Геологические условия сейсморазведки

Итак, сейсморазведка изучает распространение упругих волн в физико-геологической среде. Характер их поведения зависит от особенностей геологического строения и от свойств (способностей) горных пород передавать упругую энергию в виде сейсмических волн. Упругие свойства, как отмечалось выше, характеризуются модулями Юнга и Пуассона. Их значения для горных пород зависят от литологического состава, условий их формирования и развития, условий их современного залегания. Лабораторными исследованиями установлено, что модуль Юнга для различных пород варьирует в широких пределах, а модуль Пуассона изменяется от 0,2 до 0,35. Это значит, что и скорости распространения сейсмических волн, которые определяются этими модулями, для различных горных пород существенно различны. Так, скорость продольных волн для водонасыщенного песка равна 1,5−1,6 км/с, для влажной глины 1,5−2,5 км/с, для песчаника 1,5−4,0 км/с, для мела 1,8−3,5 км/с, для известняка и доломита 2,6−6,5 км/с, для мергеля 2,0−3,5 км/с, для ангидрита и гипса 3,5−4,5 км/с, для каменной соли 4,2−5,5 км/с, для гранита 4,0−6,0 км/с, для базальта 5,0−6,5 км/с. В целом в терригенных породах скорость не более 3,5 км/с, в карбонатных отложениях ее значения достигают величин 6,5 км/с, метаморфические породы характеризуются значениями 3,5−6,5 км/с. В изверженных породах скорость продольных волн принимает значения до 7,0 км/с. А вещество земной коры на глубинах 15−20 км характеризуется скоростями около 6,8 км/с, на глубинах 30−50 км — около 7,0−7,9 км/с, а на границе «земная кора — верхняя мантия» (на поверхности Мохо) — 8,0−8,4 км/с. Для сравнения приведем значения скоростей для воздуха 0,31−0,36 км/с, для воды 1,43−1,59 км/с и для льда 3,1−3,6 км/с.

Упругие константы и соответственно скорости сильно зависят от горного давления (увеличиваются) и от внутрипластового давления жидкости (уменьшаются). Поскольку скорость обратно зависит от плотности, а последняя обратно — от пористости, то с уменьшением пористости скорость должна уменьшаться. Однако модуль Юнга (прямо связанный со скоростью) с уменьшением пористости растет значительно быстрее, чем плотность. Поэтому между скоростью и плотностью существует прямая корреляционная связь.

С ростом глубины залегания скорость для пород одного и того же состава увеличивается за счет увеличения давления. Замечено также, что скорость при прочих равных условиях растет для относительно более древних пород.

Осадочные породы имеют хорошо выраженную слоистую структуру с изменяющимся по вертикали литологическим составом. Это способствует возникновению на контакте слоев с различной литологией отражающих и преломляющих сейсмических границ. В сейсморазведке такого рода границы характеризуются резкостью, понимая под этим резкость изменения сейсмических свойств при переходе через границу. Считаются наиболее резкими границы, где упругие свойства меняются скачкообразно на значительные величины. Это, как правило, границы размыва, например, поверхность кристаллического фундамента под осадочным покровом.

Как ранее отмечалось, отраженные волны приходят от границ, разделяющих среды с разным волновым сопротивлением (акустической жесткостью). Проследим, как изменяется эта характеристика для резких по литологическому составу горных пород. Так, для водонасыщенного песка волновое сопротивление равно 28−35 гс/см2, для влажной глины 28−50, для песчаника 35−100, для мела 36−100, для известняка и доломита 58−190, для гранита 110−170 и для базальта 140−200. Как видим, различие значений этой упругой характеристики горных пород способствует возникновению в геологической среде отраженных волн.

Что касается преломленных волн, то, как отмечалось ранее, их возникновение связано с условием, чтобы нижележащий слой обладал большей скоростью. К таким границам относятся поверхность кристаллического или метаморфического фундамента, поверхность известняков под терригенными осадками, кровля соляных штоков, поверхность изверженных пород и др.

Таким образом, можно ожидать, что в определенных физико-геологических ситуациях геологический и сейсмический разрезы (границы слоев с разным литологическим составом) могут хорошо совпадать, в особенности для осадочного чехла. Эти физико-геологические предпосылки широко подтверждены большим опытом сейсморазведочных работ при геологических исследованиях.

Заметим, что наличие в геологической среде крутопадающих границ, создающих сложную картину волнового поля — дифракцию волн, осложняет интерпретацию данных сейсморазведки и требует специальных исследований, которые мы опустим.

В заключение сформулируем основные благоприятные сейсмологические условия, к которым отнесем: наличие в геологическом разрезе четких отражающих и преломляющих границ, совпадающих с геологическими (стратиграфическими) границами; значительная протяженность сейсмических границ, небольшие углы наклона границ (до 150), отсутствие дизъюнктивных нарушений; небольшая мощность рыхлых отложений и неглубокое расположение уровня подземных вод в верхней части разреза, которые определяют условия возбуждения и приема сейсмических сигналов (и тем самым и качество отраженных и преломленных волн).