Динамические и кинематические характеристики отраженных волн в сейсмогеологических условиях шельфа арктических морей

Геолого-геофизические исследования шельфа северных морей Российской федерации испытывают в настоящее время бурное развитие и уже стали объектом широкого международного сотрудничества. Главная причина этого состоит в обнаружении на шельфе Баренцева, Карского, Печорского морей крупных нефтегазовых месторождений Штокмановского, Русановското, Харасавэйского, Приразломного и др. Работы по выявлению новых нефтегазовых структур в северо-западных морях продолжаются в возрастающем темпе и уже начаты поисково-разведочные исследования на шельфе морей восточного сектора Арктики. Основные виды хозяйственной деятельности, связанные с добычей и транспортировкой добываемых углеводородов, состоят прежде всего в проведении глубокого разведочного бурения, обустройстве нефтегазовых месторождений, проектировании протяженных подводных трубопроводов, нефтяных терминалов и других инженерных объектов. Основные опасности, подстерегающие строителей при проведении подобных работ в условиях шельфа северных морей, связаны с наличием в верхней части разреза вечной мерзлоты и свободного газа. Поэтому исключительно актуальной является задача детального изучения кайнозойских отложений, что необходимо требует проведения морских инженерно-геологических работ как непосредственно на будущих площадках добычи, так и в районах, вовлекаемых в сферу хозяйственной деятельности.

Основным геофизическим методом, используемым при проведении подобных исследований, является высоко детальная высокоразрешающая сейсморазведка, поскольку из-за очень сложного, мозаичного строения криолитозоны в плане и по глубине практически невозможно проводить корреляцию границ и свойств пород между инженерно-геологическими скважинами без сейсмических данных. К настоящему времени почти весь объем сейсмической информации получен методом непрерывного сейсмопрофилирования — методом tO, который позволяет получить представление о структуре осадочных отложений в случае, если имеются достаточно надежные сведения о скоростях распространения продольных волн в целевом интервале глубин. При этом «вялый» по глубине и в то же время изменчивый в плане разрез кайнозойских отложений не дает возможности проводить достаточно надежную интерпретацию данных сейсмопрофилирования — как форма отражающих границ, так и глубина их залегания оказываются искаженными из-за крайней упрощенности априорной скоростной модели, используемой при перестроении временного разреза в глубинный. Переход на многоканальные системы и методики ОГТ связан прежде всего с надеждами на значительное повышение информативности сейсмических данных, прежде всего за счет подавления кратных волн и возможности независимого определения скоростей распространения продольных волн. Однако сейс мо геологическая ситуация, характерная для мелководных шельфов арктических морей, в сочетании с методикой полевых наблюдений по методу ОГТ обуславливает принципиальные и технические возможности использования не только отраженных монотипных продольных волн, но и обменных волн — с целью оценки скоростей сдвиговых волн, столь необходимых для прогнозирования прочностных свойств изучаемых фунтов. Последнее обстоятельство определяет практическую значимость настоящей работы, посвященную изучению динамических и кинематических характеристик обменных волн. В настоящее время известны попытки использования обменных отраженных волн для решения разного рода задач [9,10,11,13 614.15.16.17.18]. Однако, подобное исследование для условий, характерных для шельфов арктических морей, проводится впервые и полученные в его процессе результаты, по мнению автора, имеют необходимые признаки научной новизны.

Гпава 1. Постановка задачи исследований.

Сейсмогеологическая ситуация на мелководных шельфах арктических морей характеризуется следующими особенностями: глубина воды либо сравнима с мощностью изучаемой толщи, либо меньше неев разрезе могут присутствовать многолетнемерзлые породы либо выходящие на дно, либо погруженные на глубины порядка нескольких десятков метров под дноммноголетнемерзлые породы практически являются акустическим фундаментом при исследованиях методами высокочастотной малоглубинной детальной сейсмикиталые породы представлены песчано-гл инистыми отложениями субгоризонтального залеганияв них наблюдается значительная латеральная изменчивость литологического состава при слабой скоростной дифференциации по разрезув слабодифференцированных талых породах встречаются линзы деградированной мерзлоты и газонасыщенные участки, отличающиеся аномально низкими значениями скоростей распространения продольных волн и аномально высоким поглощениемв общем случае кровля мерзлых пород может иметь сложную форму, в том числе возможно наличие субвертикальных контактов мерзлой и талой породыотношение скорости распространения продольных волн © к скорости поперечных волн (Ь) с/b в мерзлых породах достигает 1.5 — 1.6, тогда как в талых породах с/Ь = 3−5- в талых породах эффективная скорость поперечных (сдвиговых) волн значительно ниже, чем в мерзлых породахповсеместно в верхней части разреза шельфов встречаются газонасыщенные талые толщи, кровля которых является экраном для продольных сейсмических волн.

Имея в виду отмеченные выше особенности сейсмогеологической ситуации, можно предсказать, что эффективные скорости однократных и многократных продольных волн в изучаемой толще придонных отложений будут мало отличаться друг от друга, и поэтому подавление кратных волн окажется весьма малоэффективным. С другой стороны, скоростной анализ, так хорошо зарекомендовавший себя в случае нефтяной сейсморазведки, не позволит получить надежных сведений о распределении скоростей распространения продольных волн как по глубине, так и в плане.

