Сейсмические методы решения геологических задач

курсовая работа

Глава 1. Исторический обзор

В 1829 году в Париже в Трудах Парижской Академии Наук появилась статья Пуассона, которая была посвящена применению волнового уравнения для описания распространения упругих волн в твердых средах (http://web.ru/db/msg.html?mid=1169273). Эта статья оказалась основополагающей для описания всей акустики твердых сред и основного направления ее - сейсморазведки. Решив волновое уравнение для двух граничных условий, Пуассон получил выражения для описания продольных и поперечных упругих колебаний.

Собственно, идея сейсморазведки возникла очень давно. Люди ещё в XVII знали, как используют звуколокацию дельфины и летучие мыши, и предполагали, что этот принцип можно использовать и в твердых средах. Пуассон же только формализовал эту идею, описал её формулами, заложил начало воплощения её в жизнь. Однако Пуассон понимал, что полученное им математическое описание поля упругих колебаний нельзя никак проверить, поскольку в то время акустические измерения проводить было ещё нечем. В связи с этим его идея так и осталась гипотезой, предположением. С уходом Пуассона из жизни в 1840 году, отношение к описанию поля упругих колебаний радикально изменилось. Ученые начали принимать предположение Пуассона на веру без каких-либо практических доказательств, и, продолжая решение волнового уравнения для других (также гипотетически заданных) граничных условий, получали описание других типов упругих колебаний. Так, в 1885 году Рэлей дал описание поверхностных волн (волн Рэлея) (http://web.ru/db/msg.html?mid=1169273). И далее, все математики, которым удавалось решать волновое уравнение для определенных граничных условий, могли рассчитывать на увековечивание своего имени в результате того, что новый тип упругих колебаний будет назван их именем. Так «увидели свет» волны Лява, Лэмба, Стонли.

Вообще, на границе XIX-XX веков произошло очень много открытий в области распространения сейсмических волн. В 1899 г. Кнотт представил статью о распространении сейсмических волн, их отражении и преломлении, а в 1907 г. свою работу по сейсмическим волнам опубликовали Вихерт и Цёппритц. Роберт Маллет измерил скорость распространения сейсмических волн, использовав в качестве источника энергии черный порох, а в качестве приемника - возмущение поверхности ртути, и тем самым открыл эпоху экспериментальной сейсмологии (Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. - М., 1987). Однако полученные им значения скоростей были слишком низки по сравнению с реальными. Связано это было, вероятно, с малой изученностью процесса распространения волн и с ошибками. Затем еще ряд ученых применяли данный метод для измерения скоростей волн, варьируя мощность заряда, количество и расположение приемников.

Идея об использовании сейсмографа для выяснения глубинного строения была впервые выдвинута в 1898 г. Милоном. Он писал: «Поскольку волны, образующиеся при землетрясениях, проходят последовательно один пласт за другим, то, если мы изучили их отражение и изменение скорости распространения внутри пластов, мы сможем обнаружить структуры, образуемые горными породами на значительных глубинах, которые недоступны прямому наблюдению и о которых без помощи таких волн нельзя даже надеяться узнать что-нибудь… С помощью землетрясений и крупномасштабных экспериментов можно определить упругие модули, свойственные породам в естественном залегании; при правильной интерпретации они позволят правильно понять многие неясные явления». (Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. - М., 1987).

В 1905 г. Л. В. Гарре предложил использовать метод сейсмических волн для нахождения соляных куполов, но идея тогда не нашла применения, так как тогда еще не было сконструировано соответствующих приборов (Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. - М., 1987). Но не было бы счастья, да несчастье помогло: в 1912 г. в результате столкновения с айсбергом затонул «Титаник», и многие ученые приступили к изобретению средств обнаружения айсбергов. Среди возможных патентов называлось и использование акустических волн в воде, приведшее к появлению в США первого патента по применению сейсмических волн в разведочных работах. Оформил патент Р. Фессенден (Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. - М., 1987). Он предложил помещать источники и приемники в заполненные водой скважины и определять местоположение рудных залежей как по получаемым от них отражениям, так и по вносимым ими изменениям в результаты измерений времени пробега волн в промежутке между скважинами. Впоследствии Людгер Минтроп и другие пытались безуспешно опротестовать его патент, так как Фессенден использовал не «сейсмические» волны, а «акустические», а кроме того, применение скважин для помещения в них источников и приёмников не согласовалось с последующей практикой.

