CC BY
13
УДК 5507347762700479
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ДИАГНОСТИКИ ЗОН ЗАТУХАНИЯ Я ЭНЕРГИИ ОТРАЖЕННЫХ ВОЛН ПО
ДАННЫМ ГЛУБИННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ
I РАЗРЕЗОВ ОГТ
Е.Ю. Гошко1, С.М. Зеркаль2
Новосибирск1- ФГУП «СНИИГГиМС»,2- ИМ СО РАН
В настоящее время происходит активное вовлечение в сейсморазведочные работы более глубоких горизонтов земной коры со сложным геологическим строением Соответственно этому усложняются алгоритмы обработки и растет ее объем. В среднем методы обработки требуют выполнения около Ю5 операций; имеется тенденция к росту годового объема информации в десятки раз за каждые пять лет [1]. Новые данные требуют дальнейшего совершенствования математических моделей изучаемых объектов. Сами модели при этом рассматриваются как средство объективного количественного описания объектов и как фактор, формирующий с количествашой и качественной стороны меру получаемой об объекте информации.
Результатами сейсморазведочных работ и обобщающими геологическими исследованиями последних лет доказана принципиальная возможность открытия промышленных углеводородных (УВ) скоплений на больших глубинах (более 4-5 км), в том числе значительных по запасам [2]. Дальжйшая задача прогноза и поисков глубокозалегающих залежей УВ зависит от степени изученности условий и факторов формирования и размещения таких объектов. В этот связи проблема выявления особенностей строения земной коры, тектонических обстановок в ее глубоких частях, влияющих на формирование залежей УВ на больших глубинах, приобретает особую актуальность.
Полученная в последнее время с помощью метода ОГТ информация о глубинном строении земной коры и верхней мантии позволяет сделать вывод о том, что оно отличается от горизонтально-слоистого и соответствует гетерогенной модели среды [3]. Гетерогенный геологический разрез формирует отраженные волны, интогсивность которых определяется отражательной и рассеивающей способностью разномасштабных нэоднородностей Обработка данных ОГТ глубинных сейсмических профилей ориаггиру-ется на получение интегральных характеристик разреза: динамических, энергетических, спектральных. Эти характеристики используются для последующего многофакторного разделения полей сейсмических атрибутов на области однородности.
В сейсмике параметры, характеризующие распространение сейсмических волн, принято разделять на динамические и кинематические. Кинематические параметры связаны с изучением фронтов, лучей, измерением времен распространения волн. К динамическим относятся параметры, характеризующие форму отраженных волн, во всем многообразии аспектов ее рассмотршия. Изучению динамических характеристик
сейсмических данных способствует в настоящее время наличие хорошо калиброванных сейсмограмм, предоставляющих данные об отражениях в истинных амплитудах. Именно это обстоятельство делает возможным волновой подход, при котором в качестве исходных данных используются: форма отраженного волнового пакета, время и знак вступления, максимальная амплитуда, спектральные и энергетические характеристики отраженной волны. Одним из ключевых способов получения информации о свойствах объектов «однородной среды является выделение и исслгдование формы отраженных волновых пакетов (сигналов) на разрезе ОГТ.
В настоящей работе предложша вычислительная технология расчета куба спектральных амплитуд сейсмических сигналов в пространстве временной и латеральной координат сейсмического профиля и частоты (t, х, f)- Технология использует алгоритм определения формы отраженного волнового пакета, прототипом которого послужил способ, реализованный в системе РЕАПАК [4]. Новым технологическим решением является вычисление локального волнового пакета произвольной формы на разрезе ОГТ в бегущем окне с размером, согласованным с масштабом выявляемых неоднородностей. Визуализация куба спектральных амплитуд в виде среза на определенной частоте f или в
интересующем интервале частот fx<f<f2 позволяет исслгдовать эффекта затухания амплитуд сейсмических сигналов. Обработка данных выполняется с использованием разработанного специализированного программного комплекса [5].
