CC BY
15
УДК 550.834
DOI: 10.183 03/2618-981X-2018-4-17-25
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ГОРИЗОНТОВ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ НА ЮЖНОМ УЧАСТКЕ ПРОФИЛЯ 3-ДВ
Павел Олегович Полянский
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптю-га, 3, научный сотрудник, тел. (913)894-51-39, e-mail: PPavel6.10@gmail.com
Александр Федорович Еманов
Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптю-га, 3, доктор технических наук, директор, тел. (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Александр Сергеевич Сальников
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 67, доктор геолого-минералогических наук, зав. отделом, тел. (383)222-62-13, e-mail: assalnikov@mail.ru
Произведена цифровая обработка данных головных волн, зарегистрированных на Южном участке опорного геофизического профиля 3-ДВ по системе наблюдения сверхглубинного МОВ-ОГТ. Метод динамического пересчета позволил получить временные разрезы по верхней части земной коры для разных тектонических структур исследуемого региона, а также выявить спектральные особенности преломленных волн на различных интервалах Южного участка опорного профиля 3-ДВ.
Получен сейсмический разрез для диапазона глубин 0-2 км и оценены коэффициенты рефракции, соответствующие преломляющим границам в верхней части земной коры. Установлено, что преломляющие горизонты в пределах Чульманской угленосной впадины относятся к границам 1 -го рода, в то время как границы, выявленные в других областях Алданского щита, а также в Становой складчатой области, относятся к преломляющим границам 2-го рода.
Ключевые слова: цифровая обработка сейсмических данных, опорный геофизический профиль 3-ДВ, головные волны, временной разрез, эффект рефракции.
RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF UPPER CRUST'S REFRACTION HORIZONS ON THE SOUTHERN PART OF TRAVERSE 3-DV
Pavel O. Polyansky
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect
Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (913)894-51-39, e-mail: PPavel6.10@gmail.com
Alexander F. Emanov
Altai-Sayan Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Director, phone: (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Alexandr S. Salnikov
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources, 67, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Head of Department, phone: (383)222-62-13, e-mail: assalnikov@mail.ru
Digital processing of head waves data, which are registered on Southern part of reference geophysical profile 3-DV, is executed. These data are registered on CDP source-receiver configuration. Spectral features of head waves which are correspond to upper Earth's crust and time sections images for different tectonic structures are result from technique of head waves dynamic conversion.
Seismic section of depth interval of 0-2 km is constructed. Refraction coefficients, which are corresponding to refraction boundaries on the upper part of the Earth crust, are estimated. It has been established that refracting boundaries on Chulmanskaya coal deep are boundaries of first genus and refracting boundaries on areas of Aldanian shield and Stanovaya fold area are boundaries of second genus.
Key words: digital processing of seismic data, reference geophysical traverse 3-DV, head waves, time section, curved-path refraction.
Введение
Важнейшей составляющей комплекса геофизических исследований на опорных профилях является сейсморазведка. Сейсмические методы ГСЗ, МОВ-ОГТ, КМПВ, основанные на регистрации волн разного типа, дополняют друг друга при изучении разных интервалов глубин в земной коре и верхней части мантии.
Южный участок опорного геофизического профиля 3-ДВ расположен в области сочленения Становой складчатой области и Алданского щита Сибирской платформы, а также пересекает южную часть Среднеленской моноклизы [5]. Весьма интересной тектонической структурой, пересекаемой профилем, является Чульманская впадина, сложенная континентальными угленосными толщами юрского и нижнемелового возраста.
