close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка технологии многоканальных сейсмоакустических исследований с заглубленными системами на мелководных акваториях

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Токарев Михаил Юрьевич
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ
СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ЗАГЛУБЛЕННЫМИ
СИСТЕМАМИ НА МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЯХ
Специальность 25.00.10 – Геофизика,
геофизические методы поисков полезных ископаемых
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2016
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский государственный университет
имени М.В. Ломоносова»
Научный руководитель:
Гайнанов Валерий Гарифьянович,
доктор технических наук, доцент кафедры
сейсмометрии и геоакустики
геологического факультета МГУ
Официальные оппоненты:
Гогоненков Георгий Николаевич,
доктор технических наук, академик РАЕН
Ведущая организация:
ФГБУ «Всероссийский
научно-исследовательский институт
геологии и минеральных ресурсов
Мирового океана имени академика
И.С. Грамберга» (ВНИИОкеанология)
Мерклин Лев Романович,
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник,
ведущий научный сотрудник
лаборатории сейсмостратиграфии
ФБУН «Институт океанологии
им. П.П. Ширшова РАН»
Защита состоится 14 декабря 2016 г. в 14 часов 30 минут на заседании
диссертационного совета Д.501.001.64 по защите докторских и кандидатских
диссертаций
при
Московском
государственном
университете
имени
М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, ауд. 415.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Отдела диссертаций Научной
библиотеки МГУ (Ломоносовский проспект, д. 27, Фундаментальная библиотека,
сектор «А», 8-й этаж, к. 812) и на сайте в системе «Наука-МГУ» (ИСТИНА) по адресу:
http://istina.msu.ru/media/dissertations/dissertation/87e/db1/27906478/Dissertatsiya_
Tokarev.pdf
Автореферат разослан «____» __________ 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Никулин Борис Александрович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований
Сейсмоакустическое профилирование на акваториях за более чем
полувековую историю развития показало себя как высокоинформативный и
широко востребованный метод. Он находит применение как в региональных
геологических исследованиях, детальном геологическом картировании, так и
в инженерно-геологических изысканиях. В последние годы из-за возросшего
объема бурения и строительства инженерных объектов на акваториях особенно
актуальным на стадии проектирования морских сооружений стало применение
сейсмоакустических исследований для идентификации опасных геологических
процессов и явлений в верхней части геологического разреза. Основные виды
геологических опасностей при бурении связаны с зонами аномально высокого
пластового давления (АВПД), участками газонасыщенных или мерзлых пород.
Качественными признаками проявления таких зон на сейсмических разрезах
принято считать «яркие пятна», «области осветления», участки «видимого
понижения частотного состава» и т.д. Количественные оценки свойств
аномальных зон или хотя бы ранжирование опасных участков могут быть даны
только с дополнением результатов кинематического анализа динамическим
анализом сейсмоакустических данных. Достоверная оценка динамических
атрибутов в широком диапазоне частот от первых десятков герц до первых
килогерц требует совершенствования методики и техники сейсмоакустических
исследований.
Для получения более детальной и точной информации о геологическом
строении и упругих свойствах придонных отложений на мелководных
акваториях (20–200 м) автор предлагает использовать многоканальные
сейсмоакустические наблюдения с приемно-излучающими системами,
заглубленными на 20–100 м, что обеспечивает решение сложных инженерногеологических задач в соответствии с требуемой глубинностью геофизических
исследований.
Целью данной работы является разработка технологии многоканальных
сейсмоакустических исследований на мелководных акваториях с заглубленной
приемно-излучающей системой для определения строения и упругих свойств
придонных осадков при проведении инженерно-геологических изысканий
в верхней части геологического разреза.
4
Задачи, решаемые в диссертационной работе
Обзор и анализ существующих методик сейсмоакустических исследований
на акваториях, оценка их преимуществ и недостатков для решения инженерногеологических задач.
Проектирование и создание аппаратно-программных комплексов для
многоканальных сейсмоакустических исследований на акваториях.
Разработка методики сейсмоакустических наблюдений с заглубленными
приемно-излучающими системами.
Разработка методов кинематического и динамического анализа результатов
исследований с заглубленными приемно-излучающими системами и выбор
соответствующих приемов обработки данных.
Опробование и применение разработанной автором технологии
многоканальных сейсмоакустических наблюдений с заглубленными системами
для решения практических задач изучения верхней части геологического разреза
при инженерно-геологических изысканиях в различных сейсмогеологических
условиях.
Основные защищаемые положения
Для решения современных инженерно-геологических задач на мелководных
акваториях, требующих не только качественных, но и достоверных количественных
оценок упругих свойств придонных осадков, недостаточно проводить
сейсмоакустические наблюдения только с приповерхностными системами.
Разработанный аппаратно-программный комплекс и методика полевых
многоканальных сейсмоакустических наблюдений с заглубленной приемноизлучающей системой позволяют регистрировать отраженные волны с качеством,
достаточным для проведения кинематического и динамического анализа
волнового поля, необходимого для определения структуры и упругих свойств
осадков при инженерно-геологических изысканиях.
Разработанные алгоритмы и методы обработки результатов многоканальных
сейсмоакустических наблюдений с заглубленными системами позволяют
применять кинематический и динамический анализ для определения упругих
свойств отложений.
Предлагаемая технология сейсмоакустических исследований может быть
эффективно применена для решения ряда важных инженерно-геологических
задач: типизации морских осадков, сейсмического микрорайонирования
и выявления зон газонасыщенных грунтов, подводной мерзлоты и иных
5
геологических опасностей в различных сейсмогеологических, технических и
гидрометеорологических условиях.
