Применение лучевой сейсмической томографии при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых

Актуальность работы.

К настоящему времени накоплен большой опыт применения тех или иных методов решения обратных задач сейсморазведки, основанных на интегральной геометрии, в задачах сейсмического просвечивания и называемых методами лучевой сейсмической томографии или сейсмотомографии. Известно много примеров использования указанных методов для решения различных прикладных задач путем обращения скоростных или амплитудных характеристик сейсмических волн и получения сечений соответствующих параметров геологической среды.

Важность практического развития этих методов определяется их потенциалом в обнаружении и изучении таких сейсмогеологически сложных объектов, как коренные месторождения алмазов, рудные залежи, неструктурные ловушки нефти и газа, объекты инженерной геологии или техногенного происхождения. Благоприятные предпосылки для использования сейсмической томографии (сейсмотомографии) обусловлены зачастую изометричной формой перечисленных объектов, а также комплексным отклонением их сейсмических свойств от вмещающей среды по целому ряду упругих параметров и структурных особенностей. !

Однако, в настоящее время отсутствует I комплексный подход к постановке и проведению сейсмотомографических исследований, обработке и интерпретации их результатов. Отсутствует четкое представление о границах области применимости лучевой сейсмотомографии. Недостаточна методическая обеспеченность имеющихся алгоритмов для их практического использования. Налицо — необходимость разработки полноценного методико-алгоритмического комплекса сейсмических исследований, основанного на сейсмотомографическом подходе, а также апробация его для различных классов сейсмогеологических моделей.

Цель работы.

Целью работы является разработка и апробация комплекса исследований, включающего получение сейсмических данных, обработку этих данных алгоритмами лучевой сейсмической томографии и интерпретацию полученных результатов обработки. Комплекс должен обеспечивать одновременные исследования с помощью разных типов сейсмических волн с различными законами распространения прямых, отраженных и головных. По каждому типу волн может и должна производиться оценка как кинематических параметров среды, так и ее поглощающих характеристик и рассеивающих свойств. Также, должны быть определены предельные условия для применимости метода.

Задачи исследования.

Задачами исследования являлось следующее:

1) Выработка унифицированного подхода к решению обратной задачи сейсмотомографии, позволяющего обрабатывать как временные, так и амплитудные и спектральные характеристики сейсмических волн.

2) Разработка методики специа, ьной предварительной обработки полевых данных, полученных по различным геометрическим схемам наблюдени к виду, допускающему применение сейсмотомографиче кого подхода.

3) Выбор набора известных и построение овых алгоритмов, позволяющих решать как качественные так и количественные задачи сейсморазведки при минимальных счетных затратах.

4) Апробация применимости сейсмотомографъ •¦< на ряде различных сейсмогеологических мод лей, представляющих практическую значимость.

5) Определение границ применимости луч вого подхода в задачах сейсмического просвечивания.

Научная новизна.

1) Разработан унифицированный подход к обращению различных характеристик сейсмических волн методом лучевой сейсмотомографии.

2) Получены уравнения полей времен для з дачи сейсмического просвечивания отраженными волна: и в общем случае для наклонных границ.

3) Построены алгоритмы, соответств ющие алгоритмам свертки обратной проекции в классич ской полноракурсной томографии с равномерным ш гом, применительно к геофизической томографии с алым числом ракурсов, неравномерным шагом наблюдеь ш и разреженной сетью дискретизации.

4) Проведена апробация комплек ного восстановления скоростных и поглощающе-рассеив ющих свойств среды на ряде различных сейсмогеологич ских моделей.

5) Получены экспериментальные да -.ные, позволяющие оценить применимость методов лу евой сейсмотомографии и искажения возникающие за границами области ее применимости.

Практическая значимость.

1) Получена методика, позволяющая для различных видов сейсмических исследований пол чить данные, пригодные для обработки методами лу: евой сейсмотомографии по ряду характеристик сейсмич ских волн, с восстановлением различных сейсмических свойств среды.

2) Результаты апробации на различных моелях позволяют сделать выводы о применимости лу евых сейсмотомографических исследований и условия. их проведения в различных сейсмогеологических уело? лях.

3) Данные физического моделирования яв ений дифракции позволяют оценить условия примени ости лучевого подхода и характер искажений, возник ющих за пределами его применимости.

Защищаемые положения.

1) Возможно использование универсальных интегральной формулы и геометрической постановк для выведения алгоритмов обращения, к которым могут быть сведены различные типы геометрии сейсмиче кого просвечивания, различные параметры среды и вол овые характеристики.

2) Для реализации томографического по хода применительно к данным метода отраженных волн,. южет использоваться обобщенное поле времен отраженных волн, как для горизонтальных, так и для негоризонтальных отражающих границ.

3) При использовании амплитуд сейсмических волн для восстановления поглощающих и рассеивающих свойств среды, может использоваться методика, позволяющая оценить относительную интенсивность источника в пунктах возбуждения сейсмических колебаний.

4) Для локализации сейсмически аномальных объектов, могут использоваться как итерационные алгоритмы, так и алгоритмы, аналогичные методу свертки обратной проекции, адаптированные к геометрии сейсмических наблюдений, а также упрощенные алгоритмы типа суммирования сигналов по точкам среды.

5) Совместная обработка времен и амплитуд сейсмических волн с восстановлением скоростных и поглощающе-рассеивающих свойств среды с помощью различных алгоритмов делает сейсмотомографические исследования более информативными и достоверными.

6) Применимость лучевого подхода ограничивается размерами исследуемых объектов, существенно меньшими, чем радиус первой зоны Френеля и сопряжена с неоднозначностью разделения скоростных и поглощающе-рассеивающих аномалий для объектов, размеры которых сопоставимы с радиусом первой зоны Френеля.

Фактическая основа.