В то же время талые породы характеризуются весьма низкими скоростями сдвиговых волн и, следовательно, обменные отраженные волны PPSP, PSSP типа кинематически должны резко отличаться от монотипных отраженных волн. Кроме того, при интерпретации данных морской сейсмики интерпретаторы в большинстве случаев уверены, что имеют дело только с полем продольных волн. Действительно, на сейсмограммах записаны колебания, регистрируемые пьезоприемниками, находящимися в воде, то есть только колебания, порождаемые продольными волнами. Однако это не значит, что в наблюдаемом поле нет волн, несущих информацию о скоростях распространения сдвиговых волн. Эту информацию несут обменные волны, интенсивность которых мала при малых углах падения (случай нефтяной многоканальной сейсморазведки), но может быть сравнима с интенсивностью монотипных продольных волн или даже превышать ее при больших углах падения — больших удалениях приемника от источника относительно глубины исследований. Последнее относится как к обменным отраженным, так и обменным преломленным волнам. В свете сказанного представляется необходимым провести исследование динамических и кинематических характеристик обменных отраженных волн в рассматриваемых специфических сейсмогеологических условиях. Конечной целью этого исследования должна стать выработка оптимальной методики полевых наблюдений МОГТ и оптимального графа обработки данных, направленных на использование обменных волн.

Практически единственным инструментом решения поставленной задачи является математическое моделирование, то есть построение синтетических сейсмограмм по представительному ансамблю моделей и для набора методических параметров многоканальных сейсмических наблюдений. При этом необходимо:

1. На основании данных о геологическом строении и физико-механических свойствах кайнозойских отложений шельфа арктических морей построить ансамбль акустических моделей изучаемой толщи, достаточно полно представляющий возможные реальные ситуации с наличием и отсутствием в них вечной мерзлоты, свободного газа и, возможно, газогидратов.

2. Обосновать выбор метода решения прямой динамической задачи сейсмики, приняв оптимальный из существующих как с точки зрения точности, так и затрат машинного времени.

3. По заданным моделям и с помощью выбранного метода решения прямой задачи получить представительный набор сейсмограмм ОГТ. При этом основные параметры аппаратуры и методики наблюдений должны быть заданы в таких широких пределах, чтобы перекрыть возможно более широкий диапазон углов падения, частотного диапазона возбуждаемых источником сигналов и т. д.

4. Провести математическую обработку полученных синтетических сейсмограмм, главным образом скоростной анализ с перебором эффективных скоростей, учитывающим, что часть пути в твердой среде упругие волны могут проходить как поперечные.

5. Исследовать возможности, точность и устойчивость идентификации волн как обменных на основании анализа их кинематических и динамических характеристик и выработать оптимальный граф обработки.

6. Опробовать оптимальный граф на реальном полевом материале ОГТ, полученном в пределах рассматриваемого района.

Гпава 2. Геологичесиое строение и сейсмогеологические условия кайнозойских отложений.

Верхняя часть осадочного чехла шельфа северо-западных морей изучена к настоящему времени достаточно полно, главным образом благодаря изысканиям на нефть и газ. Опубликовано большое количество работ об инженерно-геологическом строении и свойствах верхней части разреза. Ряд публикаций содержит весьма полные обзоры литературы о строении и свойствах этих сложных сред [5,6]. В рамках настоящей главы мы ограничимся лишь теми данными, которые необходимы для решения поставленных выше задач, фактически обобщая имеющиеся на эту тему сведения.

Исследуемая толща практически повсеместно представлена отложениями плиоцен-четвертичного возраста мощностью от 3 до 150 м, редко больше, составляя в среднем 20 м — 40 м. При этом максимальная мощность достигается в локальных депрессиях эрозионного и неотектонического происхождения. Эти новейшие отложения с резко выраженным, как правило, угловым несогласием перекрывают выровненную кровлю коренных пород более древнего возраста. Разрез плиоцен-четвертичных отложений включает в себя:

1. Верхнеплиоценовые отложения. Они распространены в пределах Кольского прогиба, Печорской и Южно-Карской синеклиз и представлены аллювиально-морскими фациями и имеют мощность 1 м — 50 м. В составе преобладают глины и суглинки с прослоями песчано-пылеватого материала.

2. Нижнеплейстоценовый комплекс. Отложения комплекса встречаются в Печорской синеклизе, а также на Карском шельфе и имеют мощность до 20 м — 30 м. Цитологически они представлены терригенными породами различного гранулометрического состава — от суглинков до грубозернистых песков. В нижних частях разреза по данным керна скважин часто выражены дизъюнктивные нарушения.

3. Среднеплейстоценовый комплекс. Он развит в основном в пределах Южно-Баренцевской и Печорской синеклиз и представлен моренными суглинками в виде плащеобразных покровов мощностью в среднем 20 м -50 м.