Научная новизна работы
Спроектированы и созданы новые мобильные аппаратно-программные
комплексы для многоканальных сейсмоакустических наблюдений на акваториях
с приповерхностной, заглубленной и комбинированной приемно-излучающей
системой для проведения работ в частотном диапазоне 50–5000 Гц.
Впервые
предложена
и
опробована
методика
многоканальных
сейсмоакустических наблюдений на мелководных акваториях с заглубленными
системами для изучения верхней части геологического разреза.
Разработаны новые подходы к обработке, анализу и интерпретации
данных сейсмоакустических исследований с заглубленными системами,
обеспечивающие решение широкого спектра геологических и инженерногеологических задач.
Получены новые данные о геологическом строении и свойствах
газонасыщенных и мерзлых грунтов на акваториях Белого моря и моря
Лаптевых.
Практическая значимость
Создание аппаратно-программных комплексов для многоканальных
сейсмоакустических наблюдений позволило провести целый ряд научноисследовательских экспедиций по изучению геологического строения крупнейших
озер и шельфов морей Российской Федерации.
Внедрение
разработанной
автором
методики
многоканальных
сейсмоакустических наблюдений с заглубленными системами в практику
инженерно-геологических исследований на мелководье позволило значительно
повысить детальность исследований и достоверность оценки упругих свойств
осадков.
Автором показано, что дополнение традиционных сейсмостратиграфических
методов интерпретации анализом динамических особенностей волнового поля и
AVO-инверсией существенно повышает надежность выявления «геологических
опасностей» на этапе проектирования морских сооружений.
Разработанные автором технологии многоканальных сейсмоакустических
исследований успешно апробированы при проведении инженерно-геологических
исследований в Черном, Белом, Баренцевом, Карском, Лаптевых и Охотском
морях.
6
Публикации
По теме диссертации автором опубликованы 21 работа, в том числе 10 статей
в профессиональных журналах, входящих в список журналов, рекомендованных
ВАК, две статьи в иностранных научных изданиях, два патента и один
программный продукт, а также тезисы докладов на российских и международных
конференциях.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на следующих
конференциях:
XI научно-практическая конференция «Перспективы развития инженерных
изысканий в строительстве в Российской Федерации», Санкт-Петербург,
Россия, 9–11 декабря 2015 г.; Society of Exploration Geophysicists 85th Annual
20555 Meeting, Новый Орлеан, США, 18–23 октября 2015 г.; Международная
конференция «Сейсмические технологии», ИФЗ РАН, Москва, Россия,
13–15 апреля 2015 г.; «Инженерная геофизика-2014», Геленджик, Россия,
21–25 апреля 2014 г.; III Международная молодежная научно-практическая
конференция «Морские исследования и образование», МГУ, Москва, Россия,
22–24 октября 2014 г.; II Международная научно-практическая конференция
«Морские исследования и образование», Москва, Россия, 28–30 октября 2013 г.;
Российская техническая нефтегазовая конференция и выставка SPE по разведке и
добыче, Москва, Россия, 16–18 октября 2012 г.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит
173 страницы текста, включая 113 рисунков, 11 таблиц, список литературы
из 128 наименований.
Благодарности
Автор приносит искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н.
В.Г. Гайнанову, к.г.-м.н. Н.В. Шалаевой, к.г.-м.н. Л.А. Золотой и А.С. Пироговой,
принимавшим участие в обсуждении, проведении расчетов и подготовке данной
диссертационной работы.
Автор с глубокой благодарностью вспоминает замечательных ученых
А.В. Калинина, В.В. Калинина, М.К. Иванова, В.М. Глоговского, в общении с
которыми сформировались научные взгляды автора, своего коллегу и близкого
друга Н.А. Кузуба, заложившего основы разрабатываемой автором технологии
морских сейсмоакустических исследований с заглубленными системами,
7
Б.Л. Пивоварова, А.Ф. Лимонова, Г.Е. Яковлева, Г.В. Маслова и других сотрудников
геологического факультета МГУ, разделивших с автором интерес к морской
геологии и геофизике.
Автор благодарен бывшим и настоящим преподавателям, научным
сотрудникам, аспирантам и студентам отделения геофизики во главе с
В.К. Хмелевским, М.Л. Владовым и А.А. Булычевым за многолетнее
сотрудничество и замечательные научные дискуссии.
Особую признательность автор хотел бы выразить преподавателям,
научным сотрудникам и студентам, принимавшим активное участие в
организации и проведении морской научно-исследовательской геологогеофизической практики на Беломорской биостанции МГУ: А.Б. Цетлину,
А.В. Старовойтову, В.А. Ефремову, Д.В. Коросту, А.Л. Марченко,
Е.Н. Полудеткиной, А.Г. Рослякову, А.Е. Рыбалко, В.А. Стручкову,
С.А. Тихоцкому, Я.Е. Терехиной (Губановой), А.Н. Головко, В.В. Ивановой,
Р.И. Исаенкову, Д.Г. Калмыкову, А.А. Колюбакину, Г.А. Лебедевой,
А.А. Семеновой, Д.Д. Тетюхиной, А.А. Шматкову.
Автор искренне благодарен своим ближайшим коллегам П.А. Гофману,
И.П. Короткову, О.А. Альмендингер, С.В. Буряку, Р.Л. Певзнеру,
А.И. Понимаскину, М.А. Полубояринову, А.Е. Харитонову и другим
сотрудникам ООО «Деко-Геофизика» за усилия по разработке программного
обеспечения RadExPro и совместную деятельность по развитию методов обработки
и интерпретации данных сейсмических наблюдений.