На Южном участке профиля 3-ДВ ранее была проведена обработка и интерпретация как данных отраженных волн, зарегистрированных по системе наблюдения МОВ-ОГТ [10], так и данных преломленных волн, зарегистрированных по системе КМПВ [8], с построением моделей строения и развития структур земной коры. В то же время детальная система наблюдений, используемая в рамках МОВ-ОГТ, позволяет извлечь дополнительную информацию о преломляющих границах в верхней части земной коры. Исследование, результаты которого описаны в данной статье, посвящено автоматической селекции волновых полей головных волн по системам наблюдений МОВ-ОГТ, реализованным на Южном участке профиля 3-ДВ. Представляемая работа является продолжением исследований верхней части земной коры на Северо-Восточном, СевероЗападном и Центральном участках профиля 3-ДВ с использованием динамического пересчета головных волн [1, 2, 6]. Отмеченные публикации - первое масштабное по объемам применение метода, алгоритмы которого разработаны в статьях [3, 4].
Волновые поля преломленных волн на южном участке профиля 3-ДВ
Рассмотрим типичные примеры волновых полей, зарегистрированных в разных тектонических блоках, пересекаемых Южным участком профиля 3-ДВ. На рис. 1, а показано волновое поле, зарегистрированное в пределах Становой складчатой области (точнее - на интервале профиля 40-50 км), на рис. 1, б - волновое поле, зарегистрированное в пределах Чульманской впадины (интервал профиля 330-340 км). Волновое поле, зафиксированное в области Алданского щита, севернее Чульманской впадины представлено на рис. 1, в (интервал профиля 480-490 км). Для того чтобы более ясно представлять волновую картину, сейсмограммы на рис. 1 приведены в редуцированном масштабе времени (скорость редукции составляет 5,5 км/с). Цветными линиями на этом рисунке показаны оси синфазности различных продольных волн, а цифры соответствуют значениям кажущихся скоростей волн.
Общей чертой для сейсмограмм, зарегистрированных в Становой складчатой области и в пределах Алданского щита, является наличие двух сменяющих друг друга в первых вступлениях волн: «синяя» преломленная волна соответствует геологической границе в верхней части земной коры, «зеленая» волна распространяется в слое, залегающем над преломляющей границей, формирующей «синюю» волну. Волновое поле, зарегистрированное в зоне Чульманской впадины, заметно отличается от полей, зарегистрированных в других областях, пересекаемых Южным участком. На сейсмограмме в первых вступлениях поочередно прослеживаются не две, а три продольные волны.
а)
б)
в)
Рис. 1. Примеры сейсмограмм, зарегистрированных в разных частях
Южного участка профиля 3-ДВ:
а) в пределах Становой складчатой области; б) в пределах Чульманской впадины; в) в пределах Алданского щита (цветными линиями показаны области прослеживания продольных преломленных волн)
Вычисление коэффициентов рефракции в верхней части земной коры
Применение алгоритмов динамического пересчета позволяет выделять из зарегистрированного волнового поля когерентную по пространству составляющую, иными словами - волны с параллельными нагоняющими годографами (головные волны). В случае наличия эффекта проницания вместо головных волн на сейсмограммах наблюдаются преломленно-рефрагированные волны, а параллельность нагоняющих годографов нарушается. Влияние рефракции на алгоритмы динамического пересчета эквивалентно низкочастотной фильтрации [7]. Вместе с этим наличие или отсутствие эффекта проницания оказывает существенное влияние на природу образования преломленных волн, отображаемых на получаемых временных разрезах.
На рис. 2 двумя черными сплошными линиями ограничен частотный спектр зарегистрированного на Южном участке профиля 3-ДВ волнового поля, а двумя красными пунктирными линиями ограничен частотный спектр когерентной составляющей волнового поля - сигналов преломленных волн, выделенных в результате цифровой обработки методом динамического пересчета.
