книги из ГПНТБ / Невский, М. В. Квазианизотропия скоростей сейсмических волн

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ

им. О. 10. Ш М ИДТА

М. В. НЕВСКИЙ

КВАЗИАНИЗОТРОПИЯ

СКОРОСТЕЙ

СЕЙСМИЧЕСКИХ

ВОЛН

. . ^ Т £ Р А Т У > | * ч ^

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « НА У 1ч А»

_____ м о г к и а 1д-м—

" ! Г с н т Р О Л Ь Н Ы Й Г-»къ С м п *■v'

П Р Е Д И С Л О В И Е

Явление анизотропии скоростей сейсмических волн в реальных сре­ дах достаточно давно привлекает внимание исследователей. Первые экс­ периментальные результаты, свидетельствующие о возможной анизотро­ пности реальных сред по скоростям упругих волн, были получены в

3 0 -4 0 -х годах.

Итог этим исследованиям подведен в известной работе Ю.В.Ризниченко [ 1 ], в которой помимо новых теоретических результатов со­ держится и достаточно подробный обзор теоретических и эксперимен­ тальных работ по сейсмической анизотропии, выполненных до 3.949 г. В ней впервые теоретически рассмотрена одна из наиболее вероятных причин анизотропии скоростей сейсмических волн в осадочных толщах - тонкая слоистость в распределении скоростей. В последующие годы как в СССР, так и за рубежом были получены важные результаты по теориии распространения упругих волн в тонкослоистых средах [2 ,3 ],

исследован ряд вопросов кинематики сейсмических волн в анизотропных средах [4 , 5 ] и предложены некоторые методические приемы изучения анизотропии скоростей при полевых экспериментальных исследованиях [6 -9 ]. Новые данные были получены при изучении анизотропии ско­ ростей в лабораторных условиях, на образцах горных пород [1 0 -1 4 ]. Анизотропия скоростей исследовалась как в осадочных, так и в кристаллических и метаморфических породах, а в последние годы - и

в породах верхней мантии [15 - 17]. При этом в качестве физическо­ го механизма анизотропии рассматривалась не только тонкая слоис­ тость, но и напряженное состояние горных пород [1 8 ,1 9 ], ориентиро­ ванная трещиноватость и пористость [1 2 , 2 0 , 2 1 ], упорядоченная ориентировка зерен породообразующих минералов в кристаллических и

метаморфических породах, [11, 1 4 ,2 2 ] и некоторые другие механизмы. Однако в целом применительно к конкретным сейсморазведочным зада­ чам, в частности к прямым и обратным задачам сейсморазведки, вопросы

сейсмической анизотропии исследованы сравнительно мало. За исклю­ чением общих теоретических работ [2 3 - 2 5 ], практически нет ис­ следований по динамическим характеристикам сейсмических волн в анизотропных средах. Но даже и при исследовании кинематических особенностей сейсмических волн в подавляющем большинстве работ ограничивались анализом скоростей в двух взаимно ортогональных на­ правлениях либо приближенно полагали, что для промежуточных на­ правлений скорость изменяется по эллиптическому закону. Существен­ но большее внимание уделялось не анизотропности, а иным свойствам реальных сред, в частности неоднородности в скоростном строении.

3

Это положение в значительной мере объяснялось и требованиями практики сейсморазведки: особенностями применявшихся систем наблю­ дений, кинематическими особенностями использовавшихся при интер­ претации волн, а также детальностью и точностью сейсмической ин­ терпретации. Так, стандартные исследования методом отраженных волн (МОВ) проводилось при небольших удалениях от источника, для которых сейсмические лучи проходят покрывающую толщу в узком диа­ пазоне направлений, близких к вертикальному. В корреляционном ме­ тоде преломленных волн (КМПВ) при интерпретации использовались в основном годографы преломленных волн ( головные, преломленно-ре- фрагированные), для которых углы прохождения сейсмических лучей

впокрывающей толще изменяются сравнительно мало. Таким образом, не требовалось изучения характера изменения скоростей упругих волн

вшироком диапазоне углов падения.