Автор признателен сотрудникам компании «СПЛИТ» Е.А. Бирюкову,
А.К. Потемка, А.М. Токареву и А.С. Звереву за сотрудничество в создании и
тестовых испытаниях аппаратно-программных комплексов и методики полевых
сейсмоакустических наблюдений.
Особые слова благодарности автор выражает своему учителю
Л.М. Кульницкому, советы которого определили направление исследований
автора, а научные консультации и совместное участие в проектах помогли
добиться положительных результатов.
Автор выражает глубочайшую признательность жене Наталье Шатиловой,
забота и поддержка которой позволила автору реализовать свои научные интересы
в сложных условиях постсоветской России.
8
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна
и защищаемые положения, показана практическая значимость проведенных
исследований и определен личный вклад автора.
Глава 1. Современное состояние сейсмоакустических методов
исследований строения и свойств придонных осадков
Первая глава посвящена обоснованию необходимости новых технологических
приемов сейсмоакустических наблюдений для решения инженерно-геологических
задач на мелководных акваториях на основе анализа литературных данных.
В первом параграфе главы 1 рассмотрены актуальные задачи, решаемые
с использованием сейсмоакустических наблюдений на акваториях. Основное
внимание уделено актуальной задаче выявления опасных геологических явлений
на шельфе. Анализ публикаций [Kvalstad, 2007; OGP № 373-18-1, 2011; Миронюк,
2014; Vanneste, 2010; Козлов, 2005 и др.] показывает, что основные потенциально
опасные процессы для бурения на шельфе связаны с газонасыщенными и
мерзлыми породами, зонами аномально высокого пластового (порового) давления.
В настоящее время выявление потенциальных геологических опасностей на шельфе
проводится главным образом на основе качественной сейсмостратиграфической
интерпретации данных сейсмоакустического профилирования [Миронюк, 2012].
Второй параграф главы 1 посвящен физическим предпосылкам
определения опасных геологических процессов по сейсмическим данным.
На основе литературных данных [Dvorkin et al., 1999; Lee, 2002; Lee, 2004; Breitzke,
2006; Robb et al., 2006 и др. Dutta, 2002; Dvorkin, 2001; Huffman and Castagna, 2001;
Zimmer et al., 2002; Prasad, 2002] показано, что основанием для идентификации
слабоконсолидированных газонасыщенных отложений и зон повышенного
порового давления по сейсмическим данным служат существенные отличия их
свойств – скоростей распространения продольных волн, плотностей и особенно
коэффициента Пуассона – от свойств водонасыщенных осадков и осадков,
залегающих в условиях нормальных пластовых давлений. Специфические упругие
свойства таких отложений являются предпосылками к успешному применению
сейсмических исследований в различных частотных диапазонах с последующей
интерпретацией кинематических и динамических особенностей волнового поля
для целей выявления геологических опасностей.
9
В третьем параграфе главы 1 проанализированы современные
сейсмические методы изучения верхней части разреза на акваториях. Приведена
классификация видов сейсморазведочных работ в соответствии с разрешающей
способностью, частотным диапазоном, решаемыми задачами [Thomas et
al., 2012]. Рассмотрена история развития сейсмоакустических наблюдений,
проанализированы специфические проблемы, возникающие при многоканальных
наблюдениях со стандартными приповерхностными приемно-излучающими
системами, заглубленными на четверть длины волны центральной частоты
зондирующего импульса. Приводится обзор работ с заглубленными на десятки
и сотни метров системами для сейсмических исследований в океане – от первых
отдельных экспериментов [Bryan, 1979; Purdy et al., 1980; Purdy, 1986; Bowen,
1984] до современных заглубленных установок: PASISAR [Savoy et al., 1995;
Nouze et al., 1997], DTAGS [Bowles et al., 1991; Wood et al., 2003; Chapman et al.,
2002], SYSIF [Marsset et al., 2010]. При этом отмечено, что рассмотренные системы
не предназначены для высокоразрешающих исследований на мелководных
акваториях. Автором показано, что сейсмические наблюдения с заглубленными
системами имеют ряд преимуществ перед профилированием с поверхностносогласованными системами: более высокие значения разрешающей способности,
отношения сигнала к помехе, возможность регистрации зондирующего импульса.
В четвертом параграфе главы 1 кратко рассмотрены особенности
кинематического и динамического анализа сейсмических данных для определения
упругих свойств осадков.
Автором
отмечается,
что
из-за
латеральной
изменчивости
сейсмогеологических условий наиболее перспективными методами определения
кинематических характеристик верхней части разреза являются методы
послойного решения обратной кинематической задачи, разработанные для
неоднородных сред В.М. Глоговским [Глоговский, Лангман, 2009].
