Геофизические методы исследования земной коры.

12.3.1. Глубинная сейсморазведка.

Глубинная сейсморазведка предназначена для изучения глубин от 5 - 10 км до нескольких десятков километров. Она проводится методами глубинных сейсмических зондирований (ГСЗ) или профилирований (ГСП), отличающихся кусочно-непрерывным или непрерывным прослеживанием глубинных - в основном, преломленных, реже отраженных, которые быстрей затухают с глубиной - волн вдоль региональных профилей (геотраверсов). Возбуждение упругих колебаний осуществляется большими взрывами. Регистрация сверхнизкочастотных упругих колебаний (1 - 20 Гц) ведется на расстояниях 50 - 300 км от пунктов взрыва.

Глубинная сейсморазведка применяется для решения следующих задач:

По данным сейсмологии и глубинной сейсморазведки получена модель расчленения Земли на оболочки по скоростям продольных () и поперечных () волн (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Модель распределения скоростей продольных () и поперечных () волн внутри Земли

По распределению скоростей упругих волн и их градиентов Землю делят на следующие оболочки.

Сверху залегают осадочные породы мощностью от 0 до 15 км и подстилающий их кристаллический фундамент. Вместе с нижезалегающими породами они образуют земную кору, мощность которой меняется от 5 км на океанах до 70 км в некоторых горных областях. Подошва земной коры называется поверхностью Мохоровичича (М-поверхностью или Мохо). Она характеризуется резким скачком (от 7 до 7,9 - 8,2 км/с) и отделяет земную кору от верхней мантии. Последнюю разделяют на литосферу (каменную оболочку) мощностью 60 - 100 км и астеносферу (полупластичную оболочку с небольшим понижением скоростей, простирающуюся до глубин 300 - 400 км. На глубине 900 км по изменениям градиентов скоростей выделяют нижнюю мантию. С глубин 2900 км по скачку и выделяют верхнее ядро, которое считается "жидким", так как через него не проходят поперечные волны. С глубин 5100 км залегает нижнее ядро.

Строение континентальной и океанической земной коры, изучаемое сейсморазведкой, гравиразведкой и магнитотеллурическими исследованиями, позволило выделить в них структуры разного порядка и глубинные разломы.

Глубинные разломы и тектонические нарушения по данным МОВ выделяются нарушением прослеживаемости горизонтов, а по данным МПВ - скачками в глубинах залегания преломляющих границ.

Поверхность фундамента под осадочными породами является опорной преломляющей и отражающей границей и с успехом картируется МПВ и МОВ.

12.3.2. Структурная сейсморазведка.

Структурная сейсморазведка - одно из основных направлений сейсморазведки. Структурная сейсмическая разведка, кроме решения задач структурной геологии, имеет четкую практическую направленность на поиск нефти и газа. Она проводится на суше, на морях, океанах, вдоль рек и имеет дело с глубинами исследования до 10 км. Структурные задачи решаются методом отраженных волн. Метод преломленных волн играет подчиненное значение и служит для картирования поверхности фундамента и выделения высокоскоростных слоев в осадочном чехле.

В результате рекогносцировочного и частично поискового сейсмогеологического районирования, выполненного на территории России, выделяются следующие четыре типа разрезов с различной эффективностью применения сейсморазведки.

I. Древние платформы (Русская, Восточно-Сибирская) характеризуются двух-трехэтажным сейсмогеологическим строением, пологими структурами, выдержанностью отражающих и преломляющих границ. Под сейсмогеологическим этажом понимается толща, для изучения которой требуется применение специфической методики наблюдений и интерпретации - иными словами, это сравнительно однородная толща горных пород, иногда четко не расчленяемая по сейсмическим данным. Для поисков нефтегазоносных структур в этих регионах необходима детальная высокоточная сейсморазведка с точностью определения глубин около 25 м.

