Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г. "Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия"
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

7. Аппаратурно-программно-методическая разработка "спектрально-сейсморазведочное профилирование" (ССП)

     Согласно основам методологии развития познания, бесполезных физических эффектов и явлений не бывает. Любой обнаруженный эффект, как минимум, вызывает создание нового исследовательского метода. Исследовательский метод, основанный на новом физическом эффекте, с одной стороны, требует для своей реализации создания принципиально новой аппаратуры, а с другой, является источником принципиально новой информации.
     Эти методологические принципы полностью оправдались в ходе настоящей разработки.

7.1. Принципы построения спектрально-сейсморазведочной аппаратуры

     Существующая и общепринятая на сегодняшний день аппаратура для акустических измерений - лабораторная и сейсморазведочная - создавалась на основании чисто умозрительных представлениях о свойствах поля упругих колебаний. То есть, без учета реальных свойств поля упругих колебаний. И сейчас, когда эти свойства стали известными, оказалось, что существующая аппаратура непригодна для получения объективной информации.
     Основным препятствием для использования существующей аппаратуры в спектрально-акустических измерениях является следующее.
     Аппаратура, пригодная для осуществления спектрально-акустических (спектрально-сейсморазведочных) исследований, в первую очередь, не должна иметь спектральных искажений.
     Надо сказать, что вообще-то отсутствие спектральных искажений декларируется для всей существующей сейсмоаппаратуры. Но, как оказалось, оно только декларируется...
     На рис.7-1 приведена обобщенная схема сейсмоизмерений.

Схема сейсмоизмерений
Рис. 7-1

     В этой совершенно обычной сейсморазведочной схеме следует учесть, что исследуемый объект (земная толща) представляет собой не совокупность отражающих границ, а совокупность колебательных систем. Из этого сразу следует, что сейсмоприемник, а также вся аппаратура в целом должны обладать такими свойствами, чтобы при измерениях не сформировалась дополнительная колебательная система к уже имеющимся в земной толще. Решить эту задачу удалось лишь после того как был создан специальный сейсмоприемник.

7.1.1. Сейсмоприемник для спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП)

     Главное требование к сейсмоприемнику для спектрально-сейсморазведочных измерений состоит в том, что он не должен иметь собственной колебательности.
     Как следует из разделов 4 и 5, для того, чтобы сейсмоприемник не имел собственной колебательности, в его состав не должны входить материалы группы стекла. Понятно, что никакие электромагнитные, электродинамические и, тем более, магнитострикционные системы такую задачу не выполнят. Далее, чувствительным элементом такого сейсмоприемника не может быть и пьезокерамика. Ситуация, казавшаяся безвыходной, разрешилась удивительно просто. В качестве чувствительного элемента или, иначе говоря, акустоэлектрическим преобразователем (АЭП) была применена пьезопленка.
     Пьезопленка - это, по механическим свойствам - полиэтилен, который по акустическим свойствам относится к материалам ряда оргстекла. Таким образом, удалось создать сейсмоприемник, целиком состоящий из материалов ряда оргстекла, что и требовалось для того, чтобы сейсмоприемник не имел собственной колебательности.
     Что касается преобразовательных свойств пьезопленки, то так сложилось, что общепринятая точка зрения о их свойствах оказалась ошибочной. Считается, что чувствительность пьезопленки настолько мала, что применять ее в акустических измерениях нецелесообразно.
     Как оказалось при лабораторных исследованиях, значения акустоэлектрического и электроакустического коэффициентов пьезопленки не слишком отличаются от таких же коэффициентов пьезокерамики. Повышенная (относительно пьезопленки) эффективность пьезокерамики оказалась кажущейся, за счет ее резонансных свойств.
     Важнейшим моментом в создании сейсмоприемника для спектрально-сейсморазведочных измерений была разработка метода его калибровки. Идея метода заключается в том, что сейсмоприемник вводят в контакт с объектом, собственные частоты которого известны, и проверяют соответствие спектра сигнала, возникающего при ударном возбуждении объекта, известному спектру объекта. Идеальным объектом для калибровки является сплошной стеклянный шар15.