Также в этой главе кратко рассматриваются основы AVO/A-анализа
(поведения амплитуд в зависимости от удаления) и проблемы применения
инверсионных
алгоритмов
разведочной
сейсморазведки
к
данным
сейсмоакустических наблюдений. Исследования [Ayres, Theilen, 1999] показали,
что для изучения слабоконсолидированных отложений верхней части разреза
рекомендуется изучать поведение амплитуд на больших углах и использовать
точное решение системы уравнений Цеппритца. Рассматривая применение
инверсионных алгоритмов низкочастотной (разведочной) сейсморазведки
10
к данным высокоразрешающих сейсмоакустических исследований автор
указывает на ряд трудностей:
• недостаток скважинных измерений упругих свойств в верхней части
разреза для калибровки сейсмоакустических данных;
• отсутствие информации на частотах до 50 Гц при инверсии данных с
характерной полосой частот от 50 до 3500 Гц, ведущее к неустойчивому решению
обратной задачи;
• существенное влияние выбранных параметров съемки на зарегистрированные
амплитуды отраженных волн: направленность источника возбуждения колебаний,
нестабильность возбуждения, группирование гидрофонов и др.;
• влияние частотно-зависимого затухания на форму и амплитуду сигнала.
Автор отмечает, что, несмотря на трудности, связанные с реализацией
инверсии, в настоящее время это направление начинает развиваться [Vardy, 2014],
но пока не существует специализированных программных средств динамического
анализа сейсмоакустических данных в широкой полосе частот с необходимым в
этом случае учетом поглощения.
В пятом параграфе главы 1 формулируются требования к
сейсмоакустическим данным для кинематического и динамического анализа. Как
известно [Chopra and Castagna, 2014], зависимость амплитуды отраженной волны
от угла падения определяется не только угловой зависимостью непосредственно
коэффициента отражения, но также еще целым рядом факторов, зависящих от этого
угла: характеристиками направленности источника-приемника, характеристиками
группирования, потерями на геометрическое расхождение и неупругое поглощение,
эффектами тюнинга (интерференцией на границах тонких слоев) и т.д.
В предположении идеально упругой среды с плоскими границами раздела,
сейсмическая трасса для однократно отраженных волн, зарегистрированных
на времени t, на расстоянии x от источника, может быть выражена следующим
образом:
(t, τ, βn)] *
Sn (t, xn) = Rn (t, θn) * [Sou (t) * Dsou
n
(1)
(t,
τ,
α
)]
*
f
(t,
τ,
x)
×
Fn(r) + Nr ,
* [Recn (t) * Drec
n
n
n
где t – время, n – номер сейсмического приемника, xn – расстояние
между источником и n-м приемником, θn – угол отражения, βn – угол
выхода, αn – угол подхода, τ – временной параметр, Sou (t) – сигнатура
^
(t, τ, βn) = ∫ D sou
(t, ω, βn) exp (–jωτ) dω – функция
зондирующего импульса, Dsou
n
n
направленности источника возбуждения колебаний, Recn (t) – функция n-го
11
приемника (амплитудно-частотная характеристика приемного устройства),
^
(t, τ, αn) = ∫ D rec
(t, ω, αn) exp (–jωτ) dω – функция направленности n-го
Drec
n
n
^
приемника, fn (t, τ, x) = ∫ f n (t, ω, x) exp (–jωτ) dω – функция, характеризующая
частотно-зависимые изменения зондирующего импульса при распространении
в среде, а именно неупругое поглощение и рассеяние сейсмической энергии
на неоднородностях, для n-го приемника, Fn(rn) – функция, определяющая
частотно-независимые потери при распространении волны на расстояние
для n-го приемника, в том числе за сферическое расхождение фронта (1/r для
амплитуды), и потери на преломление для n-го приемника, Nr – случайный шум.
Обработка данных, предназначенных для динамического анализа, должна
быть направлена на сохранение истинного соотношения амплитуд отраженных
волн для каждого удаления и максимального приближения наблюденных
зависимостей амплитуд от угла падения к зависимостям коэффициента отражения
от угла – R (t, θ).
Автором показано, что для успешного проведения кинематического и
динамического
анализа
данных
многоканальных
сейсмоакустических
наблюдений на акваториях для изучения верхней части геологического
разреза необходимо выполнение следующих условий.
1. Длина годографа должна быть достаточной для определения
эффективных скоростей при требуемой глубинности исследований.
2. Шаг между приемными устройствами и пунктами возбуждения должен
быть выбран так, чтобы избегать пространственного алясинга.
3. Точность определения геометрии наблюдений должна быть не хуже
1/8 преобладающей длины волны.
4. Исследуемые отражающие границы должны находиться в дальней зоне,
т.е. «на расстоянии, превышающем несколько преобладающих длин волн от
источника» [Aki and Richards, 1980].
5. Диапазон углов падения-отражения должен удовлетворять требованиям
AVA-анализа для слабоконсолидированных осадков.
6. Форма зондирующего сигнала должна быть известна.
7. Условия возбуждения и приема должны быть идентичны или должна
иметься возможность привести их к таковым.
8. Диаграммы направленности излучающей и приемной систем должны быть
близки к сферическим или известны и стабильны.
9. Отношение сигнал/шум должно быть достаточно высоким для решения
12
обратной динамической задачи.
Первые три условия подробно рассмотрены в работе [Missiaen, 2005].
Четвертое условие связано с тем, что применяемое в методах динамического
анализа понятие коэффициента отражения строго определено только для плоской
волны, отраженной от плоской границы.
Обоснование и практическое воплощение технологии, удовлетворяющей
требованиям 5–9, являются содержанием следующих глав диссертационной
работы.
Глава 2. Разработка аппаратно-программного комплекса для
многоканальной регистрации сейсмоакустических данных
В данной главе представлены основные результаты работы по созданию
аппаратно-программного комплекса, используемого для работ с заглубленной
приемно-излучающей системой на мелководье.