впадина
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Расстояние по профилю, км
——■ "Верхняя" и "нижняя" границы спектра зарегистрированного волнового поля ------Верхняя" и "нижняя" границы спектра когерентной составляющей волнового поля
-4► Частотный спектр зарегистрированного волнового поля ......► Частотный спектр когерентной составляющей волнового поля
Рис. 2. Черные линии - «верхняя» и «нижняя» границы спектра волнового поля, зарегистрированного на разных интервалах Южного участка профиля 3-ДВ. Красные линии - «верхнее» и «нижнее» значения частот сигналов преломленных волн, выделенных методом динамического пересчета
Большой интерес представляет отрезок профиля, пересекающий Чульман-скую впадину. На интервале длиной 130 км (310-440 км) наблюдается одинаковая ширина спектра как исходных трасс, так и трасс, полученных в результате динамического пересчета: в спектре присутствуют частоты 12-35 Гц. В остальных структурах, пересекаемых Южным участком профиля, спектр зарегистри-
рованных сейсмических трасс, как правило, шире спектра трасс, полученных с помощью динамического пересчета. Например, в большей части Становой области (отрезки профиля 50-150 км и 210-300 км) частотный диапазон зарегистрированных трасс составляет 12 - (35^45) Гц, а частотный диапазон когерентной составляющей волнового поля - 12 - (30^35) Гц. Для того чтобы определить, связаны ли различия в частотном составе исходных данных и результатов динамического пересчета с эффектом рефракции, рассмотрим графики разности нагоняющих и нагоняемых годографов, показанные на рис. 3. Расстояние между анализируемыми парами нагоняемого и нагоняющего годографов составило 1 000 м.
0.-8 0.16 0.15
Разность годографов в "прямом" направлении - Разность годографов во "встречном" направлении
а) б) в)
Рис. 3. Графики разности нагоняющих годографов:
а) в пределах Становой складчатой области; б) в пределах Чульманской впадины; в) в пределах Алданского щита; по оси абсцисс - расстояние источник-сейсмо-приемник, км; по оси ординат - время, с
Значения функции разности, график которой показан на рис. 3, а, равномерно убывают с увеличением расстояния источник-сейсмоприемник, от 0,175 до 0,155 с, а значения функции разности, отображаемые на рис. 3, в монотонно убывают от 0,135 до 0,105 с. Поэтому имеют место быть эффект проницания преломленной волны в нижележащий слой в этих геологических структурах и, соответственно, градиент скорости. В случае субгоризонтальной преломляющей границы, залегающей на глубине Н, и наличия вертикального градиента скорости предположим, что скорость изменяется с глубиной 2 по закону:
У(?) = у08 (1 + у(2 - И)) , (1)
где у - коэффициент рефракции. В [9] показано, что коэффициент рефракции может быть оценен следующим образом:
У = 2 ^2 • Ь • Кср/(Ь • (Х1 + Х2 - Ь - 2 • Хн), (2)
где V - средняя скорость в покрывающей толще, Ь - средний наклон линейно-ср
го тренда графика разности нагоняющих годографов в пределах изучаемого
участка, Ь - расстояние между пунктами взрыва, от которых получены анализируемые годографы, х и хг - координаты концов изучаемого участка разности времен относительно «дальнего» пункта взрыва. Хн - координата начальной
точки годографа преломленной волны. Оценим средние величины коэффициента рефракции, характерного для горных пород верхней части земной коры Становой складчатой области и Алданского щита.
Для системы нагоняющих годографов, соответствующих волновому полю, зарегистрированному в интервал профиля 80-90 км (Становая складчатая область), Ь = 0,003 3 с/км, V = 4,3 км/с, Хн ~ 2,8 км (оценен с использованием
значений глубины и скоростей, показанных на сейсмическом разрезе на рис. 4, б). Коэффициент рефракции у = 0,15 км-1.
Для системы нагоняющих годографов, соответствующих волновому полю, зарегистрированному в интервале профиля 500-510 км (Алданский щит, Ь = 0,007 4 с/км, V = 4,7 км/с, Хн ~ 3,5 км), коэффициент рефракции составляет
0,23 км-1.
Отметим, что полученные значения коэффициентов рефракции соответствуют очень сильному вертикальному градиенту скорости, который не может иметь место на большом интервале глубин. Вероятно, присутствует тонкий слой, на котором фиксируется столь сильная рефракция, а коэффициент рефракции претерпевает скачкообразное понижение - как в выше-, так и в нижележащих толщах пород. Таким образом, можем считать, что в рассмотренных интервалах профиля в пределах Становой складчатой области и Алданского щита преломляющие границы являются границами 2-го рода.
