
Новизна работы и личный вклад. В работе оригинально решены вопросы: расширения частотной полосы датчика, увеличения точности цифровой регистрации и методики моделирования.
Опираясь на известное решение для жесткого штампа на границе полупространства, представляя смещение в пьезоэлементе и волноводе в виде бегущих волн в стержне и применяя граничные условия к усредненным значениям деформации и напряжения по поверхности контакта пьезоэлемента со средой, получено решение для волнового уравнения в пьезоэлементе, на основе которого построены зависимости частотной характеристики датчика от геометрических, упругих и электрических параметров. Это позволило изготовить оптимальные датчики и на их основе провести возбуждение и регистрацию волновых полей для большинства моделей.
Используя цифровую аппаратуру для ультразвукового физического моделирования, разработанную при непосредственном участии автора, осуществляя многокомпонентную регистрацию волновых полей с шириной частотного диапазона до трех октав, применяя методику перебора параметров и систематизацию с последовательным усложнением моделей и анализируя поляризацию волн, выявлен характер частотных зависимостей волновых полей от параметров ВЧР для продольных и поперечных волн.
Сопоставляя результаты моделирования на твердых моделях с данными на твердо-жидких моделях, в которых возбуждаются и регистрируются только продольные волны, проанализирована роль помех, связанных с обменными волнами, в средах со сложным строением ВЧР.
Регистрируя волну во внутренних точках среды на вертикальных и горизонтальных профилях, показано влияние края высокоскоростного блока на формирование проходящей волны в зависимости от положения источника для метода ВСП и выявлено раздвоение осей синфазное этой волны, приводившее к неоднозначной интерпретации.
Используя трехмерное моделирование на твердой модели, содержащей кимберлитовую трубку и примыкающие к ней отражающие и преломляющие границы, и регистрируя на продольных и непродольных профилях основные и побочные компоненты волновых полей, определено поведение волнового поля в условиях кимберлитовой трубки.
Практическое значение имеют как разработанные датчики и элементы аппаратуры, так и результаты моделирования: при прове-
дении и интерпретации данных сейсморазведки, направленной на поиск углеводородов, в районах с блоковым строением верхней части разреза, например на Сибирской платформе, и в районах наличия слоя многолетнемерзлых пород, а также при проведении сейсморазведки, направленной на поиск алмазных месторождений.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции SEG'93 (Москва, 1993), всесоюзном совещании "Многоволновая сейсморазведка" (Новосибирск, 1985), конференции "Развитие геофизических исследований на нефть и газ в Западной Сибири" (Тюмень, 1980), конференции "Сейсмические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых" (Киев, 1988), совещании "Вопросы повышения эффективности сейсморазведочных работ в Восточной Сибири" (Новосибирск, 1989) и пленарном заседании Научного совета АН СССР по геофизическим методам разведки (Москва, 1989).
Обсуждение и внедрение результатов моделирования проводилось в заинтересованных организациях (имеется 4 акта внедрения).
По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 авторских свидетельства.
Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН и проведена в соответствии с планом НИР. Работы по физическому моделированию начинались и проводились сначала в руководимой К.А.Лебедевым лаборатории вычислительной техники и цифровой обработки, затем в руководимой академиком Н.Н.Пузыревым лаборатории проблем сейсморазведки. Аппаратура создана и эксперименты выполнены в группе физического моделирования, руководимой Л.Д.Гиком, которому автор искренне благодарен за постоянное внимание и всестороннюю помощь в решении поставленных задач. Автор также глубоко признателен коллегам по работе Держи Н.М., Колобовой СЕ., Харламову СМ., Боброву Б. А. и Коспанову Т.Э.
Диссертация содержит 154 страниц текста, 25 рисунков и 5 таблиц. Библиография содержит 52 наименования.