Для решения инженерно-геологических задач на акваториях до настоящего
времени в основном используется методика одноканального непрерывного
сейсмического профилирования (НСП). В сложившихся обстоятельствах для
реализации предлагаемой технологии заглубленной буксировки прежде всего
потребовалось создать многоканальную приемно-регистрирующую систему,
состыковать ее с существующими источниками упругих волн, разработать
программное обеспечение сбора и контроля качества сейсмоакустических
данных. Программа исследований по разработке аппаратно-программных
средств была создана автором совместно с Н.А. Кузубом в рамках выполнения
НИОКР «Создание макета приемного аппаратно-программного комплекса для
дистанционного определения устойчивости и прочностных свойств придонных
осадков», в результате выполнения которой получен патент на практическую
модель сейсмоакустического комплекса «Нильма» [Патент № 53458, 2006].
Основными
конструктивными
и
функциональными
чертами
разработанного аппаратно-программного комплекса, представленного на
рисунке 1 являются:
• малые габариты и вес, поэтому комплекс может быть установлен
на маломерных морских и речных судах или катерах;
• мобильность – комплекс может быть смонтирован и подготовлен
к работе за 20–30 мин.;
• возможность работы в сложных условиях вибрации и качки в широком
диапазоне температур окружающего воздуха от 0 °С до ±40 °С;
13
Рис. 1. Схема сейсмоакустического комплекса «Нильма»
• возможность параллельной работы нескольких комплектов приемноизлучающих систем под общим управлением.
В период с 2003 года по настоящее время разработанный аппаратнопрограммный сейсмоакустический комплекс и его модификации многократно
использовались автором и его коллегами при проведении опытно-методических
и производственных работ как с приповерхностными, так и с заглубленными
системами.
Глава
3.
Разработка
методики
полевых
многоканальных
сейсмоакустических наблюдений
Третья
глава
посвящена
рассмотрению
методики
полевых
сейсмоакустических исследований на мелководье с приповерхностной и
заглубленной системами, контролю качества данных, полученных на тестовом
полигоне, сравнению результатов и оценке эффективности применения
14
технологии работ с заглубленной приемно-излучающей установкой для решения
задач кинематического и динамического анализа данных.
Для определения основных параметров методики полевых исследований
в качестве типичной задачи рассматривалось изучение геологического
строения и упругих свойств морских осадков до глубин 30–50 м с
разрешением 0,2–0,5 м в рамках опытно-методических работ в Кандалакшском
заливе Белого моря, проведенных автором в 2011–2015 гг.
Автором показано, что для оценки соответствия сейсмоакустических данных
требованиям кинематического и динамического анализов важны следующие
методические аспекты сейсмических наблюдений
• конфигурация приемно-излучающей системы;
• стабильность и форма зондирующего сигнала;
• диаграмма направленности излучающей и приемной системы;
• идентичность и стабильность приемных каналов;
• типы помех и отношение сигнал/шум.
Первый параграф главы 3 посвящен рассмотрению методики
сейсмоакустических наблюдений с приповерхностными системами и анализу
результатов наблюдений на тестовом профиле. Проведенные исследования
позволили автору сделать следующие выводы:
• cтандартные средства привязки позволяют определять плановую
геометрию расстановки с достаточной точностью;
• форма зондирующего сигнала в общем случае не может быть определена в
процессе наблюдений;
• условия возбуждения и приема неидентичны от выстрела к выстрелу в
широкой полосе частот;
• влияние свободной поверхности и необходимость применения
многоэлектродных
излучателей
приводит
к
тому,
что
диаграмма
направленности приемной и излучающей системы существенно отличается
от сферической.
Основным выводом является утверждение, что данные сейсмоакустических
наблюдений с приповерхностной расстановкой удовлетворяют требованиям
кинематического анализа, но не обладают достаточным качеством данных для
количественной интерпретации динамических характеристик волнового поля.
Во
втором
параграфе
главы
3
рассматривается
методика
сейсмоакустических наблюдений с заглубленными системами на мелководных
15
акваториях. Разработанная автором принципиальная схема наблюдений с
заглубленной установкой представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Cхема сейсмоакустических наблюдений с заглубленной установкой
Для решения инженерно-геологических задач, расстановка, состоящая из
излучателя и пьезокосы, с помощью обтекаемого груза погружается на глубину,
превышающую заданную глубинность в 20–100 м. Волновая картина, получаемая
при работах с данной методикой, существенно отличается от стандартной
(рис. 3). Однократные отражения, являющиеся основным носителем
Рис. 3. Пример результатов сейсмоакустических наблюдений с заглубленной
расстановкой (А – спектр сигнала, Б – сигнал, В – сейсмограмма равных удалений и Г – схема типов от-
раженных волн, где Т1 – прямая волна, Т2 – отражение от дна, Т3 – отражение от поверхности воды, Т4 – волнаспутник в источнике и Т5 – волна-спутник в приемнике)
16
интересующей информации о свойствах придонных осадков, оказываются хорошо
отделенными по времени от волн-спутников и не подверженными влиянию
поверхности воды.
Самым большим достоинством технологии с заглубленной многоканальной
расстановкой является стабильность зондирующего импульса, его независимость
от состояния поверхности моря. Стоит отметить, что заглубление системы
не оказывает непосредственного влияния на условия приема, так как
чувствительность гидрофонов практически не меняется с изменением глубин.
Кроме того, регистрация неискаженной прямой волны позволяет проводить
контроль идентичности параметров приемных каналов. Таким образом,
амплитуды сейсмической записи, полученной с помощью описанной выше
методики, могут быть приведены к уровню, соответствующему идентичным
условиям приема и излучения в рамках заданной точности, определяемой
отношением сигнала к помехе.