4. Верхнеплейстоценовый комплекс. Весьма похож на среднеплейстоценовый комплекс и сложен глинистыми мореноподобными отложениями с пропласгками и линзами коричневых глин.

5. Голоценовый комплекс. По данным инженерно-геологического бурения, в геологическом разрезе голоценовых отложений шельфа западных арктических морей фрагментарно выделяются четыре стратиграфических комплекса, разделенных эрозионными границами: морские голоценовые отложения (m QIV), морские и аллювиально-морские позднеплейстоценовые (am QIII 34), морские и ледово-морские позднеплейстоценовые (ш, mg QIII2), ледово-морские и аллювиально-морские среднеплейстоценовые и плиоценовые отложения (gm, am QII — N23).

Они представлены разнообразными терригенными отложениямиморские илами, суглинками, песками и т. д.

По своим физико-механическим свойствам новейшие отложения шельфа Баренцева и Карского морей весьма разнообразны. Среди них широко развиты как текучие и илистые фунты, так и образования с тугопластичной и даже твердой консистенцией. Наиболее уплотненными являются мореноподобные суглинки. Они имеют мягкую, тугопластичную, полутвердую и твердую консистенцию. В пределах Кольского, Канинского и Гусиного желобов, Кольской седловины, а также Южно-Баренцевской впадины наблюдаются мореноподобные суглинки мягкотекучей и текучепластичной консистенции. Тугопластичные и полутвердые мореноподобные образования характеризуются высокой плотностью р=1.9−2.25 г/смЗ. Менее консолидированы мягкои текучепластичные моренные суглинки. Они имеют плотность р=1.8 — 2.0 г/смЗ. Неоднородные мореноподобные суглинки с признаками слоистости характеризуются полутвердой консистенцией, имеют плотность р=1.8 — 2.0 г/смЗ и пористость 25 — 35%. Глины верхнеплейстоцен-голоценового подкомплекса встречаются как неконсолидированные, текучей консистенции, так и уплотненные мягкои тугопластичные. Текучие разновидности глин характеризуются плотностью р=1.3−1.6 г/смЗ. Голоценовые ледово-морские осадки повсеместно имеют текучую консистенцию. Однако относительно небольшая пористость этих образований не позволяет выделить их в качестве илов. Относительно других типов молодых осадков они имеют весьма высокую плотностьр=1.98−2.15 г/смЗ. Физико-механические свойства переуплотненных отложений не соответствуют современному природному давлению. Плотность и прочность здесь выше, а влажность, текучесть и пористость ниже значений, ожидаемых при современном литостатическом давлении. В составе переуплотненных образований преобладают в основном осадки верхнеплейстоценового подкомплекса и нижнеи среднеплейстоценовые мореноподобные суглинки. В разрезе северных глубоководных морфоструюурных зон и сводовых частей положительных морфоструктур среднеглубинной группы под тонким покровом молодых осадков (до 5 м) развиты мягкои тугопластичные образования нижнеи среднеплейстоценового комплекса и верхнеплейстоценового подкомплекса.

Переуплотненные отложения встречаются и под недоуплотненными или нормально уплотненными осадками. Часто переуплотненные моренные суглинки среднеи верхнеплейстоценового подкомплексов перекрываются мощным (20−40 м) покровом коричневых глин. Такие разрезы вскрыты в пределах южных глубоководных и среднеглубинных морфоструктур, а также на шельфе Карского моря в Пахучанской и Югорской впадинах. Переход от недоуплотненных к нормально уплотненным и к переуплотненным осадкам резкий, скачкообразный.

Скорость распространения продольных волн в недоуплотненных разрезах илов, текучих глин и суглинков вер хнеплейсто цен-голо ценового комплекса составляет! 350−1450 м/с, то есть несколько ниже скорости звука в морской воде. В нормально уплотненных толщах скорость распространения продольных волн близка к средневзвешенной скорости звука по всей толще новейших отложений — 1600 м/с. В переуплотненных отложениях ее значения достигают 1650−1700 м/с. По данным единичных измерений норвежских исследователей они могут составлять 2000 м/с и более.

Все вышесказанное относится к породам в отсутствие вечной мерзлоты. Однако в пределах арктических морей широко развита так называемая криолитозона, причем весьма сложного строения. Она представлена многолетнеохлажденными (несцементированными льдом) и многолетнемерзлыми породами, часто сильно льдистыми. Многолетнемерзлые породы обладают целым рядом присущих только им специфических свойств. Эти свойства отражаются практически на всех характеристиках пород — от преобразования состава и структуры до резкого изменения физических, в том числе и сейсмоакустических, свойств. Особенности распространения сейсмических волн (их скорости, строение волнового сейсмического поля) в районах развития мерзлоты в основном определяются наличием и физическим состоянием воды в порово-трещинном пространстве пород, а также наличием и формой границ талик-мерзлота, лед — породы. При этом резко меняются плотность и скорости распространения продольных и поперечных волн.