II. Молодые платформы (Западно-Сибирская, Среднеазиатская, Предкавказская) отличаются одно- и двухэтажным строением, большой амплитудой структур, выдержанностью отражающих границ в этажах и преломляющих на границах этажей и по кровле фундамента. Поиски нефтегазовых структур в этих районах проводятся довольно успешно, так как сейсморазведка обеспечивает сечение сейсмогеологических карт и разрезов до 50 м.

III. Зоны кайнозойской складчатости (Кавказ, Карпаты, Средняя Азия, Сахалин и т.п.) характеризуются крупными, сложными структурами с большими углами наклона. Как правило, здесь отражающие границы прослеживаются в виде отдельных отражающих площадок. Основную роль играет МПВ. Для определения скоростей нужны скважины. Сейсморазведка дает результаты пониженной точности (сечение карт свыше 100 м).

IV. Глубинные впадины на платформах (Прикаспийская, Днепрово-Донецкая, Вилюйская и др.) характеризуются сложным многоэтажным строением с явлениями диапиризма, наличием соляных куполов. В подобных условиях применяются МПВ, МОВ. Точность сейсморазведки такая же, как и для III типа сейсмологического разреза.

Для решения задач структурной геологии широко применяется морская и речная сейсморазведка. Морская сейсморазведка - один из наиболее быстрых методов сейсморазведки. Работы ведутся в модификации НСП, МОВ, МПВ специальной автоматической аппаратурой без остановки судна.

12.3.3. Нефтегазовая сейсморазведка.

В результате структурных геолого-геофизических исследований практически все перспективные на нефть и газ районы на суше и морском шельфе выявлены. В этих районах, начиная с более перспективных, ведутся площадные поисково-разведочные сейсмические работы методом МОВ - МОГТ.

По условиям формирования и залегания нефтяные месторождения располагаются на глубинах 1,5 - 4 км, а газовые - на глубинах 3 - 6 км. Главное назначение сейсморазведки - поиск структур, благоприятных нефтегазонакоплению. Их называют ловушками. Это такие зоны осадочных (реже изверженных) пород, в которых имеются пористые породы (коллекторы), например, пески, трещиноватые скальные породы, перекрытые непроницаемыми породами (экранами), например, глинами. Основными типами ловушек являются: антиклинальные или куполовидные поднятия, приуроченные к сбросам толщи коллекторов, рифогенные (известковые) выступы, соляные купола, зоны выклинивания, стратиграфические несогласия, древние долины и другие.

Все они при высоком качестве проведения полевых работ и цифровой обработке информации визуально прослеживаются на разрезах: временных по данным МОВ (лучше МОГТ) и глубинных (МОВ - МОГТ), на структурных картах по кровле опорных горизонтов, на картах мощностей коллекторов или экранов. Точность в определении глубин должна быть не менее 100 м.

Разведка структур проводится сложными интерференционным системами МОГТ в сочетании с сейсмоакустическими исследованиями поисковых скважин. Точность в определении изменений мощностей пород в ловушках должна достигать 25 м.

В результате детальной сейсморазведки выявляются местоположение структур и их глубины, где возможно скопление нефти или газа (таких в среднем одна треть).

Прямые поиски нефти и газа в выявленных ловушках - задача очень сложная. Она требует детального анализа кинематики (скоростей) и динамики (затуханий) сейсмических волн (например, отношение является индикатором флюидонасыщенности). Прямые поиски более эффективны, если сейсморазведка комплексируется с высокоточной гравиразведкой, электромагнитными зондированиями, термическими и ядерными исследованиями в неглубоких скважинах. Разумеется, необходимо вести бурение самых перспективных структур. При благоприятном исходе такие скважины становятся промышленными для добычи нефти и газа.

12.3.4. Рудная сейсморазведка.

При поисках и разведке различных рудных месторождений сейсморазведка применяется значительно реже, чем нефти и газа. Это объясняется сложным сейсмогеологическим строением рудных районов.