Рассмотрение методических аспектов полевых сейсмоакустических
наблюдений с заглубленной системой на примере данных ОМР в
Кандалакшском заливе Белого моря в 2011–2015 гг. позволило автору сделать
следующие выводы:
• для определения геометрии расстановки с заданной точностью
необходимо либо применять дорогостоящие средства подводной привязки,
либо проводить дополнительные расчеты по временам прихода волн
различных типов;
• заглубление расстановки обеспечивает больший диапазон углов
отражения и более высокую пространственную разрешающую способность
за счет приближения к отражающим границам;
• форма зондирующего сигнала может быть определена в процессе
наблюдений по прямой волне;
• условия приема и возбуждения мало меняются от выстрела к выстрелу;
• использование излучателей малого размера (одноэлектродного спаркера)
и одиночных гидрофонов позволяет получить сферическую диаграмму
направленности системы.
Анализ результатов наблюдений на тестовом профиле с различными
методиками показал следующее:
• для приповерхностной системы c центральной частотой излучения
700 Гц отношение сигнал/шум на дне не превысило 10, стандартное отклонение
17
разброса амплитуд зондирующего импульса составило ≈ 40 %, максимальный
угол отражения от дна 25°;
• для расстановки, заглубленной на 30 метров, с близкой центральной
частотой показано, что отношение сигнал/шум на дне меняется от 30 до 40,
разброс амплитуд зондирующего импульса составляет около 3 %, а максимальный
угол отражения от дна 35°;
Главным выводом автора является утверждение, что данные
сейсмоакустических наблюдений с заглубленной системой, по сравнению
со стандартной приповерхностной расстановкой, обладают более высоким
качеством, достаточным для количественного анализа динамических характеристик
однократно отраженных волн в диапазоне времен до прихода волн-спутников.
Глава 4. Разработка графа обработки данных многоканальных
сейсмоакустических наблюдений с заглубленными системами
В главе рассматриваются специфические особенности и возможности
графа обработки сейсмоакустических данных на мелководных акваториях
с
заглубленными
системами,
а
также
практическое
применение
описанного графа обработки для реальных сейсмоакустических измерений в
Кандалакшском заливе Белого Моря.
В главе 3 автором было показано, что результаты наблюдений с
заглубленными системами имеют преимущества перед приповерхностными
системами для изучения верхней части геологического разрез, в связи с тем,
что при их применении в целевом интервале используются однократные
отражения, не осложненные интерференцией с отражениями от поверхности
воды. В рассматриваемой технологии при размерах источника и приемной
группы меньше длины волны верхней границы рабочего диапазона
частот, (например, меньше 30 см для 5 KHz ) , диаграмму направленности можно
считать сферической и привести выражение (1) первой главы диссертационной
работы для сейсмической трассы к виду:
(2)
Sn (t, xn) = Rn (t, θn) * [Sou (t)] * [Recn (t)] * fn (t, τ, xn) × Fn(r) + Nr
В этом случае задачи подготовки данных к динамическому анализу сводятся
к подавлению помех Nr, построению глубинно-скоростной модели среды для
учета частотно-независимых потерь Fn(rn) и оценки поглощения для компенсации
fn (t, τ, xn), определению идентичности приемных каналов Recn (t) и стабильности
излучения Sou (t) с последующим построением корректирующего фильтра для
приведения условий возбуждения и приема к идентичным.
18
Для обработки результатов многоканальных наблюдений на акваториях
под руководством и при непосредственном участии автора была разработана
система RadExPro – полнофункциональная система обработки сейсмоакустических
данных [Свидетельство № 2006612028], [Токарев, 1997, Гофман П.А. и др. 2002].
Несмотря на разнообразие средств, предоставляемых указанной системой, для
данных, полученных с заглубленной установкой, на некоторых этапах обработки
потребовалась модификация существующих и, в некоторых случаях, разработка
дополнительных алгоритмов. Среди них следует отметить следующие процедуры,
которые были разработаны и усовершенствованы при участии автора:
• восстановление глубин буксировки и пространственного положения
элементов приемно-излучающей системы по временам прихода прямой волны,
отражений от морского дна и волн-спутников;
• приведение источника и приемника на один уровень наблюдений
(посредством ввода статических поправок);
• оценка условий приема и возбуждения по сигнатуре зондирующего импульса
(по сигналу прямой волны) и соответствующая коррекция амплитуд;
• удаление случайных высокоамплитудных помех, характерных для данных,
полученных в условиях глубинной буксировки;
• деконволюция с использованием сигнатуры прямой волны для каждой
трассы;
• моделирование и адаптивное вычитание волн-спутников;
В целом последовательность процедур обработки при наблюдениях с
многоканальной заглубленной сейсмоакустической системой та же, что и для
данных, полученных при помощи других модификаций МОВ ОГТ [Хаттон, 1989].
В главе приведено описание указанных разработанных процедур и
продемонстрирована последовательность обработки данных многоканальных
сейсмоакустических наблюдений с заглубленной системой для определения
структуры и свойств осадков.
Глава 5. Примеры применения технологии исследований с
заглубленными системами
В
главе
приводятся
примеры
количественной
интерпретации
результатов учебно-научных и производственных сейсмоакустических
исследований, проведенных с заглубленной системой для решения ряда
типовых задач инженерно-геологических изысканий на акваториях.
В первом параграфе главы 5 приводится пример типизации и
19
картирования донных осадков. Значения плотностей, скоростей продольных и
поперечных волн, полученные по результатам инверсионного преобразования
коэффициента отражения от дна (рис. 4), позволили идентифицировать
осадки на тестовом профиле.