В 1914 г. в Германии Л. Минтроп сконструировал сейсмограф, с помощью которого ему удалось с достаточной точностью, необходимой для выполнения разведочных работ, регистрировать возбуждённые взрывом волны (Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. - М., 1987).

Во время первой мировой войны, как немцы, так и их противники в экспериментах с тремя или более механическими сейсмографами пытались определять местонахождение вражеской артиллерии, но оказалось, что для этой цели лучше подходят не сейсмические, а звуковые волны, распространяющиеся по воздуху. Однако определённые успехи были достигнуты. Такими экспериментами занимались Минтроп и американцы Фессенден, Экхардт, Хейсман, Карчер, Мак-Коллум и другие. Эти шесть человек сыграли ключевую роль в применении сейсмических волн после войны.

Последовал ряд патентов в области использования сейсмических волн. Например, в 1926 г. Минтроп получил патент, относящийся к «Методу определения геологических структур» (по сути - метод преломленных волн). А в 1922 г. Дж. Ивенс и У. Уитни получили патент по «Усовершенствованиям в средствах исследования глубоких слоёв земной коры». В их патенте говорилось: «Настоящее изобретение… отличается тем, что звуковые волны принимаются одновременно или почти одновременно на множестве приёмных станций, так как даже в простейшем случае, когда известно, что пласты залегают горизонтально, имеются две неизвестных величины: 1)средняя скорость отражённой волны и 2) глубина отражающего пласта, а следовательно два уравнения, и поэтому необходимо иметь данные минимум двух измерений.» Несмотря на довольно полное описание метода отражённых волн, этот патент не сыграл заметной роли в последующих разработках, которые были сосредоточены в основном на использовании метода преломлённых волн.

В 1920 г. Хейсман, Экхардт, Карчер и Мак-Коллум основали фирму «Геологическая инженерия» («Geological engineering»), чтобы применить сейсморазведку для поисков нефти. Они превратили осциллограф в трехдорожечный регистратор и создали электродинамические сейсмометры на основе радиотелефонных приемников. И это дало результат: в июне 1921 г. они получили на Белл-Айл (Оклахома-Сити) отчетливое отражение от контакта между слоями глины и известняка. Экспериментальные работы с отражёнными и преломлёнными волнами проводились в течение примерно пяти месяцев. Они использовали весьма изощрённые методы. Например, в одном из экспериментов для того, чтобы получить волны, наиболее близкие к плоским, сбрасывали динамит с самолёта. Естественно, что фирма испытала все свои фонды. Да и нефть резко потеряла в цене. Это привело к тому, что все руководители, за исключением Мак-Коллума, вернулись к своим делам. А он согласился расплатиться с кредитами за оборудование и патентные права фирмы. (Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: в 2 т. Т.1 История, теория и получение данных. - М., 1987).

Но не надо думать, что только эти люди занимались сейсмическими методами. Параллельно велись и другие работы: изучались скорости волн в разных средах, волны разделялись по типам, совершенствовалась аппаратура, математический аппарат и прочее.

В конце 20-х годов сейсмическая разведка стала продвигаться за пределы США и Германии: в Персию (Иран) и Венесуэлу в 1927 г., в Австралию в 1929 г., в Ост-Индию в 1930 г. Всё больше компаний стали использовать сейсмические методы в своей деятельности.

Шло время, и развитие методов не стояло на месте. Так при измерениях стали использовать большее количество приёмников (к 1981 г. их число возросло до 96-ти, сейчас - в разы больше). Механические сейсмоприёмники вскоре были заменены электрическими сейсмоприёмниками с ламповыми усилителями. Вследствие высокого уровня шумов существовавших тогда ламп первые электрические сейсмоприёмники должны были обладать высокой чувствительностью. С появлением менее шумящих ламп необходимость в мощных усилителях пропала, и это позволило значительно уменьшить вес приёмников (с 15 кг до нескольких грамм), что в свою очередь позволило свободно использовать несколько приёмников при одном эксперименте. В 1932 г. была разработана автоматическая регулировка усиления. И так далее.

Таблица 1. Хронология развития сейсмических методов и аппаратуры

Дата

Метод или аппаратура

1914

Механический сейсмограф Минтропа

1917

Патент Фассендена на сейсмический метод

1921

Сейсмические работы методом отражённых волн фирмой «Джеолоджикал энджиниринг»

1923

Разведка методом преломлённых волн фирмой «Сейсмос» в Мексике и шт. Техас, США

1925

Метод веерных наблюдений

Электрический сейсмограф для регистрации преломлённых волн

Использование радиосигналов для целей связи и отметки момента взрыва

1926

Метод прослеживания отражений

1929

Определение углов наклона пластов методом отражённых волн

1931

Профилирование методом преломлённых волн со встречной системой наблюдений

Использование сейсмоприёмника для определения вертикального времени

Передвижной буровой станок, смонтированный на грузовике

1932

Автоматическая регулировка усиления Сменные фильтры

1933

Группирование сейсмоприёмников

1936

Метод Рибера, первая воспроизводимая сейсмическая запись

1939

Использование замкнутых полигонов для контроля невязки

1942

Временные разрезы Смешение сигналов

1944

Крупномасштабные наблюдения на море Большие группы

1947

Морская сейсморазведка с использованием радионавигационной системы «Шоран»

1949

Оптический мирраграф

1950

Метод общей глубинной точки

1951

Радионавигация со средним радиусом действия

1952

Аналоговая регистрация на магнитную ленту

1953

Получение записей методом Вибросейс

Применение падающего груза

1954

Непрерывный акустический каротаж (скорости)

1955

Подвижные магнитные головки

1956

Обработка данных в специальных центрах

1961 - 1962

Деконволюция аналоговых сигналов и фильтрация по скорости

1963

Регистрация данных в цифровой форме

1965

Пневматический источник сейсмических колебаний

1967

Регуляторы глубины погружения сейсмоприёмной косы

1972

Яркое пятно

1974

Цифровая запись

1975

Сейсмическая стратиграфия

1976

Трёхмерные наблюдения

Одним из важнейших послевоенных достижений было использование для интерпретации волновой картины вдоль профиля монтажа сейсмограмм так называемого временного разреза. Отдельные сейсмограммы в процессе интерпретации ставили рядом уже давно, но было очень трудно охватить их единым взором из-за больших размеров каждой сейсмограммы и различий в скорости протяжки фотобумаги. Трудности усугублялись нормальным приращением времени, неоднородным характером процесса получения записей и т.д. Для решения этих проблем были разработаны системы получения изображений способами переменной плотности и переменной ширины с равномерной горизонтальной шкалой и выводом амплитуд.

В 1950 г. Г. Мэйн изобрел метод общей глубинной точки (ОГТ) как способ подавления помех, с которыми не удаётся справиться путём группирования. Но широкое распространение получил лишь в 60-х годах, быстро утвердившись благодаря своей способности ослаблять кратные волны и помехи других типов.

Совершенствовались так же и источники: взрывчатке и падающим грузам на смену пришли установки, производящие вибрации и прочее.

Но развитие сейсмических методов в геологии не прекратило развиваться. И в наше время совершенствуются способы получения данных, методы интерпретации их. От двумерных разрезов уже практически повсеместно перешли к трёхмерным., расчёты делаются на компьютерах. Всё это делает сейсмические методы более удобными и используемыми.

Делись добром ;)