Глубина кровли и подошвы многолетнемерзлых пород колеблется в очень широких пределах. В интересующей нас субаквальной зоне промерзшие во время последнего оледенения породы находились на суше. Затем по мере трансгрессии моря они покрывались водой и образовывался талый слой, покрывающий многолетнемерзлую толщу, поскольку температура соленой воды у дна выше точки замерзания соленой воды в породе -1.8°С. Таким образом, чем больше глубина воды, тем больше мощность талой толщи. По данным инженерно-геологического и нефтяного бурения она меняется практически от нуля (вблизи уреза воды) до многих сотен метров. Расположение подошвы многолетнемерзлых пород оценить очень трудно. Оно определяется влиянием теплового потока снизу и сильно зависит от состава, трещиноватости подстилающих отложений, близости разломов, наличия газовых скоплений и т. д. Там, где мерзлота почти стабильна, глубина ее подошвы может достигать многих сотен метров. Однако, местами, например, в районе Приразломного месторождения, мощность многолетнемерзлых пород сокращается буквально до 20 м. В главе. при выборе базовой акустической модели будут даны примеры по ряду скважин.

Изменения плотности при промерзании осадочных пород невелики, если влажность их равна или меньше полного влагонасыщения. Рыхлые осадочные породы являются исключением, так как в мерзлом состоянии они могут вмещать гораздо больше воды (льда), чем в талом. В этом случае плотность осадочных пород уменьшается за счет выделения льда. Средние значения плотности основных разновидностей осадочных пород в талом состоянии приведены в таблице [5].

Табл. II.

Осадочные породы Плотность, г/см.

Минимум Максимум среднее.

Ангидриты 2,8 3 2,8.

Песчаники, известняки, доломиты 2,2 2,7 2,5 гипсы, каменная соль 2,1 2,5 2,4 пески, супеси, суглинки, глины 1,2 2,4 1,7−2.

Торф 0,4 0,95 0,86.

Согласно данным ультразвуковых исследований на образцах и сейсмических исследований in situ, при замораживании скальных, песчано-крупнообломочных и некоторых песчано-глинистых водонасыщенных пород значения Vp и Vs резко увеличиваются в диапазоне от 0 до -2° С (иногда до -(4−6)° С). Увеличение солености сглаживает скачок скорости при понижении температуры ниже нуля. В галечниках и песках наблюдается наибольшее скачкообразное изменение скоростей упругих волн при переходе из талого состояния в мерзлое. Для песка, содержащего глинистые фракции, этот скачок составляет около 250%, для чистых кварцевых песков он примерно вдвое больше [5]. Наименьший скачок Vp при охлаждении ниже 0СС имеют глины и глинистые породы — 10 — 30%, так как значительная часть их влаги приходится на связанную воду. Последняя частично замерзает при дальнейшем понижении температуры, что обусловливает возрастание скорости упругих волн. Температурные зависимости скоростей для суглинков и супесей занимают промежуточные значения [5]. В порядке возрастания среднего значения Vp в талом состоянии породы могут составить следующий ряд: песок, супесь, суглинок, глина, песчаник, мергель, мел. Породы этого ряда четко.

разделяются по среднему значению Vp. В мерзлом состоянии по абсолютным значениям Vp четко выделяются лишь водонасыщенные пески при температуре ниже -(2−3) °С, остальные породы могут иметь одинаковые значения [5].

Отношение скоростей Vp/Vs для мерзлых грунтов колеблется около значения 1,5 во всем диапазоне измерения скоростей продольных волн [6]. В целом величина Vp/Vs не зависит от солености, хотя заметно увеличение этого отношения от 1,5 до 1,9 при увеличении солености выше 0.1 М, Для обломочно-песчаных пород величина Vp/Vs зависит от заполнения пор: при заполнении пор воздухом Vp/Vs =1,4−1,6, водой Vp/Vs = 5−10, льдом Vp/Vs = 1,6−2. Эти значения даны для коэффициента пористости 0,2−0,5. В мерзлых обломочно-песчаных породах величина Vp/Vs меняется от 1,4−1,6 до 1,6−2 при увеличении объемной влажности. Для глинистых пород при небольшой отрицательной температуре и полном влагонасыщении Vp/Vs = 2−2,5 [6].

Некоторые результаты определения скоростей продольных волн в рыхлых ММП и их талых аналогах, полученные при сейсмических исследованиях в Северной Америке, Гренландии и Антарктиде, приведены в табл. Относя минимальные скорости (2400 м/с) к многолетнемерзлой глине, а максимальные (4300 м/с) к пескам и галечникам, можно увидеть совпадение с данными, полученными в Арктике России. Табл.1.3. Скорости распространения продольных волн для многолетнемерзлых и талых рыхлых пород для Северной Америки, Гренландии, Антарктиды [6].

Для сравнения в таблице даны результаты определения скоростей сейсмических волн в Российской Арктике в различных ММП и их талых аналогах, интервалы температур, а также наиболее характерные значения плотностей по данным инженерно-геологических исследований. В целом эти данные согласуются с данными, полученными для других районов [6]. Табл. Скорости распространения сейсмических волн и плотности для многолетнемерзлых и талых пород [6].

Наименование пород Многолетнемерзлые Талые Место определения.

Vp, м/с Гру< t,°C юзернис! Vp, м/с ые породы.