Рис. 4. Иллюстрация результатов количественной оценки упругих свойств донных
грунтов посредством AVA-инверсии.
(А) – суммированный разрез по сейсмоакустическому профилю, полученному
с заглубленной системой; (Б) – рассчитанная плотность ρ донных отложений;
(В) – рассчитанная скорость проодольных волн Vр; (Г) – скорость поперечных волн Vs
Во втором параграфе главы 5 приведен пример определения упругих
свойств газонасыщенных осадков. Для решения задач количественной
интерпретации на полигоне в проливе Великая Салма в 2014 году было проведено
сейсмоакустическое 2D-профилирование по разработанной методике с заглубленной
приемно-излучающей системой и применен послойный AVA-анализ. Полученные
значения упругих параметров для различных типов осадков (рис. 5), включая
газонасыщенные, соответствуют опубликованным литературным данным.
20
Рис. 5. Модель упругих свойств, полученная по результатам AVA-инверсии
для сеймоакустического профиля вблизи мыса Киндо Кандалакшского залива
Белого моря.
Типы осадков:
1. Vp: 600÷700 м/с, ρ = 1100 кг/м3,
Vs: 0÷200 м/с;
2. Vp: 1400÷1450 м/с, ρ: 1150÷1200 кг/м3, Vs: 0÷200 м/с;
3
3. Vp: 1430÷1470 м/с, ρ: 1350÷1400 кг/м , Vs: 0÷200 м/с;
4. Vp: 1500÷1550 м/с, ρ: 1440÷1500 кг/м3, Vs: 0÷200 м/с;
5. Vp: 1980÷2200 м/с, ρ: 1400÷1550 кг/м3, Vs: 150÷350 м/с.
В третьем параграфе главы 5 приведен пример решения задачи
сейсмического микрорайонирования на шельфе Японского моря в процессе
инженерных изысканий на площадке под строительство комплекса морских
сооружений завода СПГ недалеко от г. Владивостока в 2014 году. На этом участке
были проведены сейсмоакустические наблюдения с приповерхностной и
заглубленной системами. По результатам AVA-моделирования были оценены
скорости поперечных волн в рыхлых и коренных отложениях на глубину
30 м, которые позволили рассчитать приращенную сейсмическую балльность
на изучаемой территории, необходимую для решения поставленной задачи.
В четвертом параграфе главы 5 приводится пример наблюдений
c комбинированной (двухуровневой) приемно-излучающей системой для
выделения зон газонасыщенных и мерзлых грунтов на Арктическом шельфе.
Проведение исследований в различных частотных диапазонах с попеременным
возбуждением (flip-flop) сигналов низкочастотным источником у поверхности
и высокочастотным на глубине с одновременным приемом на заглубленную
и приповерхностную сейсмические косы позволило совместить достоинства
обеих методик. По результатам выполненных работ удалось провести инверсию
и выполнить количественную оценку упругих свойств газонасыщенных (рис. 6) и
мерзлых грунтов (рис. 7).
Представленная технология сейсмических исследований в трех диапазонах,
с центральными частотами 200 Гц, 700 Гц и 8 кГц. позволила достичь
оптимальных параметров съемки по глубинности и вертикальной разрешающей
способности за один проход судна. Применение методики сейсмических работ
21
А
Б
Рис. 6. Временной разрез (А) и результат акустической инверсии (Б) на объекте
«газонасыщенные грунты»
А
Б
Рис. 7. Временной разрез (А) и результат акустической инверсии (Б) на объекте
«мерзлые грунты»
с комбинированной, приповерхностной и заглубленной приемно-излучающей
установкой позволило впервые применить методы динамического анализа и
инверсии для сейсмоакустических данных в характерных для Арктического
региона сейсмогеологических и гидрометеорологических условиях.
22
Заключение
Основные результаты работы можно свести к следующим положениям.
1. В результате проведенных автором разработок спроектированы
и
созданы
аппаратно-программные
комплексы
для
многоканальных
сейсмоакустических исследований на мелководных акваториях в частотном
диапазоне 50–5000 Гц, обеспечивающие возможность проведения работ как со
стандартных НИС, так и с малотоннажных плавательных средств.
2. Разработана методика полевых многоканальных сейсмоакустических
наблюдений с заглубленной расстановкой, удовлетворяющая требованиям
к качеству данных, неоходимых для проведения кинематического и
динамического анализов с целью изучения строения и свойств придонных
осадков.
3. Создана система обработки сейсмоакустических данных и предложены
специальные процедуры восстановления «истинных амплитуд» для выполнения
кинематического анализа и динамического анализа результатов наблюдений с
заглубленной расстановкой.
4. Предложена и апробирована технология количественных оценок
упругих свойств осадков и на конкретных примерах показаны возможности
сейсмоакустических исследований с заглубленными системами для решения
ряда инженерно-геологических задач, таких как типизация морских осадков,
сейсмическое микрорайонирование, выявление зон газонасыщенных и мерзлых
грунтов и иных опасных геологических процессов и явлений.
Разработанная автором технология многоканальных сейсмоакустических
исследований с заглубленными системами, обеспечивающая переход от качественной
к количественной интерпретации, имеет существенное значение для развития
теории, методики и практики морских геолого-геофизических исследований и
значительный прикладной потенциал в долгосрочной перспективе.