Основные факторы, определяющие динамические характеристики отраженных волн в сейсмической трассе разреза ОГТ
Рассмотрим математическую модель сейсмической трассы, основное внимание уделяя при этом учету в ней факторов, определяющих динамические характеристики отраженных волн. В спектральной области выражение для сейсмической трассы можно представить в виде произведения основных динамических факторов [6]:
Y{f) = P(f) ■ U(f) у (/) ■ Q(f) ■ R(f), где: / - частота в Гц, P(f) - спект-ральная функция, определяющая зависимость произведения коэффициентов отражения
и преломления волн на границах раздела от частоты. То есть, функция P(f) является характеристикой физических свойств среды и определяет зависимость амплитуд и
частот сейсмических волн от физико-механических свойств пород. Функция U( f ) - спектральная функция, выражающая затухание энергии отраженных волн из-за геометрического расхождения, сложным образом зависящего от распределаяия скоростей, глубины, наклона и кривизны отражающих границ, а также расстояния от источника до приемника. Функция (/)- спектральная функция поглощения высоких частот. Спектр поглощшия описывается зависимостью у (а) = где X - расстояние от источника,
а а (/)- амплитудный коэффициент поглощения, вызванного »идеальной упругостью среды и являющийся монотонно возрастающей функцией частоты. В связи с этим для
каждого фиксированного расстояния X спектральная характеристика поглощашя V (/) монотонно убывает с ростом частоты. Функция Q(f) - спектр источника возбуждения. Функция R(f) - спектральная функция регистрирующего канала. Спектр источника возбуждения Q(f) зависит от типа источника: взрывной, импульсный, вибрационный,
182
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
и имеет широкий диапазон частот и отчетливый максимум, спектр регистрирующего
канала R(f) обычно имеет ширину, большую, чем Q(f) (открытый канал).
Модель трассы, представленная в частотной области произведением динамических факторов, в процессе обработки сейсмического материала преобразуется к виду Y(f) = P(f) • U (/) v (/) • Q{f) ■ R(f) ■ F{f\ где, кроме описанных ранге сомножителей,
присутствует F(f ) - спектральная функция графа обработки.
Граф динамической обработки F(f) исходных сейсмических данных преслгдует цель получить временной разрез ОГТ с восстановлением истинных амплитуд отражений
P(f) , то есть исключить влияние геометрического расхождения U(f), экспоненциального поглощения высоких частот \\1 (/), влияние регистрирующей аппаратуры R(f)
, корректно подавить помехи, а также расширить спектр исходного импульса Q(f) с помощью минимально-фазовой или нуль-фазовой деконволюции.
Таким образом, итоговые трассы динамического разреза ОГТ с нэобходимой степенью точности описываются математической моделью плоских однократно-отраженных
по нормали к границе волн: Y{f) = Р(/) • S0(f), где 50(/) - амплитудный спектр сейсмического импульса, P(f) - спектр коэффициентов отражения в земной коре.
Сейсмическая модель глубинного строения земной коры
В настоящее время многими исследователями разделяется подход, при котором в основу обработки сверхглубинных сейсмических данных ОГТ закладывается гетерогенная сейсмическая модель земной коры [3, 7, 8]. Идея сейсмической гетерогенности состоит в том, что формирование волновых пакетов и их интенсивность определяются отражательной способностью разномасштабных нэоднородностей, а нг отдельных точечных отражателей в земной коре. Когда размеры нэоднородн ости становятся значительно меньшими, чем длина волны, можно пренебречь ими и заменить такую «однородную среду эквивалентной однородной средой. Характеристики такой эквивалентной однородной среды принято называть «эффективными».
Однако^ особые сложности возникают тогда, когда линейные размеры всей
неоднородной области L превышают длину волны I и характерный размер
L L
локальной неоднородности а . Чем больше величины ^ и Q , тем труднее рассматривать такую задачу в рамках детерминированного подхода [9]. Опираясь на опыт обработки глубинных разрезов ОГТ, можно дать оценку размера L неоднородных областей в земной коре, равную нескольким десяткам километров, характерный размер локальных неоднородностей а оценить в первые километры, при этом длина волны I сейсмического диапазона частот заключена в пределах
50 - 750 метров. В этом случае отношения — = ^^^^ = 100 и — _ 10000 говорят о превышении размеров X, 100 а Ю00
нводнородностей в земной коре над длиной зондирующего сигнала в десятки и сотни раз. Чтобы найти усредненные характеристики земной коры, полезным оказывается статистический подход.
Выделение и иссгЕДование формы отраженных волновых пакетов на глубинном разрезе ОГТ в условиях гетерогенных сред
В условиях глубинных сейсмических исследований форма сейсмического импульса является существенно переменной величиной. Поэтому, свойства среды содержатся ш только в положении и величин; коэффициентов отражения, но и в форме отраженной волны, изменяющей свои характеристики в зависимости от положения в глубинном разрезе земной коры. В этом случае изучение динамических характеристик отражшных волн позволяет извлечь важную информацию о строении глубинных зон земной коры.
Сейсмические данные представлены в виде суммы сигнала и шума. Сигнал понимается как та часть данных, которую мы способны использовать для решения обратной задачи - получения информации о строении среды. Сейсмическую трассу ОГТ после динамической обработки можно рассматривать как интерферирующую последовательность элгментарных волн определенной формы: f{t) = S0 (t) * K(t) + n(t), где SQ (t) - форма однократно-отраженной волны, K(t) - импульсная трасса коэффициентов отражения геологической среды, n(t) - »коррелированная помеха. А так как постоянство формы импульса нарушается при прохождении его через толщу пород, то отражение импульса и распространение его уже не являются лингйней системой, и поэтому осуществить разделаше сейсмической трассы на сверточные компоненты: постоянный импульс и поверхности раздела в среде можно лишь весьма условна
При изучжии глубинных разрезов ОГТ, получшных в условиях сложнопостроен-ных гетерогенных сред, сейсмическая трасса представляет собой последовательность интерференционных волновых пакетов, являющихся результатом отражений и рассеяний волн от объектов геологической среды. В этом случае элементом сейсмической
трассы /(/) выступает нг отдельная отраженная волна S0 (/), выделить которую не представляется возможным, а пакет отраженных волн. Волновой пакет отражшных
волн Sn (t) формируется в пределах »которой области D гетерогенной среды, имеющей характерный размер неоднородности L . Форма волнового пакета Sn(t) зависит от совокупной импульсной реакции среды Kn(t) в пределах области неоднородности и формы зондирующего импульса S0(t) : Sn(t) = S0(t) * Кn(t).
Алгоритм определиия локальной формы волнового пакета
Разработанный алгоритм определения локальной формы волнового пакета Sn (t) осуществляет статистическое суммирование волновых пакетов в пределах некоторого окна на временном разрезе ОГТ. Размеры окна равняются среднгму размеру области »однородности гетерогзшой среды, а шаг смещения окна по профилю диктуется требованием гладкости измаетия формы волнового пакета. Таким образом, в каждом окнг на разрезе ОГТ вычисляется уникальная форма волнового пакета, являющаяся совокупной характеристикой отражающих свойств участка гетерогенной среды.
В разработанном алгоритме выделение волновых пакетов на сейсмической трассе ОГТ производится по максимумам огибающей модуля трассы. Локальные максимумы огибающей кривей соответствуют максимальным амплитудам отдельных волновых пакетов («отдельность» обеспечивается наличием окрестности у каждого локального максимума). Суммирование участков трасс в пределах этих окрестностей позволяет накапливать произвольную форму волнового пакета. Блок-схема разработанного алгоритма приведена на рис. 1.
Рисунок 1
В качестве точек суммирования t¡ волновых пакетов /(/) в сейсмической трассе
выбираются положения максимумов огибающей кривой модуля трассы ОГТ |/(t) |
: {, :| /(/,) | -> шах}. Временная длительность волнового пакета /(/) задается в зависимости от верхней частоты сейсмических данных. Как правило частотный диапазон сейсмических данных не превосходит 100 Гц, поэтому длительность отдельного волнового пакета укладывается в 200 мс. Окрестность (t. — +£2) длительностью
200 мс окружает точку суммирования ti в равных или неравных пропорциях (по выбору), что позволяет накапливать как симметричную, так и антисимметричную его
форму. Выделиный волновой пакет нормируется на максимальную амплитуду
f (/) = —¿Ю-—, где ' е — + е2). Далее осуществляется статистическое "ор" гпах /(/,)
1 " -
осреднение волнового пакета п ^^чорм(') в Пределах области D на разрезе
ОГТ, размеры которой выбираются соответственно характерному размеру области неоднородности L, рассматривавшемуся выше.
Применение разработанного алгоритма на глубинном опорном профиле ОГТ Разрез ОГТ одного из опорных профилей был разделен на участки, соизмеримые со средним размером неоднородности L (Рис. 2, А). На каждом из участков с помощью разработанного алгоритма в режиме «бегущего окна» со сдвигом без перекрытия
получены волновые пакеты Sn (t). При визуальном сравнении форм локальных волновых пакетов можно отметить их подобие. В каждом волновом пакете выделяется три части колебательного процесса, вступительная часть длительностью от 0 - 40-50 мс, основная часть в интервале 40-50 - 80-100 мс и затухающая часть на временах более 80-100 мс. Несмотря на общие черты, замеченные при визуальном сравнении форм локальных волновых пакетов, их амплитудные спектры фиксируют значительные отличия, особенно в области относительно высоких частот, расположенных правее главного максимума (Рисунок 2, Б).
Рисунок 2
Традиционным динамическим параметром в сейсмических исследованиях является разрез мгновенных амплитуд, дающий характеристику отражения в каждой точке разреза ОГТ [10]. К недостаткам этого параметра можно отнести чувствительность к шумам и случайным флуктуациям в сейсмических данных. В рамках же предложшного статистического алгоритма накопления формы отраженной волны вычисляется более устойчивая амплитудно-частотная характеристика локальных отражающих свойств участка среды.
Для сейсмических опорных профилей, преследующих цель регионального и глубинного изучшия строшия всей консолидированной земной коры, статистическое осреднение и на этой основе разделение геологической среды на блоки является адекватным подходом.
Вычислительная технология диагностики зон затухания энергии отраженных волн по глубинным разрезам ОГТ на опорных профилях
На основе алгоритма определения локальной формы волнового пакета разработана вычислительная технология диагностики зон затухания энергии отражашых волн. Она позволяет получать и привлекать к интерпретации в условиях сложных гетерогенных типов сред, мало отличающихся по скоростям, динамические характеристики сейсмических волн, более уверенно дифференцирующие среду: особенности локальней формы волнового пакета, его амплитудно-частотный спектр. Анализ спектров волновых пакетов позволяет обнаружить эффекты, связанные с нелинейным затуханием амплитуд, отличным от экспоненциального а также поглощением высоких частот, рассеянием и другими потерями энергии при прохождении сейсмического импульса в толще пород.
Известна что горные породы ведут себя как низкочастотный фильтр, пропуская низкие частоты почти без искажения, но отфильтровывая высокие частоты [11]. Реальный спектр ведет себя сложным образом, поскольку разрушенная порода действует как цепочка фильтров, подавляя в спектре регистрируемого сигнала различные частотные компоненты. Можно отметить, что затухание редко линейно зависит от частоты, как было бы в случае, если бы оно целиком определялось эффектами поглощения энергии в горных породах. Неоднородность строения изучаемых горных пород приводит к преимущественному затуханию на некоторых частотах, вызванному эффектами рассеяния энергии сейсмических волн на малых нэоднородностях среды. Это явление искажает нормальную картину роста затухания с частотой, что и наблюдается на реальных спектрах. Многие исслгдователи [3,6,9,11] считают, что затухание является гораздо более чувствительным параметром, характеризующим свойства «однородных горных пород, чем скорость сейсмических волн.
Разработанный специализированный программный комплекс вычисляет матрицу локальных волновых пакетов с помощью «бегущего окна», передвигающегося по сейсмическому разрезу с перекрытием окон или без нега Далее программный комплекс формирует куб спектральных амплитуд волновых пакетов в пространстве временной и латеральной координат сейсмического профиля и частоты (t, х, f) Для удобства анализа и выявления аномалий поля спектральных амплитуд технология комплекса позволяет формировать и визуализировать срезы спектрального куба по любой из координат: временной (t=Const), латеральной (х = Const), по частоте (f = Const).
На рис. 3 показаны временные срезы (с шагом 2 секунды) спектрального куба. Данные вычислены по разрезу ОГТ опорного профиля в окне размером 5 км * 2 сек, пробегающем без перекрытия разрез ОГТ опорного профиля длинной 365 км и глубиной 24 секунды. Верхняя горизонтальная ось на рисунке обозначает километры вдоль профиля; временная ось профиля в секундах указана сверху вниз в правой части рисунка; в левей части рисунка обозначены частотные шкалы от 0 до 100 Гц для амплитудных спектров.
Гщ
Рисунок 3
Анализируя временные срезы полученного спектрального куба по горизонтали (вдоль профиля) и по вертикали (с глубиной), можно отметить устойчивость основных параметров спектра. Диапазон частот всех локальных волновых пакетов заключен в интервале 0-40 Гц, основная частота, несущая максимальную амплитуду, составляет 16 Гц, - все это говорит о высоком качестве динамической обработки разреза ОГТ. В области «высоких» частот спектра сигнала, охватывающего его правый склон (от максимума на 16 Гц), отмечаются существашые нелинейные флуктуации амплитуд спектров, свидетельствующие о наличии эффектов рассеяния, нелинейного затухания и других потерь энергии, вызванных влиянием гетерогенной геологической среды.
Для диагностики эффектов нелинейного затухания амплитуд отраженных волн по рассчитанному спектральному кубу были визуализированы его срезы на частотах от 18 до 40 Гц с шагом 2 Гц, как набор непрерывных цветокодированных полей амплитуд. Анализ полей выявил их синхронное изменение в диапазоне 18-28 Гц. Чтобы подчеркнуть общие тенденции, нами был просуммированы срезы спектрального куба в этом
диапазоне частот. На рис. 4 показано суммарное поле амплитуд высокочастотной части спектра (18-28 ГЦ) отраженного сигнала, накопленного в окне 5км * 2с по опорному профилю ОГТ. Зелено-голубая гамма цветов соответствует минимальным значения амплитуд, розово-коричнево-фиолетовая гамма соответствует среднему и высокому значению амплитуд.
В поле этого сейсмического параметра проявляются две зоны сильного поглощения высоких частот сейсмического сигнала: западная и восточная. Западная зона, геометрически изображаемая как вертикальный глубинный разлом, проникающий в мантию, приурочша к известной раже рифтовой структуре. Можно предположить, что эффект значительного поглощения высоких частот связан здесь с флюидонасыщением - проникновением расплавленного мантийного вещества в рифтовый шов и его обрамление. Восточная зона имеет более изометричнсе строение. Ее геологическая природа еще не изучена. Минимум амплитуд в этой аномальней зоне приходится на временной уровшь ниже 15 сек, что соответствует мантии. Низкоамплитудная аномалия распространяется ниже, до отметки времш 24 сек и, следовательно проникает в глубокие мантийные слои, имея мантийный корень.
Необходимо отметить наличие четкой горизонтальной поглощающей зоны, подстилающей коромангийный слой (границу Мохоровичича) и расположенной во временном интервале 12 - 14 с. Эта горизонтальная аномалия фиксирует значительный перепад отражающих свойств между консолидированной земной корой и мантией. Отмечается также наличие высокоамплитудного канала (коричневый цвет), имеющего основание в мантийных слоях и протягивающегося в верхние слои земной коры на отметке 1360 км профиля. Геологическая природа этих явлений требует дополнительных исследований.
ЛШШИШни
---паж ..
Рисунок 4
Литература
1. Алексеев A.C., Цибульчик Г.М. Математические модели сейсморазведки. - Актуальные проблемы вычислительной математики и математического моделирования. -Новосибирск: Наука, 1985 г.
2.Максимов С.П., М.И. Лоджевская, Р.Г. Самвелов, Б.А. Соловьев, Б Д. Гончарен-ко Геологические условия нефтегазоносиости на больших глубинах. - Международный геологический конгресс, XXVIII сессия. Докл сов геологов. - М., 1988.
3. Караев H.A., Лебедкин П.А. Сейсмическая гетерогенность земной коры и модель волнового поля. -Исследование литосферы в работах Петербургских геофизиков. СПб.: ВИРГ - «Рудгеофизика», ВНИИОкеанология, 2003 г.
4. Авторское свидетельство № 990128 об официальной регистрации программы для ЭВМ». - Рудницкая Д.И., Горячев Д.Н., Корнилов М.В., Гошко Е Ю. и др. - 12.03.99 г.
5.Гошко Е.Ю., Марков В.М. и др. Компьютерная технология расчета полей сейсмических атрибутов в системе РеапакРД для создания сейсмоакустических образов глубинных разрезов земной коры. Вестник НГУ, Серия. Информац. технологии, Том 2, Вып. 1, 2005 г.
6. Берзон И.С., Епинатьева A.M., Парийская Г.Н., Стародубровская С.П. Динамические характеристики сейсмических волн в реальных средах. Изд. АН СССР, Москва, 1962.
7.Петров А. В., Р. Г. Берзин, А. К. Сулейманов, Г. М. Ермолаева, В. М. Страхаль, С. А. Шаров. Новые возможности обработки сейсмических материалов СГ-ОГТ с использованием компьютерной технологии КОСКАД 3d' * на примере регионального профиля "Уралсейс". - Геофизика, №1, 2002 г.
8.Е.Ю. Гошкой Д.И. Рудницкая, О.М. Сагайдачная, A.C. Сальников. Построение сейсмоакустических образов глубинных разрезов земной коры в системе РеапакРД. 2-й Международный симпозиум «Активный геофизический мониторинг литосферы земли»: Материалы международной конференции, Новосибирск, 2005 г.
9. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология. Т. 1, 2. - М.: Мир, 1983.
10. Бельфер И.К., Погожев В.М., Тяпкин Ю.К., Митрофанов Г.М., Мушин И.А. Оценка возможностей использования мгновенных динамических характеристик сейсмических записей при поисках нефти и газа. - М., 1986. - 76 е., - (Разведочная геофизика: Обзор ВНИИ экон. Минер. Сырья и геологоразвед. Работ. ВИЭМС).
11. Янг Р. П., Хилл Дж. Дж. Статистический анализ спектров сейсмических записей с целью определения свойств горных пород. - В сб.: Анализ и выделение сейсмических сигнлов. (Пер с англ под ред Ч.Чжаня) - М.: Мир, 1986.
12. Пузырев H.H. Методы и объекты сейсмических исследований (введение в общую сейсмологию). - Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГТМ, 1997 г.
Тушндеме
Бул макрлада ужен терецдмте жиналган кем/рцы шн^ылды внеркэсттг ашу ушш OTT сейсмикалык; терецдЫ цырынан алынеан к,унды нэтижелердi есептеу технологияларын цолдануды усынады.
Resume
The use of computer engineering on materials of depth seismic profile OrTis suggested in the given article. The received data are important for finding industrial hydrocarbon cluster in height depths.