15 Даже при наличии такого шара задача калибровки требует выполнения некоторых нетривиальных условий, которые заключаются в том, что этот шар-эталон не должен иметь акустического контакта ни с какими другими объектами. Подробнее об этом - в работе, размещенной на сайте http://newgeophys.spb.ru

7.1.2. Аппаратура обработки сигнала

     Аппаратура обработки сейсмосигнала представляет собой спектроанализатор, и постоянно совершенствуется в соответствии с развитием элементной базы. Вначале это был последовательный спектроанализатор на основе моста Вина, теперь же, с приходом эры компьютеров, аппаратура представляет собой АЦП, работающий совместно с note-book. Программное обеспечение позволяет получать результат непосредственно во время полевых измерений.
     Как показал анализ существующих сейсмостанций, искажение спектра в них происходит не только из-за сейсмоприемников, но и в усилительном тракте. Не будем разбирать причины этого. Главное, что аппаратуру спектрально-сейсморазведочного профилирования следует проверять всю, от сейсмоприемника и до индикатора на предмет спектральных искажений.

7.2. Методика ССП

     Назначение метода ССП - дать разрез земной толщи на основании спектра сейсмосигнала. При этом напрямую используются два физических эффекта:
     Первый эффект заключается в соответствии значений собственных частот гармонических составляющих сейсмосигнала мощностям геологических структур согласно выражению (3-2)16. Учет этого эффекта определяет построение аппаратуры и программы спектрального преобразования сигнала и пересчета собственных частот в соответствующие мощности.


Рис. 7-2

     Второй эффект имеет непосредственное отношение к логике интерпретации. Он заключается в том, что, согласно выявленным свойствам слоя-резонатора, собственный его колебательный процесс можно выявить только при непосредственном контакте сейсмоприемника с этим слоем. Отсюда следует, что если исследуемый массив многослойный, то с помощью метода ССП возможно увидеть только те структуры, которых касается сейсмоприемник, как это показано на рис.7-2. Согласно схеме расположения границ, приведенной на этом рисунке, с помощью спектрально-сейсморазведочного профилирования можно выявить мощности слоев:

h1, h12, h123

     Всех остальных структур сейсмоприемник, находящийся на дневной поверхности, непосредственно не касается, и поэтом они (h2, h3, h23) выявлены быть не могут.
     Мы здесь говорим о плоско-параллельных структурах. Но на самом деле, речь может идти о любых объектах. Например, о плоско-параллельных структурах с как угодно малой протяженностью.
     Иллюстрирует метод рис.7-3, на котором приведена схема перехода от сейсмосигнала к разрезу исследуемого массива. На рис.7-3а показан произвольно взятый, из реально полученных при измерениях, сейсмосигнал на оси времени. С помощью преобразования Фурье любой процесс, изменяющийся во времени, может быть изображен на оси частот или, иначе говоря, в спектральном виде. На рис.7-3b приведено спектральное изображение того же самого сейсмосигнала. Спектральное изображение эквивалентно временнoму, но при этом дает большее разрешение по частоте, которое не зависит от количества гармонических составляющих в сигнале.

Схема перехода от сейсмосигнала к разрезу исследуемого массива
Рис. 7-3

     На спектральном изображении видны гармонические составляющие сейсмосигнала с частотами: 23 Гц; 31 Гц; 42 Гц; 83 Гц и 147 Гц. Пересчет с помощью приведенной на рис.7-3 основной формулы спектральной сейсморазведки позволяет провести еще одну ось абсцисс - ось глубин (h), и тогда спектрограмма приобретает смысл разреза. В связи с обратно пропорциональной зависимостью между частотой и соответствующим ей размером равномерной может быть только одна из осей абсцисс. Поскольку основная для нас информация - это h, то равномерной делаем ось глубин. Неравномерность оси частот приводит к тому, что с увеличением глубины разрешающая способность метода уменьшается.
     По оси ординат отложена величина плотности спектра A(f). Значения экстремальных значений плотности спектра имеют смысл добротности Q, и для всех гармонических составляющих лежат в пределах от 5 до 20.
     Разрез естественно строить при вертикальном положении оси глубин. Поэтому спектральное изображение сейсмосигнала поворачиваем на 90 градусов так, как это показано на рис.7-3с. Кроме того, из соображений удобства визуализации кривую спектрального изображения целесообразно дополнять симметричной ей кривой и получившуюся фигуру зачернять.
     Различие по величине добротностей гармонических составляющих сейсмосигнала соответствует различию характера сцепления пород по каждой из границ. Так, на глубинах 108 и 81м границы наиболее четкие, то есть с наименьшим сцеплением между породами. Далее, с приближением к поверхности четкость границ спадает, а на глубинах, меньших 50м идет слоистый участок. А возможно, что не слоистый, а участок повышенной нарушенности.
     Более определенно можно классифицировать выявляемые границы и даже давать им геологическое истолкование при многократных сейсмоизмерениях, смещая место измерения от точки к точке. То есть путем спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП).
     На рис.7-4 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании в условиях небольшой мощности осадочного чехла (в Выборгском районе Ленинградской области). Этот разрез представляет собой совокупность спектров сейсмосигнала, полученных при измерениях с шагом 1м. Разрез имеет две оси абсцисс, связанные между собой главным расчетным соотношением при Vсдв=2500м/с.