Рудная сейсморазведка применяется для:

Непосредственные (прямые) поиски и разведка рудных месторождений с помощью сейсморазведки практически не проводятся. Основным методом рудной сейсморазведки длительное время являлся лишь метод преломленных волн. Особенно широко МПВ применяется для изучения поверхности коренных пород. Скользящая преломленная волна, распространяясь вдоль поверхности коренных пород, позволяет определить глубину их залегания, граничную скорость, выявлять зоны их нарушений, трещиноватости. В последние годы в рудной сейсморазведке применяются и другие классы волн: обменные, отраженные, рефрагированные.

Работы проводятся с помощью сейсморазведочных станций в высокочастотной модификации (частоты колебаний 100 - 400 гц), что обеспечивает большую разрешающую способность сейсмических наблюдений.

12.3.5. Инженерно-гидрогеологическая сейсморазведка.

При изучении геологической среды с целью инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий (гидростроительство, дорожное, промышленное и гражданское строительство, в том числе в районах вечной мерзлоты, поиски подземных вод, решение различных геоэкологических, мерзлотно-гляциологических и других задач) сейсморазведка находит все большее применение. Она используется для изучения глубины залегания коренных пород, расчленения осадочных толщ, определения мощности коры выветривания, мощности льда, картирования вечной мерзлоты, прослеживания разрывных нарушений, трещиноватых закарстованных зон, изучения оползней, определения уровня подземных вод.

Инженерно-гидрогеологическая сейсморазведка имеет дело с небольшими глубинами, поэтому возбуждение упругих волн проводится с помощью малых взрывов или ударов. Для разведки небольших глубин (до 30 - 40 м) применяется микросейсморазведка. Работы выполняются с помощью легких одноканальных сейсмических установок ОСУ (вес всего оборудования до 30 кг) или малоканальных (2 - 4). Возбуждение упругих волн производится ударом кувалды. Работы выполняются в модификации МПВ, реже МОВ.

При инженерно-геологических изысканиях акваторий морей, озер, рек могут применяться сейсмоакустические методы с электроискровыми или газоразрядными датчиками. При этом регистрируются эхо-сигналы (отражения) от границ слоев с разными акустическими жесткостями.

Сейсморазведка в горных выработках (подземная сейсморазведка) применяется для изучения сплошности массива, выявления пустот, обводненных зон, изучения геологического строения и оценки физико-механических и прочностных свойств горных пород вокруг выработок, а также горного давления. Работы в горных выработках проводятся либо с одноканальными установками, либо с помощью переносных сейсмостанций. Для изучения целиков пород между горными выработками используются сейсмические и акустические просвечивания.

Важной задачей инженерной сейсморазведки является изучение физико-механических и прочностных свойств пород. Измеряя скорость распространения продольных и поперечных волн в горных выработках, обнажениях, а также на образцах, можно рассчитать упругие константы и оценить физико-механические и прочностные свойства горных пород. Полученные данные используются для оценки горного давления, необходимого для расчета обделки и крепления горных выработок, а также для определения устойчивости, крепости, разрабатываемости грунтов. Измерения скоростей упругих волн проводятся как с помощью одноканальных сейсмических установок, так и с помощью сейсмоскопов, работающих на ультразвуковых частотах.

Динамические параметры модуля упругости, т.е. параметры, полученные по данным сейсморазведки, могут быть рассчитаны по известным скоростям распространения упругих продольных ( ) и поперечных ( ) волн (см. (4.2)):

(4.14)

где - плотность, - коэффициент Пуассона, - модуль Юнга. Зная и , можно определить . Для большинства скальных пород .

Тогда

где измеряется в м/сек.

Однако полученные динамические параметры необходимо сопоставить со статическими параметрами прочности, определяемыми путем испытаний образцов и монолитов на сжатие. Установив для каждого литологического комплекса района исследований корреляционную зависимость между динамическими модулями и статическими коэффициентами крепости (прочности) пород, можно отказаться от части трудоемких испытаний образцов, заменив их микросейсморазведкой или ультразвуковыми измерениями.

Назад| Вперед