Пойменный аллювий 2400−4300 -1 1900;2100 Фербенкс, Аляска.

Галечник (гравий) 4000−4600 -1 1800−2300 Фербенкс, Аляска.

Эоловые пески 2400 -3 Теглин-Джанкшен, Аляска.

Зандровый галечник, гравий 2300−3000 Танакросс, Аляска.

Ледниковый тилл 4700−4800 -И Туле, Гренландия.

Глинистый песок 3100−3400 Нормен Уэллс, СЗТ, Канада.

Мерзлый грунт 3800−4500 Озера Фриксел, Ванда, Бонни, Антарктида.

Водонасыщенный песок 3200−4000.

Водонасыщенный галечник, гравий 3600−4000.

Галечник, гравий 5500 Клондайк, Юкон.

Тонкозернистые породы.

Алевритистый галечник, гравий 2300−3000 -1 Фербенкс, Аляска.

Алеврит с линзами льда 2000;2800 -1,5 Эйльсон, база ВВС, Фербенкс, Аляска.

Аллювиальная глина 2400 -2 Нортуэй, Фербенкс, Аляска.

Алевритистая глина 3100 Нормен Уэллс, СЗТ, Канада.

Глина 2500−2800 Нормен Уэллс, СЗТ, Канада.

Породы Многолетнемерзлые Талые.

Vp, м/с Vs, м/с Vr, м/с р, г/смЗ Т,°С Vp, м/с Vr, м/с р, г/смЗ.

Галечники 4250−4650 2600−2700 2100−2200 1,9−2,3 -7−0 1200−1600 250−500 2,0−2,4.

Галечники 4000−4300 2500−2650 2000;2150 2,1−2,4 -7−0 1600−1800 250−500 2,0−2,4.

Пески 4250−4550 2600−2700 2150 1,9−2,0 -7−0 1600−1800 250−500 2,0−2,4.

Суглинки 3600−3800 1900;2100 1300−1800 1,3−2,0 -7−0 1400−1800 1,9−2,0.

Глины 2750−3500 1800−1900 1300 1,2−1,8 -7−2 1800−2100 1,8−2,1.

Элювий 3300−3500 -7−0.

Сухие галечники и пески 250−500 160−180 1,9 -7−0 330−500 180 1,9.

Граница талик-мерзлота для рыхлых пород достаточно контрастна и является границей первого рода. Максимальное изменение акустической жесткости для продольной волны составляет 2,9, а для рэлеевской — 7,3. Максимальное изменение акустической жесткости в глинах — 1,18. Для рыхлых отложений смешанного состава контрастность границы мерзлые-талые породы зависит от содержания глины [6].

Коэффициент Пуассона (v) мерзлых пород слабо зависит от температуры и суммарной влажности, и зависит от степени заполнения пор и трещин водой и льдом. Для льдонасыщенного песка v=0,2−0,22- для льдонасыщенных глинистых пород в среднем v=0,37, а для большинства скальных пород v=0,26−0,31. Для морозных скальных пород v=0,15 — 0,21.

5].

Вышеприведенные данные послужили основой построения акустических моделей исследуемой толщи. Ниже приведен набор базовых моделей, варьируя характеристики которых (в рамках заданных пределов) был получен представительный ансамбль.

Первый тип.

Четвертичная толща, h = 100 м.

Коренные 2200 1100 0.0 2200 щ 1111И ШЩШш^ с 1) ЬИя ИИ1.

1 1500 1000 0.0 1000.00 щ.

2 3.0 1600 400 0.0 1900.00 Ц

3 3.0 1800 300 Q. OOOOOOO 1900.00 Щ.

4 4,0 1900 500 0.0 2000.00 Щ 1900.00 Щ.

5 7,0 1800 300 0.0 б 8.0 1850 400 0.0 1900.00 Щ.

7 30.0 1900 500 0.0 2000.00 ||.

8 10.0 1850 400 0.0 2000.00 fjj.

9 15.0 1900 500 O. OCDOOOO 2050.00 Ц

10 20.0 1800 450 | 0.0 1000.00 ц.

Четвертичная толща, h = 100 м, но.

Коренные 2000 1100 0.0 2200.

ШШШ й ш .-.:.. .

1 gflti) 1500 1000 0.0 looo. oo i.

2 3.0 1600 400 0.0 1900.00 j.

3 3.0 1800 300 0.0 1900,00 j.

4 4.0 1900 500 0.0 2000.00 j.

5 7.0 1800 300 0.0 1900.00 j.

6 8.0 1850 400 0.0 1900.00 |.

7 30.0 1900 500 0.0 2000.00 ].

8 10.0 1850 400 0.0 2000.00 ].

9 15.0 1900 500 0.0 2050.00 |.

10 20.0 1800 450 0.0 looo. oo!

Второй тип. в той же четвертичной толще, начиная с глубины 25 м, залегают мерзлые пески.

§§ j шштшш и f | 1И ¦И AO ^.

1 20.0 1500 1000 И 0.0 rfirpi 1000.00 Jj.

2 3.0 1600 400 | 0.0 1900.00 Щ.