ССП-разрез, полученный при профилировании в условиях небольшой мощности осадочного чехла (в Выборгском районе Ленинградской области)
Рис. 7-4

     На ССП-разрезе видно несколько границ. Наиболее четкая - субгоризонтальная граница на глубине 40-45м. Эта граница выделена красной штриховой линией. Она соответствует местонахождению кровли кристаллического фундамента (гранита). Наряду с отдельными локальными нарушениями (вблизи 5-го, 20-го и 45-го метров профиля) очень хорошо прорисовано разрывное тектоническое нарушение со сдвигом на участке 30-40м профиля.
     Существенно слабее, но, тем не менее, достаточно различимо прорисованы границы как в осадочном чехле, так и в граните.


16 f0 = Vsh / h - это соотношение приведено в разделе 3 1-й части

7.3. Характер границ при ССП

     Главный вопрос при применении любого метода исследования, использующего физическое поле - это физический смысл выявляемых с помощью этого метода границ.
     Когда мы используем, скажем, оптическое поле (иначе говоря, зрение), мы видим объекты только благодаря тому, что свет отражается от их границ. Невидимый объект - это объект, границы которого не взаимодействуют с данным конкретным полем. Так, например, кристаллы алмазов увидеть в воде невозможно, так как оптическая плотность в этих средах одинакова. А стало быть, оптической границы между ними нет.
     Акустическими границами всегда считались поверхности, на которых происходит скачок удельного акустического сопротивления R, которое равно произведению плотности среды р на скорость звука в ней С. То есть, если соседствуют среды с одинаковыми значениями R, то всегда считалось, что акустической границы между ними как бы и нет.
     При спектрально-акустических измерениях, как оказалось, акустические границы имеют совершенно другой смысл. Акустической границей при спектрально-акустических измерениях являются поверхности, по которым соседние среды могут скользить относительно друг друга. И таким образом, с помощью метода ССП можно выявлять сомкнутые трещины, а также совокупности микротрещин, то есть зоны микронарушенности. Границы такого рода никакими другими существующими на сегодняшний день неразрушающими методами выявить нельзя.

