6.3. О структуре поля упругих колебаний при сейсморазведке
Как видим, трактовка звукопроводности земной толщи при спектрально-акустическом подходе существенно отличается от общепринятой, традиционной при лучевом подходе. Считается, что в результате ударного воздействия возникает импульс, который распространяется во все стороны по законам геометрической оптики и отражается от залегающих в земной толще границ. Согласно спектрально-акустическим представлениям, импульс, возникающий в результате ударного воздействия, преобразуется спектрально в непосредственной близости от источника, и затем, уже в преобразованном виде распространяется, но не во все стороны, а в соответствии со строением земной толщи. Так, в случае слоистого строения массива (а это в большинстве случаев, именно так и бывает), возникшие в результате спектрального преобразования гармонические затухающие процессы распространяются вдоль плоскостей напластования. И при этом, отметим, отсутствует вертикальная составляющая распространяющегося поля. То есть, получается, что эхо-сигналы, которые мы принимаем при сейсморазведочных работах, возникают не в результате отражения от горизонтально залегающих границ, а в результате отражения от границ породных слоев.
Рис. 6-2
На рис.6.2 показана схема этого процесса. От точки ударного воздействия И вдоль плоскостей n-слойного (на рисунке - трехслойного) массива распространяются 3 гармонических затухающих процесса. Частота каждой из этих составляющих, соответствует мощности каждого из слоев - h1, h2 и hn. Слой h1 на расстоянии - l1 от точки И имеет границу. Может быть, он выклинился в этом мести или по какой-нибудь другой причине. Тогда f01 составляющая поля достигнет этой границы и отразится обратно. И по моменту приема в точке И этого эхо-сигнала, а также по частоте этого эхо-сигнала мы узнаем о местонахождении этой границы и о мощности слоя, который имеет там эту границу. Понятно, что глубинность сейсмометода, основанного на этом подходе определяется нижним частотным пределом. И при значении низшей частоты, равном 1 Гц, глубинность достигает 2,5 км.
Абстрагировавшись от предложенной в предыдущих разделах физики поля упругих колебаний, можно сказать, что обе модели - традиционная и спектральная - сходны в том, что ни та, ни другая не имеют экспериментального доказательства. Однако так мы могли говорить раньше. Сейчас появилось экспериментальное доказательство правоты спектрально-акустической модели.
Этот эксперимент - из области вибросейса.
Описанную здесь модель распространения поля упругих колебаний при сейсморазведочных работах подтвердили, сами того не желая, ученые Института геофизики СО РАН. Их эксперимент заключается в следующем. Мощный, 100-тонный генератор гармонического поля упругих колебаний (вибросейс) находится под Новосибирском, и излучаемое им поле может изменяться по частоте плавно и как угодно медленно от 1,5 Гц и до 12 Гц. Сейсмоприемники, регистрирующие это поле, могут находиться на расстоянии нескольких сотен километров. Задача этого эксперимента заключалась в том, чтобы доказать, что излученное поле уходит на огромные (десятки км) глубины и отражается от залегающей там поверхности, в соответствии с лучевой моделью. В их отчетах так и приводится, что вибросейс может использоваться как альтернатива взрывной сейсмике, для сейсморазведочных региональных работ, для выявления границ, находящихся на больших глубинах.
Однако в процессе нашего с ними обсуждения результатов этих экспериментов, вдруг выяснилось, что в ходе описанного вибросейс-эксперимента бывают такие частоты, на которых сигнал от источника не регистрируется в точке приема. Это происходит следующим образом. Оператор в точке приема получает по радиоканалу постоянную информацию о частоте излучаемого поля. И вот, когда частота достигает некоторого значения, сигнал пропадает. А далее, с дальнейшим изменением частоты, появлялся опять. Повторяемость этого эффекта очень устойчива. А поскольку никакими интерференционными процессами это не объяснялось, то и в отчет оно не попало.
Но здесь ведь, по-моему, все очень просто. Диапазон от 1,5 до 12 Гц, согласно выражению (3-2), соответствует диапазону глубин от 1,66 км до 210 м. Если бы в этом диапазоне глубин было множество равномерно распределенных границ, то, по-видимому, проходили бы все частоты диапазона. Но вот если в некотором диапазоне мощностей границ не было (шел однородный материал), то в соответствующем диапазоне частот сигнал не проходил. То есть, причина отсутствия сигнала на некоторых частотах заключается в том, что просто не было соответствующих этим частотам слоев-резонаторов.
Осуществляя вибросейс по такой схеме, ученые, по сути, провели сеанс спектральной сейсморазведки. Разница лишь в том, что при обычном спектрально-сейсморазведочном профилировании (ССП) применяется спектральный анализ с помощью машинного преобразования Фурье, а в случае вибросейса - последовательный спектральный анализ путем изменения частоты излучения.
И, наконец, важнейший для традиционной сейсморазведки момент - вопрос о том, какой конкретный тип упругих колебаний проявляется при регистрации конкретного сейсмосигнала. Споры о том, какой именно тип упругих колебаний сформировал эхо-сигнал - непрерывны и не имеют своего метрологически оправданного обоснования.
Как показали наши эксперименты, все сейсмосигналы имеют вид гармонических затухающих процессов14. Преобразование их к гармоническому виду происходит, как было показано выше, только в том случае, если они обусловлены мнимой составляющей поля, то есть, поперечными волнами. Отсюда делаем вывод, что все сейсмосигналы обусловлены поперечными волнами.
Приведенный выше анализ можно свести к следующим шести пунктам:
- При ударном воздействии на земную толщу сам зондирующий импульс отсутствует уже непосредственно в зоне удара, поскольку преобразуется в совокупность гармонических затухающих процессов.
- Преобразование ударного воздействия в гармонические затухающие процессы происходит в находящихся в зоне удара породных слоях, которые, кроме того, что являются резонаторами, преобразующими исходное поле в поперечные волны, выполняют роль направляющих структур.
- Упругие колебания распространяются не вниз, перпендикулярно дневной поверхности, как было принято считать до сих пор, а в направлениях, соответствующих характеру залегания направляющих породных структур-резонаторов. В большинстве случаев, залегание направляющих структур субгоризонтально, и поэтому вертикальная составляющая вектора направления распространения поля упругих колебаний обычно отсутствует.
- Сейсмосигналы гармонического характера формируются поперечными волнами. Вопрос, существуют ли другие типы волн, может возникнуть, если обнаружится негармонический сейсмосигнал.
- Скорость распространения упругих колебаний V вдоль направляющих структур имеет значение несколько меньшее, чем Vsh. Значение V тем ближе к Vsh, чем протяженнее направляющая структура, так как в зоне ударного воздействия, а также вблизи границ структуры величина скорости распространения V уменьшается. Это обусловлено процессами, связанными с преобразованием спектра в этих зонах.
- Дойдя до границы направляющей структуры (наличие которой может быть обусловлено тектоническим нарушением), упругие колебания отражаются от этой границы и возвращаются в зону ударного воздействия виде эхо-сигнала.
14 При использовании обычных сейсмоприемников любой сейсмосигнал будет иметь вид гармонических затухающих процессов. Здесь речь о том, что все сейсмосигналы имеют такой вид и при использовании нашего сейсмоприемника, не имеющего собственной колебательности.
|