3 3.0 1800 300 | 0.0 1900.00 jj.

4 4.0 1900 500 0.0 2000.00.

5 7.0 1800 300 0.0 * 1900.00 {j.

6 8.0 1850 400 o. ocooooo 1900.00 jg.

7 100.0 4200 2600 0.0 2000.00 II.

8 10.0 1850 400 0.0 2000.00 §{.

9 15.0 1900 500 0.0 j 2050.00.

10 20.0 1800 450 0.0 i 2100.00 Ш Ш аналог предыдущей, но мощность мерзлых песков равна 30 метрам.

ЖРШШ Г ш ¦ Же.

1 1500 1000 0.0 1000.00 Ц

2 3.0 1600 400 0.0 1900.00 Щ.

3 3.0 1800 300 0.0 1900.00 II.

4 4.0 1900 500 0.0 2000.00 §|.

5 7.0 1800 300 0.0 1900.00 11.

6 8.0 1850 400 0.0 1900.00 ||.

7 30.0 4200 2600 0.0 2000.00 и.

8 10.0 1850 400 0.0 2000.00 ||.

9 15.0 1900 500 о. оосоооо 2050.00 Щ.

10 20.0 1800 450 о. оосоооо 2100.100 | мощность мерзлых песков равна 50 метрам.

111 заЩЩ Н — J ШШШШШШшШ®ill) ЩШШШ.

2 3.0 1600 400 о. оосоооо 1900.00 Д.

3 3.0 1800 300 0.0 1900.00 Щ.

4 4.0 1900 500 о. оосоооо 2000.00 U.

5 7.0 1800 300 0.0 1900.00 JI.

6 8.0 1850 400 j 0.0 1900.00 jj.

7 30.0 4200 2600 0.0 2000.00 2р

8 10.0 4100 2600- 0.0 2000.00 ||.

9 10.0 4200 2600 дызе 0.0 2050.00 JI.

10 25.0 1800 450 | 2100.00 Щ.

11 100.0 2200 1100 i 0.0 2200.00 Ц

Мерзлые породы залегают с глубины 25 метров и до конца (по скважине).

1 111 111 пшр с 11 111.

2 3.0 1600 400 0.0 1900.00 II з! 3.0 1800 300 0.0 1900.00 Щ.

41 4.0 1900 500 0.0 2000.00 JJ.

5 7.0 1800 300 0.0 1900.00 11.

6 8.0 1850 400 0.0 1900.00 Щ.

7 | 30.0. 4200 2600 0.0 2000.00 jj.

8 | 10.0 4100 2600 0.0 2000.00 ||.

9 | 15.0 3800 2100 0.0 2000.00 Ж.

10 20.0 3400 1800 0.0 2000.00 Ц

11 100.0 3500 1900 0.0 2100.00 Jj в той же четвертичной толще, начиная с глубины 55 м, залегают мерзлые суглинки.

N ШШШ с: ||i| beta rho.

I 20. ОД | 1500 1000 j 0.0 1000.00 fg.

2 3.0 ! 1600 I 400 ! 0.0 1 1900.00.

3 3.0 1800 | 300 i 0.0 1 1900.00 ||.

4 4.0 — 1900 | 500 [ 0.0 2000.00 Jj.

5 7.0 1800 300 0.0 1900.00 .

6 8.0 1850 400 o. ooooooo — 1900.00 11.

7 30.0 1900 | 500 0.0 2000.00.

8 100.0 3800 | 2200 ! 0,0 1 2000.00 jfj.

9 15.0 1900 500 0.0 2050.00 Jj.

10 20.0 1800 450 0.0 2100.00 J в той же четвертичной толще, начиная с глубины 55 м, залегают мерзлые суглинки мощностью 30 м. $ h ¦ Ш1ШШ КВН.

2 | 3.0 1600 400 | 0.0 1900.00 Ц

3 | 3.0 1800 300 | 0.0 1900.00 1|.

4 | 4.0 1900 500 | 0.0 2000.00 II.

5 7.0 1800 300 | 0.0 1900.00 Щ.

6 | 8.0 1850 400 1 0.0 1900.00 II.

7 | 30.0 1900 500 | 0.0 2000.001.

8 15.0 3800 2200 | 0.0 2000.00 Щ.

9 15.0 3850 2100 | 0.0 2050.00 II.

10 | 15.0 2000 1000 | 0.0 2100.00 11.

11 | 100.0 2200 lioo [ 0.0 22 001 т.

Третий тип.

Газонасыщенный слой мощностью 8 м на глубине 14 м.

ИНН.

2 1600 400 0.0 1900.00 11.

3 3.0 1800 300 0.0 1900.00 1J.

4 4.0 1900 500 0.0 20ООБО||.

5 7.0 1800 300 0.0 1900.00 Щ.

6 8.0 600 150 0.1 000 1700.00 Л.

7 30.0 1900 500 0.0 2000.00 11.

8 10.0 1850 400 0.0. 2000.00 II.

9 15.0 1900 500 0.0 2050.00 II.

10 20.0 1800 450 0.0 1000.00 Ц

11 100.0 2200 1100 0.0 2200.00 Щ.