Внастоящее время положение существенно изменилось. В методе отраженных волн чаще используются системы удлиненных годографов.

Вшироком диапазоне изменяются углы падения сейсмических лучей при исследованиях по методике многократных перекрытий ( ОГТ и др.). При работах по КМПВ в настоящее время для интерпретации исполь­

зуются интенсивные отраженные волны, регистрируемые в после­ дующих вступлениях. Указанные особенности современной сейсмораз­ ведки требуют дальнейших и более детальных исследований по сейсми­ ческой анизотропии.

Развитие методов поперечных и обменных волн также требует изу­ чения анизотропии, поскольку, согласно экспериментальным данным [ 6 , 2 6 ], анизотропия может существенно проявляться в отношении ско­ ростей поперечных волн и в различной степени для волн SV и SH.

Повышающиеся требования к точности сейсмической интерпретации при решении ряда важных практических задач, например при изучении по­ логих структур, заставляют детально изучать характер распределения скоростей в реальных средах и, в частности, зависимость скоростей от направления распространения.

Таким образом, в настоящее время имеется необходимость в тео­ ретическом и экспериментальном изучении сейсмической анизотропии. При этом особенно остро стоит вопрос детального теоретического ана­ лиза возможного влияния анизотропии скоростей на кинематические характеристики сейсмических волн и, следовательно, на результаты интерпретации данных сейсморазведки.

Указанная задача важна как для метода отраженных, так и прелом­ ленных волн, причем в первом случае в большей степени, поскольку диапазон изменения углов прохождения сейсмических лучей в покры­ вающей толще для отраженных волн, регистрируемых на больших уда­ лениях от источника, весьма велик, что может привести к существен­ ному влиянию анизотропии скоростей на кинематические особенности этих волн.

При экспериментальных исследованиях важно изучить физическую природу анизотропии, и для сейсморазведочных задач - в первую оче­ редь в осадочных толщах. Имеется также необходимость в получении

4

новых, более точных экспериментальных данных по анизотропии ско­ ростей сейсмических волн и в разработке способов изучения анизо­ тропии в реальных средах.

В связи со сказанным в настоящей работе поставлена задача по­ тального теоретического и экспериментального анализа влияния ани­ зотропии скоростей на кинематические характеристики сейсмических волн, главным образом отраженных, и результаты интерпретации сейс­ моразведочных данных. Для теоретического анализа выбрана анизотро­ пия гексагонального типа ( поперечно-изотропная среда), наиболее ве­ роятная для осадочных толщ земной коры, поскольку именно этот тип анизотропии вызывается тонкой слоистостью в распределении скорос­ тей. Данные ультразвукового каротажа (УЗК) по многим районам показывают, что тонкая слоистость в распределении скоростей являет­ ся одним из наиболее характерных свойств реальных сред.

Основные задачи работы можно сформулировать следующим образом. 1. Детальное теоретическое исследование характера изменения

скоростей упругих волн в тонкослоистых моделях поперечно-изотроп­ ных сред и их эффективных упругих параметров.

2 . Теоретический анализ влияния анизотропии на результаты реше­ ния прямых и обратных задач сейсморазведки отраженными волнами и разработка новых способов изучения анизотропии в реальных средах.

3 . Экспериментальные исследования физической природы анизотро­ пии в осадочных толщах и влияния ее на кинематику сейсмических волн.

Работа состоит из четырех глав, предисловия, выводов.

Первая глава содержит обзор теоретических работ по сейсмической анизотропии применительно к вопросам сейсморазведки, обзор и ана­ лиз методических приемов, применявшихся ранее для изучения анизо­ тропии при экспериментах, а также сводку и обсуждение эксперимен­ тальных данных по анизотропии скоростей в сейсмическом диапазоне частот.

Вторая глава посвящена детальному анализу упругих параметров и характера изменения скоростей для различных тонкослоистых моделей поперечно-изотропных сред. Исследование распределения скоростей в зависимости от направления в этих моделях проводится как аналити­ чески, так и численно с привлечением результатов массовых расчетов на ЭВМ на основании теоретических решений С.М. Рытова[2] и По-

стма [2 7 ].