Заметно иной характер графиков разности нагоняющих и нагоняемых годографов наблюдается в зоне Чульманской угленосной впадины. Как в «прямом», так и во «встречном» направлениях значения разности изменяются по ла-терали в диапазоне 0,142-0,146 с., монотонного убывания значений разности с увеличением расстояния от источника не наблюдается. Таким образом, можно констатировать, что эффект рефракции, по-видимому, незначителен или вовсе не свойственен для преломляющих границ в верхней части земной коры в пределах Чульманской впадины. Поэтому преломляющие границы являются границами 1-го рода, характеризующиеся только скачком скорости волн.
На рис. 4, а показан фрагмент временного разреза по Южному участку профиля, пересекающий юг Алданского щита и часть Чульманской впадины. Отметим, что на интервале 290-300 км наблюдается смена преломленной волны первых вступлений: волна с граничной скоростью 5,5 км/с (ось синфазности показана синей линией) сменяется волной со скоростью 6 км/с, ранее прослеживаемой в последующих вступлениях (ось синфазности показана красной линией).
На рис. 4, б приведен построенный в рамках исследования сейсмический разрез верхней части земной коры по всей длине Южного участка профиля 3-ДВ, черным пунктиром выделен интервал глубин, которому соответствуют волны, выделяемые на временном разрезе (рис. 4, а).
Рис. 4. Фрагмент временного разреза (база 5 км) по Чульманской впадине (а) и сейсмический разрез верхней части земной коры по Южному участку
профиля 3-ДВ (б)
Строение верхней части земной коры в пределах пересекаемого участка Чульманской впадины отличается от строения земной коры в зоне Алданского щита и Становой складчатой области: выделяются два преломляющих горизонта на глубинах 0,2-0,5 км и 1,7-1,8 км. Граничные скорости продольных волн, преломленных на этих горизонтах, составляют 4,3-4,5 км/с и 5,9-6,1 км/с соответственно. В пределах Становой складчатой области выделен один преломляющий горизонт, расположенный на интервале глубин 0,9-1 км. Граничная скорость продольных преломленных волн варьируется по латерали в пределах 5,1-5,5 км/с. Преломляющая граница в пределах Алданского щита залегает в интервале глубин 1,2-1,35 км и характеризуется значениями граничной скорости продольных волн 5,5-5,7 км/с.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда поддержки научно-проектной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых «Национальное интеллектуальное развитие» в рамках научного проекта № 17-35-80026 «молэва».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Временные разрезы головных волн верхней части земной коры на опорном профиле 3-ДВ (Северо-восточный участок) / П. О. Полянский, А. С. Сальников, А. Ф. Еманов, В. В. Жабин // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2016. - № 2. - С. 86-95.
2. Временные разрезы головных волн верхней части земной коры на опорном профиле 3-ДВ (Северо-западный участок) / П. О. Полянский, А. С. Сальников, А. Ф. Еманов,
B. В. Жабин // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2017. - № 2. -
C.112-122.
3. Еманов А. Ф., Селезнев В. C., Коршик Н. А. Динамический пересчет головных волн при обработке данных сейсморазведки // Геология и геофизика. - 2008. - Т. 49, № 10. -С. 1031- 1045.
4. Крылов С. В., Сергеев В. Н. Свойства головных волн и новые возможности автоматизации их обработки // Геология и геофизика. - 1985. - № 4. - С. 92-102.
5. Модель формирования орогенных поясов Центральной и Северо-Восточной Азии / Л. М. Парфенов, Н. А. Берзин, А. И. Ханчук и др. // Тихоокеанская геология. - 2003. - Т. 22, № 6. - C.7-41.
6. Полянский П. О., Еманов А. Ф., Сальников А. С. Особенности методики динамического пересчета головных волн на опорном геофизическом профиле 3-ДВ // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 4. - С. 28-33.
7. Сергеев В. Н. Учет геометрического расхождения и рефракции при пересчете поля колебаний преломленных волн // Геология и геофизика. - 1988. - № 3. - С. 93-102.
8. Скоростная модель глубинного строения Чульманской впадины (Алданский щит) по данным первых вступлений / В. Д. Суворов, Е. А. Мельник, З. Р. Мишенькина, А. С. Сальников // Технологии сейсморазведки. - 2016. - № 2. - С. 109-117.
9. Старобинец А. Е., Старобинец М. Е. Цифровая обработка и интерпретация данных метода преломленных волн. - М. : Недра, 1983. - 207 с.
10. Структура и эволюция земной коры области сочленения Центрально-Азиатского пояса и Сибирской платформы: профиль Сковородино-Томмот / А. Н. Диденко, А. С. Ефимов, П. А. Нелюбов и др. // Геология и геофизика. - 2013. - Т. 54, № 10. - С. 1583-1599.
REFERENCES
1. Vremennye razrezy golovnyh voln verhnej chasti zemnoj kory na opornom profile 3-DV (Severo-vostochnyj uchastok) / P. O. Poljanskij, A. S. Sal'nikov, A. F. Emanov, V. V. Zhabin // Geologija i mineral'no-syr'evye resursy Sibiri. - 2016. - № 2. - S. 86-95.
2. Vremennye razrezy golovnyh voln verhnej chasti zemnoj kory na opornom profile 3-DV (Severo-zapadnyj uchastok) / P. O. Poljanskij, A. S. Sal'nikov, A. F. Emanov, V. V. Zhabin // Geologija i mineral'no-syr'evye resursy Sibiri. - 2017. - № 2. - S. 112-122.
3. Emanov A. F., Celeznev V. C., Kopshik N. A. Dinamicheskij pereschet golovnyh voln pri obrabotke dannyh sejsmorazvedki // Geologija i geofizika. - 2008. - T. 49, № 10. - S. 1031-1045.
4. Krylov S. V., Sergeev V. N. Svojstva golovnyh voln i novye vozmozhnosti avtomatizacii ih obrabotki // Geologija i geofizika. - 1985. - № 4. - S. 92-102.
5. Model' formirovanija orogennyh pojasov Central'noj i Severo-Vostochnoj Azii / L. M. Parfenov, N. A. Berzin, A. I. Hanchuk i dr. // Tihookeanskaja geologija. - 2003. - T. 22, № 6. - C.7-41.
6. Poljanskij P. O., Emanov A. F., Sal'nikov A. S. Osobennosti metodiki dinamicheskogo perescheta golovnyh voln na opornom geofizicheskom profile 3-DV // Materialy nauchno-prakticheskoj konferencii "Interjekspo Geo-Sibir'". - 2017. - T. 2, № 4. - S. 28-33.
7. Sergeev V. N. Uchet geometricheskogo rashozhdenija i refrakcii pri pereschete polja kolebanij prelomlennyh voln // Geologija i geofizika. - 1988. - № 3. - S. 93-102.
8. Skorostnaja model' glubinnogo stroenija Chul'manskoj vpadiny (Aldanskij shhit) po dannym pervyh vstuplenij / V. D. Suvorov, E. A. Mel'nik, Z. R. Mishen'kina, A. S. Sal'nikov // Tehnologii sejsmorazvedki. - 2016. - № 2. - S. 109-117.
9. Starobinec A. E., Starobinec M. E. Cifrovaja obrabotka i interpretacija dannyh metoda prelomlennyh voln. - M. : Nedra, 1983. - 207 s.
10. Struktura i jevoljucija zemnoj kory oblasti sochlenenija Central'no-Aziatskogo pojasa i Sibirskoj platformy: profil' Skovorodino-Tommot / A. N. Didenko, A. S. Efimov, P. A. Neljubov i dr. // Geologija i geofizika. - 2013. - T. 54, № 10. - S. 1583-1599.
© П. О. Полянский, А. Ф. Еманов, А. С. Сальников, 2018