Газонасыщенный слой мощностью 4 м на глубине 6 м. таштт л ш мжшжтмшщш* - Ь ШШШЩШШШш btta НИИ :

1 1500 1000 0.0 1000.00.

2 3.0 1600 400 0.0 1900.00.

3 3.0 1800 300 0.0 1900.00 щ.

4 4.0 600 150 0.0 1700.00 щ.

5 7.0 1800 300 0.0 1900.00 б 8.0 1850 400 0.1 000 1900.00.

7 30.0 1900 500 0.0 2000.00.

8 10.0 1850 400 0.0 2000.00.

9 15.0 1900 500 0.0 2050.00.

10 20.0 1800 450 0.0 1000.00 j$$f.

Четвертый тип.

На глубине 100м — кровля газогидратов. Вышеисходная модель Ml 100.

1*1 111 111 Ь ШШшШ т^шшт ЩЩ^щ шшштт ш.

2 i 1боо 400 0.0 1900.00 Jj.

3 3.0 1 1800 300 0.0 1900.00 Щ.

4 4.0 | 1900 500 0.0 2000.00 Щ.

5 7.0 I 1800 300 0.0 1900.00 б 8.0 | 1850 400 0.0 1900.00 II.

7 30.0 | 1900 500 0.0 2000.00 Si.

8 10.0 ! 1850 400 0.0 2000.00 jj.

9 15.0 | 1900 500 0.0 2050.00 |1.

10 20.0 ! i8oo 450 0.0 2050.00 Jj.

11 100.0 1 2500 500 0.0 2000.00 Ц

Гпава 3. Выбор метода построения синтетических сейсмограмм.

В подавляющем большинстве случаев, требующих вычисления большого количества многоканальных синтетических сейсмограмм, используется лучевое приближение, то есть решается задача падения плоской волны на плоскую границу раздела. Делается это исключительно из соображений уменьшения до разумного затрат машинного времени. Задача данного раздела состоит в том, чтобы определить пределы применимости лучевого приближения для оценки кинематических и динамических характеристик обменных волн в указанных выше сейсмогеологических условиях и для используемых в практике многоканальных сейсмических исследований параметров методики наблюдений. Дело в том, что в рассматриваемых условиях подобное решение требует тщательного обоснования.

Обобщая описание сейсмогеологической ситуации, характерной для шельфа арктических морей, можно сказать, что типовая ситуация характеризуется следующими чертами:

Слабо консолидированные четвертичные отложения представлены чередованием невыдержанных в плане слоев мощностью в единицы метров. Скорости распространения продольных VP и сдвиговых Vs волн в слоях изменяются в пределах 800 -1700 м/с и 500 -120 м/с соответственно. При этом отношение Vp /Vs изменяется от 2,5 до 5. Плотность этих отложений изменяется в диапазоне 1,6 — 1,8 г/ см. Сверхнизкие значения скоростей распространения волн и аномально высокие значения Vp/Vs могут свидетельствовать о высокой газонасыщенности пород.

Подстилающие породы в не мерзлом состоянии характеризуются скоростями распространения продольных волн порядка 1800 м/с — 2200 м/с и плотностью порядка 2.0 — 2,2 г/ см3 до глубин в несколько сотен метров под дном при отношении Vp/Vs порядка 2−2,3. Те же породы в мерзлом состоянии характеризуются скоростью распространения продольных волн порядка 3000 м/с — 3500 м/с, при о плотности порядка 2,2 -2,3 г/см и отношении Vp/Vs порядка 1,55 — 1,65.

Как следует из приведенных выше данных, коэффициенты отражения для границы межлу четвертичными и подстилающими породами, когда те и другие находятся в не мерзлом состоянии, при нормальном падении могут достигать по абсолютной величине 0,4 и более. Значение коэффициента отражения (естественно, для продольных волн при нормальном падении) для кровли многолетнемерзлых пород составляет 0.37 — 0.43, то есть имеет весьма близкие значения. На кровле газонасыщенных пород коэффициент отражения (в том же смысле), будучи отрицательным, может достигать по модулю 0.5 и более. При таких перепадах свойств и при глубинах залегания границ, вполне сравнимых с используемыми на практике длинами волн (на частотах 60 — 180 Гц при скоростях распространения продольных волн порядка 1800 м/с Х"10м ч-ЗО м) даже при нормальном падении вопрос о применимости лучевого приближения для расчета обменных волн становится нетривиальным. При использовании же относительно длинных приемных расстановок обеспечивается очень широкий диапазон углов падения на кровлю мерзлых, либо газонасыщенных пород. Так, при стандартной методике ОГТ, применяемой, например, АМИГЭ при исследовании шельфа Баренцева и Карского морей, максимальный вынос составляет почти 150 м. Учитывая приведенный выше диапазон глубин воды и мощностей покрывающей талой толщи, это приводит к углам падения и отражения более чем 60° как для продольных, так и для обменных волн.