В третьей главе даются точные и приближенные решения прямой задачи сейсморазведки отраженными волнами для трех типов волн

( Р, SV, SH) для однороднослоистых поперечно-изотропных сред. Чис­ ленно и аналитически исследуется влияние анизотропии на годографы отраженных волн для ряда характерных моделей поперечно-изотропных сред. Глава содержит аналитическое и численное исследование влияния анизотропии скоростей на результаты решения обратных задач сейсмо­ разведки отраженными волнами: определение эффективных скоростей и построение отражающих границ. Здесь рассмотрены некоторые вопро­ сы учета анизотропии скоростей при интерпретации и предложен спо­

5

Глава п е р в а я

ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО АНИЗОТРОПИИ СКОРОСТЕЙ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН

В настоящей главе приведен обзор работ по анизотропии скоростей сейсмических волн, опубликованных до 1971 г. Здесь рассмотрены основные результаты теоретических исследований по динамике и кине­ матике сейсмических волн в анизотропных средах. При этом основное внимание уделено работам по распространению сейсмических волн в тонкослоистых средах, а также вопросам кинематики упругих волн в анизотропных средах. Дается обзор и систематизация способов изуче­ ния анизотропии скоростей в реальных средах и сводка эксперимен­ тальных данных по анизотропии скоростей сейсмических волн.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Среди исследований, посвященных изучению динамики и кинематики распространения упругих волн в кристаллах и других анизотропных средах, следует выделить прежде всего работы по теории распростра­ нения упругих _волн в идеальных анизотропных средах, являющиеся тео­ ретической базой для дальнейших прикладных исследований по сейс­ мологии и сейсморазведке.

Исследования по теории распространения упругих волн в анизотропных средах

Основные вопросы теории упругих волн в анизотропных средах рас­ смотрены в связи с различными исследованиями в области кристалло­ физики. Среди этих работ следует отметить прежде всего обобщающие

емных и поверхностных волн в слоистой анизотропной среде исследо­ ваны Андерсоном [3 3 ]. Значительное число работ посвящено также

7

ках различного типа в поперечно-изотропной среде.

В.М. Бабич обобщил лучевой метод вычисления интенсивностей вол­ новых фронтов для случая произвольной анизотропной неоднородной сре­ ды [2 3 ]. Реализация этих решений в конкретных алгоритмах и про­ граммах для ЭВМ дана Червени [42, 4 3 ] .

В целом цикл работ различных авторов позволяет перейти к конк­ ретным расчетам амплитудных кривых сейсмических волн для анизо­ тропных моделей реальных сред. Громоздкость аналитических выраже­ ний для амплитуд упругих волн в анизотропных средах требует разра­ ботки специальных вычислительных алгоритмов и весьма трудоемких расчетов на ЭВМ. В настоящее время конкретных расчетов не только амплитудных кривых, но и простейших динамических характеристик сейс­ мических волн, таких, как коэффициенты отражения плоских волн, вы­ полнено очень мало, за исключением ряда примеров в указанных рабо­ тах Гульзара и Червени. Эти расчеты показывают, что анизотропия упругих свойств может достаточно сильно влиять на коэффициенты от­ ражения и амплитудные кривые Сейсмических волн, но какой-либо общей закономерности в изменении коэффициентов отражения вследствие ани­ зотропии в работах [3 9 , 43] не установлено.

Распространение волн в тонкослоистых средах

В ряде работ по сейсмической анизотропии [44 - 4 6 ] природа ани­ зотропии скоростей в реальных осадочных толщах качественно связыва­ лась со слоистостью геологического разреза. Более детально природа анизотропии исследовалась А.Г. Тарховым [4 7 ] . Им получены прибли­ женные эмпирические формулы для скоростей распространения продоль­ ных волн в двухкомпонентной тонкослоистой среде в направлениях, па­ раллельном и перпендикулярном слоистости. Аналитическое уточнение и обоснование этих формул дано в известной работе Ю.В. Ризниченко [1 ] . Ю.В. Ризниченко теоретически решена задача о распространении длинных упругих продольных волн в направлениях, перпендикулярном и

параллельном слоистости, в двухкомпонентной периодической тонкослои­ стой среде.