Фактическую основу диссертации составляют результаты исследований, выполненные автором в течении 198 6−1987 гг. в отделе рудной сейсморазведки ВИРГ НПО «Рудгеофизика» Мингео СССР, в течении 1 987 198 9 в отделе рудной геофизике ЗабНИИ Мингео СССР, в течении 1989;1993 на кафедре геофизики Читинского политехнического института, в течении 1993;1997 в отделе геофизики АО «СТС», г. Чита. Физическое моделирование проводилось на установке отдела рудной сейсморазведки ВИРГ НПО «Рудгеофизика». Численные расчеты по решению прямых и обратных задач выполнялись на ЭВМ ЕС-1033, ДВК-3, IBM-PC 8086/286/386/486. Полевые экспериментальные данные были получены в производственных и научно-исследовательских организациях, где производилось внедрение разрабатываемой методики и созданного на ее основе пакета прикладных программ.

Апробация.

Результаты диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1989 г.), V Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Звенигород, 1991 г.), Международном научно-техническом совещании по геотомографии (Апатиты, 1992), Всероссийской конференции «Геофизические методы изучения земной коры» (Новосибирск, 1997 г.). В ходе выполнения работы проведено внедрение описываемой методики и реализующего ее пакета прикладных программ «Геотомо» в Баженовской геофизической экспедиции (Свердловская область), Институте горного дела им. Скочинского (г.Москва), НИИ Атомпроект (г.Москва), НИИ Галургии (Белорусия), Ботуобинской геофизической экспедиции (г.Мирный), ВНИИГЕОЛНЕРУД (г.Казань), ряде геофизических экспедиций на Украине, в Казахстане и Приморском крае.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ и 8 тезисов докладов.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии по теме диссертации. Общий объем работы 127 страниц, количество иллюстраций 19, список литературы содержит 4 9 наименований.

Основные результаты.

1) Разработан унифицированный подход к р шению обратной задачи сейсмотомографии, позволяющий обрабатывать как временные, так и амплитуд: ые и спектральные характеристики сейсмических волн.

Обнаружено, что для решения обратных задач ак по кинематическим, так и по амплитудным параметрам, возможно построение единого алгоритмического апп рата, использующего стандартные входные данные, полуденные либо непосредственно из времен прихода сейсми еских волн, либо в результате предварительной обрабог си их амплитуд.

2) Разработана методика специ льной предварительной обработки полевых данных, полу енных по таким геометрическим схемам наблюдений, как межскважинное и межвыработочное просвечи ание, профильные и пространственные наблюдения голое? ых и отраженных волн, к виду, допускающему прим нение сейсмотомографического подхода.

Показано, что принципиально осуще твимы локализация и изучение различных геологи еских неоднородностей с помощью томографической обр ботки динамических и кинематических параметров сейсми еских волн, как проходящих через исследуемую сре, у от источника к приемнику непосредственно, т к и преломленных на исследуемых сейсмических гори: онтах либо отраженных от нижележащих реперных грани:. При томографической обработке амплитудных данных, во можно использование как трасс в «истинных амплитудам то есть без предварительных регулировок амплитуд, т к и с выполненной предварительно компенсацией затухани. ,.

3) Построены алгоритмы, позволяющие реша1 как качественные, так и количественные адачи сейсморазведки при минимальных счетных затратам Эти алгоритмы, наряду с другими известными алгори мами, апробированы на различных математических и физи еских моделях и в ходе натурных экспериментов.

Выяснено, что возможна локализация контр стных геологических неоднородностей в ходе опера ивной обработки сейсмических данных с помощью нес ожных высокоскоростных алгоритмов типа осреднения амп итуд, обратного проецирования и суммирования разнос .1ей и коррекции обратной проекции.

4) Применимость сейсмотомографии на ряде различных сейсмогеологических моделей, представ яющих практическую значимость, успешно апробирована. анная апробация позволяет сделать следующие практи еские выводы.

Комплексная интерпретация полученных с п мощью томографической обработки разрезов скорос: л и коэффициента поглощения-рассеяния, дает возмо: ность более эффективного и надежного обнар жения геологических объектов и изучения их стр ения, выяснения соотношения двух указанных параметров в разрезе и оценки характера дислокационных напряжений в массиве горных пород, локализации зон тектони еских нарушений, минерализации и внедрения магмати еских интрузий.

Для получения качественного восстано ления безусловно необходима достаточно густая с стема наблюдений и желательно больший набор углов прохождения лучей просвечивания по всей сре е. В противном случае результат восстановления по люб му из алгоритмов примерно в равной степени может не соответствовать действительности. В такой си уации можно проводить геологическую интерпретацию, ю ее результат, как и на заре геофизической ауки, будет определяться квалификацией интерпрета эра и наличием дополнительной геологической информации.

Возможности проведения полноценных, равномер. ых по углам прохождения лучей схем набл дений предоставляются только при поверхностных наблю ениях головных, прямых и поверхностных волн по ме одике непродольного профилирования. В остальных с учаях неизбежны искажения истинной картины строения реды, проявляющиеся, прежде всего, в завышении ра меров объектов вдоль основного направления хода лу: ей и ложных аномалиях вблизи источников и приемников.

5) Проведено экспериментальное опред ление границ применимости лучевого подхода в з дачах сейсмического просвечивания для обнаружение и из чения локальных неоднородностей. В результате по учены следующие выводы.

Невозможно решать вопрос о степени проявле жя в волновом поле и возможности обнаружения локального объекта, руководствуясь лишь знанием его разме зов и условиями наблюдений. В случае соразме ности неоднородности с диаметром первой зоны Ф-:енеля определяющую роль в характере дифракционного вол ового поля будет играть соотношение между сейсмич скими свойствами объекта и вмещающей среды.

Заключение

.