Для решения задачи о применимости лучевого приближения в столь сложной ситуации необходимо в первую очередь определить, для каких целей будут использованы синтетические сейсмограммы, поскольку от этого зависит требуемая точность решения прямой задачи. Следовательно, необходимо сравнить результаты основных процедур обработки синтетических сейсмограмм, построенных точным и лучевым методами, в последовательности повышения требований к точности: скоростного анализа,.

НМО и суммирования по ОГТ,.

AVO — анализа.

Действительно, для оценки эффективности скоростного анализа на обменных волнах требования к точности совпадения амплитуд с истинными очевидным образом ниже, чем если синтетические сейсмограммы используются в дальнейшем для AVO-анализа, когда в расчетах параметров и атрибутов используются собственно амплитуды волн на каждой трассе исходных сейсмограмм, В то же время при стандартном скоростном анализе фактически ищется максимум суммы, то есть выполняется весьма устойчивая операция.

В работе [2] представлены результаты подобного исследования, проведенного для отраженных продольных волн в связи с возможностью пользоваться лучевым приближением именно для целей AVO-анализа (то есть в случае самых жестких требований). При этом авторами было выполнено точное решение прямой задачи для двух случаев:

1) отражение возбуждаемых точечным источником сферических волн от плоской границы раздела двух полупространств (то есть когда фронт падающей волны является сферическим),.

2) случай, когда источник и приемник расположены в жидкой среде, а изучаемой границей является подошва твердого слоя, залегающего на твердом полупространстве. В последнем случае фронт падающей волны уже не является сферическим.

Полученные результаты позволили оценить пределы применимости лучевого приближения для оценки амплитуд продольных отраженных волн и, соответственно, установить связь между изменением амплитуд при различных выносах и поведением коэффициента отражения для плоских волн. В работе подробно количественно оценены величины ошибок, имеющих место при использовании лучевого приближения для моделей, характерных для строения четвертичных отложений шельфа арктических морей. Показано, что в некоторых случаях амплитуды продольных отраженных волн могут значительно отличаться от истинных — до 25% и более. Однако, как было сказано выше, в рамках настоящей работы нас в первую очередь интересует эффективность основных стандартных «кинематических» процедур обработки — скоростного анализа и суммирования по ОГТ. Этот подход очевидным образом снижает требования к точности решения прямой задачи. Соответственно, было проведено сравнение амплитуд обменных волн типа PPSP и PSSP (случай 2), полученных путем точного решения [1] и решения в лучевом приближении[12] для моделей, представляющих собой твердый слой под жидким полупространством, подстилаемый твердым полупространствомдля многолетнемерзлых и газонасыщенных подстилающих пород. Использованные модели можно считать первым приближением к реальной ситуации — под толщей воды талый слой, подстилаемый многолетнемерзлыми, либо газонасыщенными породами. При этом основным параметром упругих сред, определяющим характер отражения от границ между ними, являются отношения скоростей продольных и поперечных волн над и под отражающей границей (Vp/Vs). Поэтому в моделях задавался представительный набор именно этих характеристик. Расчеты по точному решению прямой задачи проводились в программе Seismic Guide, а в лучевом приближении — в программе MOV Screen. Программы разработаны на кафедре сейсмометрии и геоакустики под руководством профессора Калинина А. В. Ниже перечисленные примеры моделей представлены в формате ввода данных для этих программ. В них предусмотрены следующие обозначения:

Н — мощность в метрах, с — скорость распространения продольных волн в м/с, b — скорость распространения поперечных волн в м/с, rho — плотность в кг/м .

Для всех моделей верхнее полупространство имело свойства водыс=1500, b=0, rho=1000. Под водным полупространством расположен талый слой с указанными в модели параметрами. Он подстилается полупространством, представленным либо мерзлыми породами, либо газонасыщенными, например: Модель 1530: талый слой V/Vs=3, мерзлое полупространство V/Vs=1.5.

Модель 1535: талый слой V/Vs=3.5, мерзлое полупространство V/Vs=1.5.

Model Editor 1535. MDI (rum Fluid Solid layer Solid.

Модель 1540: талый слой V/Vs=4, мерзлое полупространство V/Vs=1.5 i 2.

Mudel Editor — !!)4II MDt. from Nuid SuluH. uyer Suluf.

•Ni H.

20.0.

3 I.

450 i.

2330 j H looo. oo ж 1800.00 Щ 2200.00 1.

Аналогичным образом построены модели с V/Vs=3.0, 3.5, 4.0 7 в талом слое и подстилающей мерзлотой с V/Vs=1.6 и 1.7. Их имена имеют соответствующую абревеатуру. Дополнительно были включены модели с газом, выходящим на поверхность дна (gaz) и с газом в полупространстве под толщей талых пород мощностью 10 м (gaz dn):

Model Mitiir GAZ. MDL fmin Fluid Sclii) 1 i/иг Snlit!

Ш Ъ ч.

1 1 шт ! 1000.00.

2 ! 20.0 600 150 ! 1700.00.

3 1900 500 j i 2000.00.

Ь* | mm тшШй.

Model Editor-GAZ DNMDL from Flmrt-Solid 1 ayer-S fiti p «i ЩЩ ¦ ¦ w црННРНЯВЦ