23
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В журналах ВАК
1. Гайнанов В.Г., Кузуб Н.А., Токарев М.Ю., Клещин С.М. Опыт
сейсмоакустического профилирования с многократным перекрытием: возможности и
ограничения // Разведка и охрана недр. 2006в. № 12. С. 21–24.
2. Гайнанов В.Г., Токарев М.Ю., Зверев А.С., Росляков А.Г. Многоканальное
сейсмоакустическое профилирование на разных частотных диапазонах – реальные
возможности // Разведка и охрана недр. 2008а. № 1. С. 35–38.
3. Гайнанов В.Г., Токарев М.Ю. Возможности и ограничения многоканального
сейсмоакустического профилирования в инженерных целях: теория и практика //
Вестник МГУ. Серия Геология. № 4. 2008. С. 53–62.
4. Гофман П.А., Кульницкий Л.М., Певзнер Р.Л., Токарев М.Ю. Обработка
морских сейсмических данных средствами системы RADEXPRO PLUS // Разведка и
охрана недр. 2002. № 1. С. 49–53.
5. Калинин А.В., Казанин А.Г., Шалаева Н.В., Токарев М.Ю. Интенсивность
головных волн при малоглубинных сейсмических исследованиях на мелководном
шельфе арктических морей // Геофизика. 2000. № 3. С. 21–25.
6. Калинин А.В., Казанин А.Г., Токарев М.Ю., Шалаева Н.В. Интенсивность
обменных волн в сейсмогеологических условиях шельфа арктических морей // Вестник
МГУ, сер. 4. Геология. 2001. № 5. С. 67–72.
7. Калинин В.В., Кульницкий Л.М., Токарев М.Ю. Линейная одномерная
корректирующая фильтрация для повышения разрешающей способности сейсмических
данных // Вестник МГУ, сер.4. Геология. 1992. № 3. С. 67–73.
8. Токарев М.Ю., Пирогова А.С. Определение упругих свойств газонасыщенных
осадков по данным сверхвысокоразрешающих сейсмоакустических наблюдений с
заглубленной системой. Кандалакшский залив, Белое море // Технологии сейсморазведки.
2015. № 3. С. 66–74.
9. Шматков
А.А.,
М.Ю.
Токарев.
Новая
методика
трёхмерных
сейсмоакустических наблюдений на мелководных акваториях // Экспозиция Нефть
Газ. 2014. №6. С. 39–42.
10.Шматков А.А., Гайнанов В.Г., Токарев М.Ю. Обзор технологий трехмерных
сейсмоакустических исследований на акваториях // Технологии сейсморазведки. 2015.
№ 2. С. 86–97.
Патенты и свидетельства
11.Приемно-излучающее регистрирующее устройство для дистанционного
определения механических свойств донных и поддонных осадков (варианты): пат.
53458 Рос. Федерация. № 2005136775/22; заявл. 28.11.2005; опубл. 10.05.2006.
12. Система обработки сейсмических и георадиолокационных данных RadExPro
Plus: свид. 2006612028/ Буряк С.В., Певзнер Р.Л., Полубояринов М.А., Гофман П.А.,
Токарев М.Ю.// зарег. 14.06.2006.
24
13.Способ сейсмических исследований на акваториях и устройство для его
осуществления: пат. 2592739 Рос. Федерация. № 2015114121/28; заявл. 17.04.2015;
опубл. 27.01.2016. Бюл. №21.
В прочих изданиях
14.Гайнанов В.Г., Кузуб Н.А., Токарев М.Ю. Многоканальное сейсмоакустическое
профилирование в инженерных целях – больше возможностей, больше информации //
Тезисы третьей Международной научно-практической конференции «Инженерная и
рудная геофизика-2007». Геленджик. 2007.
15.Гайнанов В.Г., Кузуб Н.А., Токарев М.Ю. Особенности обработки данных
многоканального сейсмоакустического профилирования на акваториях // Сб. тр. кафедры
общей и прикладной геофизики Университета «Дубна». Москва. РАЕН. 2007а. С. 42–54.
16.Гайнанов В.Г., Токарев М.Ю., Зверев А.С., Росляков А.Г. Технология
сейсмоакустических исследований на акваториях – от двухчастотного профилирования
к многоканальным системам // Расширенные тезисы Международной конференции
«Санкт-Петербург-2008». Санкт-Петербург. 2008б.
17.Кульницкий Л.М., Гофман П.А.,Токарев М.Ю. Математическая обработка
данных георадиолокации в системе RADEXPRO // Разведка и охрана недр. 2001. №3.
С. 6–11.
18.Kalmykov D., Tokarev M. Datuming of Multi-channel Deep-tow & Accoustic Data
in the Shallow Water Conditions // 3rd EAGE St.Petersburg International Conference and
Exhibition on Geosciences. Geosciences: From New Ideas to New Discoveries. 2008.
19.Tokarev M., Kuzub N., Pevzner R. Deep-towed high-resolution seismic system for
investigation of the uppermost subbotom sediments at shallow waters // EAGE Near Surface.
2006.
20.Tokarev M., Kuzub N., Pevzner R., Kalmykov D., Bouriak S. High resolution
2D deep-towed seismic system for shallow water investigation // First break. 2008. Vol. 26.
21.Ben-Avraham Z., Tibor G., Limonov A.F., Leybov M.B., Ivanov M.K., Tokarev
M.Yu, Woodside J.M. Structure and tectonics of the eastern Cyprean Arc // Marine and
Petroleum Geology. Elsevier BV (Netherlands). 1995. Vol. 12. No 3. Pp. 263–271.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа