Новые методы интерпретации сейсмических волн в сложных средах

Б.Н. ЛУЦЕНКО (ВНИГНИ)

Еще недавно сейсмическая разведка обеспечивала в основном плановый прирост подготавливаемых к разведке объектов замкнутых антиклинальных структур. К настоящему же времени потенциальный запас их в доступном для разведки диапазоне глубин во многих районах практически исчерпан. Обеспечение необходимого прироста запасов нефти и газа требует перехода к поиску сложно построенных блоковых структур и тектонически экранированных залежей. Один из основных аспектов этой проблемы - разработка способов изучения разломов и крутых склонов соляных куполов. Основную информацию о субвертикальных границах несут сейсмические волны. Результаты гравимагнитных и других видов геофизических исследований только дополняют наши сведения о них. На сейсмических же записях субвертикальные границы до недавнего времени выделялись по косвенным признакам: потере корреляции волн, аномальному затуханию амплитуд и т. п. Реже использовались дифрагированные волны и волны двойной кратности.

В настоящей статье рассматривается вопрос интерпретации отражений непосредственно от зон разломов: прямых волн от границ зон разломов и волн-дуплексов, т. е. волн двойной кратности, образующихся в результате двойного акта отражения сначала от субвертикальной, а затем от субгоризонтальных границ, прилегающих к ним. Несомненно, что внедрение такой интерпретации в практику разведочных работ позволит использовать сейсмические данные непосредственно, а не косвенно для выявления зон разломов и их более полной разведки, что, в свою очередь, повысит достоверность интерпретации геофизических материалов.

Ниже кратко излагаются основные результаты внедрения разработанной ранее и опубликованной [1-3] методики при опробовании ее в различных районах СССР.

Существование дуплексных волн подтверждено математическим и физическим моделированием. Установлено соответствие модели зон разлома и склонов соляных куполов реальным условиям. Показано, что для образования дуплексных волн нет необходимости, чтобы вся исследуемая субвертикальная граница была непрерывной отражающей. Достаточно, чтобы отражающими свойствами обладали лишь отдельные ее элементы в окрестности контактов с субгоризонтальными границами. Подробно исследована динамика и кинематика образования дуплексных волн [2, 3], даны рекомендации по методике проведения сейсморазведочных работ.

Выделение и интерпретация дуплексных сейсмических волн возможны практически во всем интервале глубин изучения границ: в инженерной сейсморазведке (5-400 м), структурной (нефтепоисковой) сейсмике (5-7 км), при глубинных сейсмических зондированиях (40-160 км). Рассмотрим это на практических примерах.

При изучении карстово-суффозионных воронок на территории массовой жилищной застройки г. Москвы было установлено, что одной из причин их образования является разрушение покровного слоя юрских глин, защищающих кавернозные мячковско-подольские известняки от проникновения и дальнейшего их разрушения сверху грунтовыми водами и плывунами. Разрушение же глинистой покрышки, как правило, сопряжено с наличием неотектонических разрывов и происходит по плоскостям этих нарушений.

Анализ временных сейсмических разрезов, полученных с применением полевой станции DFS-4, на ЭВМ «САЙБЕР», позволил выделить довольно интенсивные волны с отрицательными кажущимися скоростями. Сопоставление годографов этих волн с теоретическими, анализ их динамики дали возможность определить исследуемые волны как дуплексные сейсмические. Интерпретация этих волн в комплексе с данными традиционных сейсмических и геофизических методов позволила определить зоны карстообразований в районе улиц 3-й Хорошевской и Куусинена. Результаты обработки материалов показаны на рис. 1. Решение столь детальной задачи осуществлялось МОГТ и МПВ с шагом наблюдений по профилю 0,5-5 м с применением ГСК-6 и ГСК-ПИ. Участки карстообразования выделяются также по сейсмическим дуплексным волнам, образование которых связывается с зонами разломов. Пример прослеживания дуплексных волн показан на временном разрезе профиля 1-МОГТ (см. рис. 1). В соответствии с теоретическими расчетами волны-дуплексы на временных разрезах МОГТ представлены осями синфазности t₀, характеризующимися аномально большими углами наклона.

При структурных (нефтепоисковых) работах на Каратюбинском соляном куполе в Северо-Восточном Прикаспии интерпретация сейсмических дуплексных волн позволила существенно уточнить геологическую картину и дать правильное направление поисковым исследованиям на нефть и газ. Опыт работ показывает, что хорошая сходимость построений крутых склонов по сейсмическим материалам с данными бурения отмечается при расположении профилей вкрест простирания структур. В противном случае расхождения могут быть достаточно большими и связаны с недоучетом бокового уклонения сейсмического луча. Поэтому в районе северо-западного крутого склона Каратюбинского соляного купола было отработано крестообразное площадное зондирование, включающее четыре секущих друг друга в центре профиля (рис. 2). Схема отстрела профилей задавалась таким образом, чтобы получить наибольшую информацию об отраженных и сложноотраженных (дуплексных) волнах на этом участке профиля. Профили отрабатывались по методике многократного прослеживания с шагом наблюдений между сейсмоприемниками 60 м, выносом 120 м. Величина одной расстановки составляла 1380 м. Каждый из профилей имел протяженность 2760 м. Наблюдения проводились сейсмостанцией DFS-4, обработка на ЭВМ СИГМА-5 треста Укргеофизика (Киевская геофизическая экспедиция).

Для выделения дуплексных волн применялись программы разновременного суммирования, включающие анализ динамических и кинематических параметров по заданным направлениям прихода сейсмических волн. По каждому из лучей зондирования были составлены разрезы МОГТ. Подробный анализ волнового поля позволил выделить пары, состоящие из дуплексных и родственных им отраженных волн, от общей отражающей субгоризонтальной границы. Пример отождествления пар отраженных (oR) и сложноотраженных (дуплексных) ROH волн на соседней Нагорненской площади в Северо-Восточном Прикаспии приведен на рис. 3. Для выделения пар этих волн при известной модели сейсмогеологического разреза можно использовать номограмму зависимости , которая приведена на рис. 3, В. Здесь показаны начальные и конечные точки дуплексных волн, величины смещений начальных точек, относительного запаздывания времени регистрации дуплексных волн по сравнению с отраженными от родственной им субгоризонтальной границы. Интерпретация дуплексных волн позволила с большей достоверностью воспроизвести западный крутой склон Каратюбинского соляного купола, имеющего сложную конфигурацию с нависающим карнизом. Это стало возможным только с разработкой новых способов интерпретации с использованием дуплексных волн.

При интерпретации материалов по региональным профилям в Западной Сибири была показана объективная необходимость использования дуплексных сейсмических волн при изучении глубинных зон разлома. Представление о том, что зона разлома - это всего лишь плоскость, разделяющая соседние, отличающиеся физическими свойствами блоки, не соответствует современному уровню исследований. В работах [3-5] было показано, что глубинные зоны разлома - это самостоятельные сложные блочные структуры шириной от 15-20 до 80-100 км для краевых швов. При определенных геолого-геофизических условиях эти зоны могут быть отражающими границами для продольных волн длиной 4- 6 км, используемых в ГСЗ. Изучение параметров поглощения в верхней мантии, проведенное по субширотным профилям, обнаруживает интересную закономерность: под Саяно-Енисейским краевым швом выделяется область повышенных поглощений, причем граница ее носит ломаный характер. Результаты построений динамических разрезов хорошо увязываются с результатами определений скоростей. В целом результаты работ позволяют сделать вывод о том, что глубинные разломы прослеживаются в верхней мантии до астеносферы. Астеносферный слой четко фиксируется по пониженным значениям поглощений на глубинах 120-160 км.

На рис. 4 показан фрагмент сейсмогеологического разреза регионального профиля Березово-Усть-Мая в районе Мирнинско-Айхальской седловины, где удалось выделить и интерпретировать дуплексные отраженные сейсмические волны. Результаты интерпретации дали новое положение границы зоны глубинного разлома, резко отличающееся от прежнего. На реальность выделенного разлома указывает также наличие вдоль него узлов дифракции.

Точность построений зон разломов зависит от точности определения скоростных параметров, глубин границ и времен регистрации сейсмических волн. По литературным данным, точность определения составляет 5-10 %. Она характеризует положение по вертикали узлов дифракции на сейсмическом разрезе. По профилю, т. е. по координате х, она определяется тем, насколько точно мы находим минимумы дифрагированных волн. Она равна 0,5 шага наблюдения по профилю и в нашем конкретном случае составляет 5 км. Узлы дифракции выделялись при обработке первичных материалов, т. е. сейсмограмм, на ЭВМ по программе ДИФРА. Методика их обработки по указанной выше программе включала энергоанализ трасс по набору теоретических годографов дифрагированных волн, рассчитываемых для реальных скоростных и структурных условий. Выявленная зона разлома (см. рис. 4) подтверждается результатами гравимагнитной интерпретации и космодешифрирования. По мнению автора, сравнительно большой шаг наблюдений (10 км) хотя и существенно снижает достоверность построений, все же не является принципиальным препятствием проведения подобных исследований. Несомненно, нужны и специальные площадные работы, опыт которых, как было показано выше, уже имеется в структурной (нефтепоисковой) сейсморазведке. Сочетание повторного анализа материалов с новыми методическими полевыми работами, направленными на выделение зон разлома, даст положительные результаты. Проблемы, возникающие в процессе повторной интерпретации, могут быть успешно решены благодаря дополнительным фактическим материалам, полученным при проведении опытно-методических полевых работ.

Рассмотренные практические примеры использования дуплексных сейсмических волн при решении разноплановых задач сейсморазведки подтверждают роль новой методики для прогнозирования карстовых воронок в инженерной сейсморазведке, определения субвертикальных контактов при поисках структурно-экранированных залежей нефти и газа, солянокупольных структур в Прикаспийской и Днепровско-Донецкой впадинах и т. д.

На рис 4 зоны разломов показаны в десятикратно искаженном масштабе, но даже и в этом случае видно, как сильно могут различаться вертикальные проекции верхней и нижней точек кристаллической коры. Помимо этого дисперсия узлов дифракции на глубинном разрезе хотя и косвенно, но все же указывает на ширину зоны разлома. Ценность этих материалов увеличивается уже из-за того, что другой информации по данному вопросу просто нет. Образование дуплексных волн характеризует в определенных точках отражающие свойства границ зон разломов, что является новой информацией, которую можно использовать для получения более полной картины физических свойств этой зоны. Даже грубые расчеты показывают, что ошибка в определении угла наклона зоны разлома, которая без применения новой методики интерпретации дуплексных сейсмических волн может достигать 40-50°, приведет к погрешности в прогнозе определения месторождений от 40-50 км до нескольких сот километров. А это практически может свести на нет все усилия при их поиске.

Для обработки материалов составлены алгоритмы интерпретации прямых и дуплексных волн, отраженных от субгоризонтальных границ. Подробно этот вопрос освещался в работах [2-4].

Таким образом, использование сейсмических дуплексных волн позволяет значительно повысить достоверность исследований зон разломов и эффективность геофизических работ по данной проблеме.

В заключение следует отметить, что рассмотренное новое направление развития сейсморазведки разрабатывалось в тесном сотрудничестве с НВНИИГГ (Б.П. Шалимов и др.). Часть затронутых вопросов носит дискуссионный характер. Обсуждение их на данном этапе необходимо для выбора наиболее правильного направления развития предлагаемой концепции изучения субвертикальных границ сложноотраженных структур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Луценко Б.Н. Кинематические особенности образования сложноотраженных волн в зоне разломов и их интерпретация.- В кн.: Прикладная геофизика. М., вып. 76, 1974, с. 15-21.

2. Луценко Б.Н., Петров П.М. Особенности интерпретации волн, отраженных от крутопадающих границ.- ЭИ ВИЭМС. Сер. Региональная и разведочная геофизика. М., 1979, вып. 18, с. 14- 22.

3. Луценко Б.Н., Артемьев А.П., Ходычкин Ю.И. Выделение зон разломов в доюрском комплексе Тобольской площади Западной Сибири.- ЭИ ВИЭМС Сер. Региональная и разведочная геофизика, М., 1980, вып. 13, с. 25-36.

4. Полшков М.К., Луценко Б.Н. О сейсмической модели зоны разлома в осадочной толще.- В кн.: Прикладная геофизика. М., 1974, вып. 74, с. 34-57.

5. Тяпкин K.Ф., Кивелюк Т.Т. Изучение разломных структур геолого-геофизическими методами. М„ Недра, 1982.

Поступила 6/VII 1984 г

Рис. 1. Сейсмический временной разрез МОГТ по профилю I, Москва, ул. Куусинена.

1 - Пример выделения дуплексных сейсмических волн

Рис. 2. Схема расположения сейсмических профилей и пространственного зондирования на структурной карте по подсолевому отражающему горизонту П₁ Каратюбинской площади.

Сейсмические профили: 1 - МОГТ прошлых лет АГЭ, 2 - с/п 9/78 КГЭ, 3 - проектные с/п 9/78 КГЭ; 4 - изогипсы по отражающему горизонту П₁, м; 5 - линии прекращения корреляции отражающего горизонта VI; 6 - предполагаемые крутые уступы соли (а - по данным КМПВ, MOB, б - по новым данным); 7 - глубокие структурно-поисковые скважины; 8 - пространственное зондирование

Рис. 3. Пример отождествления пар отраженных (oR) и сложноотраженных волн (RoH) с помощью номограмм зависимости

а - схема лучей сложного отражения RoH : I и II; б - зависимости разности времен регистрации при , - начальные и конечные точки волн RoH; 2 - величина смещения начальных точек волн RoH; 3 - отраженные волны оR; 4 - сложноотраженные волны RoH; 5 - величины относительного запаздывания волн RoH по сравнению с oR

Рис. 4. Сейсмический разрез по профилю р. Мейеро - р. Маркока с результатами интерпретации дифрагированных и дуплексных волн.

Границы: 1 - фундамента, 2 - «базальта», 3 - «Мохо»; 4 - зоны разлома, по результатам предыдущих исследований; 5 - наиболее энергетически выраженные узлы дифракции; 6 - то же, менее выраженные; 7 - ход сейсмических лучей дуплексных волн; 8 - зона разлома, выявленная по результатам комплексной геофизической интерпретации с учетом данных интерпретации дуплексных и дифрагированных сейсмических волн