Предположив, что преобладающая длина распространяющихся волн гораздо больше мощности прослоев, составляющих тонкослоистую среду, Ю.В. Ризниченко свел данную задачу к статической задаче вычисления продольного и поперечного модулей упругости тонкослоистой среды. Последняя была решена путем осреднения напряжений и деформаций, действующих на грани элементарного параллелепипеда, вырезанного из тонкослоистой среды. В результате показано, что при распространении длинных упругих волн в тонкослоистой среде происходит обобщение уп­ ругих свойств среды. При этом в случае распространения волн вкрест напластования происходит осреднение упругих свойств среды по обрат—

8

ным упругостям (податливостям) тонких слоев. При распространении длинных волн вдоль слоистости осреднение происходит по упругостям тонких слоев. В силу этого скорости распространения длинных упругих продольных волн в направлениях вкрест Vj_p и вдоль V11р слоистости

оказываются различными, т.е. среда приобретает свойство однородно­ сти и анизотропности. Ю.В. Ризниченко предложил называть среды, в которых анизотропия скоростей связана с тонкой слоистостью изотроп­ ной среды, квазианизотропными, а само явление - квазианизотропией. В том случае, когда мощности прослоев в среде превышают длины распространяющихся волн, такая среда ведет себя как изотропная и слоисто-неоднородная. Распространение волн тогда подчиняется зако­ нам геометрической сейсмики, а средние и лучевые скорости, опреде­ ленные по правилам геометрической сейсмики, отличаются от скоростей длинных упругих волн.

Точные формулы для скоростей Vj p и V11 р в периодической двух­ компонентной тонкослоистой среде, полученные строгим статическим методом, оказались неудобными для оценочных расчетов прежде всего из-за громоздкости. Для получения более простых, но приближенных формул Ю.В. Ризниченко применил метод аналогий, при котором сис­ тема тонких слоев заменяется системой параллельно и последова­ тельно соединенных пружин при распространении волн соответственно вдоль и поперек слоистости. Эти формулы оказались более удобными для анализа анизотропии в тонкослоистой среде, а несколько приве­ денных в работе примеров расчета скоростей по точным и приближен­ ным формулам доказывали возможность применения приближенных ре­ шений. Ю.В. Ризниченко также обобщил полученные формулы на случай непрерывного изменения скоростей в тонких прослоях.

Впоследствии Уайт и Ангона [ 4 8 ] применили строгий статический метод Ризниченко для теоретического вычисления скоростей длинных поперечных волн SV и SН в тонкослоистой двухкомпонентной среде в направлениях, перпендикулярном и параллельном слоистости.

Согласно соображениям симметрии, тонкослоистая среда обладает симметрией гексагонального типа. Анизотропные среды гексагонально­ го типа имеют пять независимых упругих параметров Сjj , в то время как решения Ю.В. Ризниченко, Уайта и Антоны давали лишь четыре.

Все пять упругих констант С ц , С^з> С33, С4 4 , Cgg поперечно-изо­ тропной среды (или среды с гексагональной симметрией), эквивалент­ ной на длинных волнах заданной двухкомпонентной тонкослоистой сре­ де, впервые были найдены Постма [2 7 ], который обобщил для этих целей статический метод Ризниченко. В работе Постма рассмотрены зависимости скоростей упругих волн в поперечно-изотропной среде от направления, показано, что для квазипродольных Р и квазипоперечных

S V волн индикатрисы скоростей отличаются от эллиптических, а также предложен оригийальный графоаналитический способ вычисления инди­ катрис скоростей. Однако задача детального анализа скоростей упругих волн для различных направлений в зависимости от соотношения упругих па­ раметров прослоев, их плотностей и мощностей в этой работе не рассмат­ ривались. Приводимые Постма единичные расчетные примеры далеко не ис-

9