7.4. Геологический смысл границ при ССП

     Геологический разрез, в общем виде, представляет собой описание земной толщи с указанием залегающих в ней пород. Геологи на основании изучения керна выявляют и разделяют породы земной толщи по вещественному составу, по их механическим параметрам, по цвету... До сих пор считалось, что изучение керна - это самый надежный метод описания горных пород. Однако, как оказалось, при выбуривании керна безвозвратно теряется очень важная часть информации.
     При использовании метода ССП в угольных шахтах неоднократно возникала ситуация, когда границы, выявленные с помощью этого метода, не подтверждались при изучении керна. То есть, границы, выявленные ССП, оказывались неизвестными геологам. Кто занимается геофизикой, знает, насколько драматична подобная история. Особенно существенным оказалось это расхождение при исследовании первых метров от обнажения породной толщи кровли угленосного массива, так как именно эта часть породной толщи главным образом влияет на устойчивость кровли.
     Поскольку сам характер ССП-разреза не допускает неоднозначности интерпретации, пришлось прибегнуть к крайней мере - изучать породы кровли в обрушенном пространстве. При этом оказалось, что на самом деле, в обрушенных породах присутствует множество границ, информация о которых в геологическом описании керна отсутствовала. Границы эти представлены углистыми, мергелистыми, слюдяными прослоями, а также поверхностями, образованными плоскостями скольжения.
     Общее у этих, выпавших из описания керна границ то, что ни бурением, ни какими-либо геофизическими методами они не могут быть обнаружены. Все они являются поверхностями ослабленного механического контакта (ОМК). При бурении скважины, керн в тех местах, где он пересекается поверхностью ОМК, обязательно ломается, материал прослоя немедленно истирается за счет вращения обломка и вымывается промывочной жидкостью, и причина излома керна остается неизвестной.
     Анализ границ, выявленных при визуальном исследовании пород кровли в обрушенном пространстве, который был сделан совместно с описанием керна вблизи от исследования с помощью ССП, показал, что в общем случае, метод ССП выявил те границы, которые являются поверхностями ОМК.
     Поверхности ОМК - это поверхности, по которым не происходит "склеивания" соседних пород, не происходит взаимной диффузии соседствующих материалов. Это сомкнутые трещины, а также плоскости или плоские структуры, по которым имеет место повышенная микронарушенность.
     Такого рода границы никогда раньше не подлежали выявлению и исследованию неразрушающим методом. И, таким образом, метод ССП является первым (и пока единственным) геофизическим методом, пригодным для выявления поверхностей ОМК - поверхностей фактического и (или) потенциального расслоения пород - независимо от их природы.
     Вернемся к рис.7-3. Граница, помеченная красной штриховой линией - это граница между осадочными породами и гранитом. Эти два типа пород при незначительном давлении (при малой мощности осадочного чехла) действительно не диффундируют друг в друга, почему и выявляется граница между ними с помощью ССП. С увеличением мощности осадочного чехла и, соответственно, давления на поверхность гранита, диффузия увеличивается, и четкость этой границы на ССП-разрезе уменьшается.
     Из чисто геологических границ методом ССП выявляются также границы между карбонатными и терригенными породами. Дело в том, что именно по этим границам всегда отсутствует взаимная диффузия. Это, пожалуй, единственные чисто геологические границы в осадочных породах, которые могут быть надежно идентифицированы методом ССП.
     Особые границы, выявляемые с помощью ССП - это следы подвижек. Как оказалось, в результате подвижек, на ССП-разрезах проявляются границы между породами, различающимися по прочности. Так, в зонах подвижек и, соответственно, изгибов породных слоев, сильно проявляются границы между прочными песчаниками и, скажем, аргиллитами, которые в результате подвижек превращаются в сыпучий материал. По этой причине, добротность сигналов, полученных от наклонных границ, оказывается больше, чем от горизонтальных.

7.S. Выводы по разделу 7

     Аппаратура и методика ССП позволяет получать информацию, которой раньше никогда не было. И таким образом, на сегодняшний день не существует метода, с помощью которого можно было бы напрямую проверить достоверность этой, получаемой с помощью ССП, информации. Должен сказать, что это очень ответственное дело - создать и использовать непроверяемый метод.
     Но с другой стороны, ведь это же неизбежно в физике. Когда был создан рентгеновский метод исследования, он тоже проверялся только на операционном столе. То есть, я представляю себе, какая ответственность была на первых рентгенологах.
     Думаю, что в такой ситуации самое главное - выполнение известных метрологических принципов. Любое сомнение должно разрешаться повтором измерений. И что, я полагаю, самое важное - это осуществление постоянного контроля за характеристиками аппаратуры. Чтобы сейсмоприемник не искажал спектр. Чтобы АЦП не вносил искажений в спектр. Ну, и чтобы в обсуждении результатов участвовало по возможности, большое количество людей, заинтересованных в получении непредвзятой, объективной информации.
     Первоначально, при написании этого раздела я привел подробные характеристики применяемых в аппаратуре ССП схем и программ. Однако уже за время написания данной работы описанная аппаратура морально устарела. При той скорости развития элементной базы, которое происходит в Мире, приведение принципиальных схем в публикациях бессмысленно. Главное, что если понять основные принципы построения аппаратуры, то ее можно реализовать множеством различных способов. Здесь как с телевизорами или радиоприемниками, в которых за время их существования многократно изменялась элементная база при неизменности их блок-схемы, ну и, естественно, принципа действия и, в конечном итоге, результатов.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: