Применение сейсморазведки при решении геологических задач

В наибольших объемах сейсморазведка применяется для изучения структурных форм геологических разрезов. Особое внимание уделяется геологическим структурам и зонам, где можно предполагать наличие нефти и газа. При этом, ввиду высокой стоимости сейсморазведочных работ принято их планировать для решения только таких задач, которые не могут быть решены другими методами.

При изучении глубинных геологических структур, перспективных на нефть и газ, основное значение имеет МОВ-ОГТ. Наиболее эффективны эти технологии на акваториях, где бурение скважин обходится очень дорого, а качество сейсмических данных значительно лучше, чем на суше.

Применение сейсморазведки помимо структурной и нефтегазовой геологии эффективно в рудной и угольной геологии. С помощью как МПВ, так и МОВ удается регистрировать волны, возникающие в ослабленных зонах, связанных с тектоническими нарушениями. Последние важны для изучения в рудной геологии в связи с приуроченностью к тектоническим зонам рудных скоплений, а, в угольной геологии опережающий прогноз тектонических разрывов, особенно малоамплитудных, необходим при проектировании строительства и в процессе эксплуатации шахт и карьеров, поскольку непредвиденная встреча тектонических нарушений резко снижает эффективность добычи углей.

В инженерной геологии и гидрогеологии сейсморазведкой изучают особенности строения верхней части разреза, в связи с чем наблюдают преимущественно проходящие и преломленные волны, реже – отраженные. С поиощью МПВ решаются задачи отбивки границ между покровными и коренными отложениями, определения уровня грунтовых вод, оценки карстово-суффузионной опасности, строения дна водоемов и т.д.

· Проектное задание раздела 2-Б.

1) Дать характеристику сейсмоволнового поля. Описать свойства идеально упругой среды. Что выражает закон Гука.

2) Представить схематическое изображение типов волн, используемых в сейсморазведке.

3) Сформулировать основные принципы геометрической сейсмики и указать их ограничение.

4) Охарактеризовать построение и анализ годографов отраженных и преломленных волн. Объяснить какую роль они играют при анализе полевых сейсморазведочных материалов.

5) Объяснить почему основным видом регистрации сейсмических колебаний является цифровая запись и какие последовательные преобразования сейсмического колебания происходят в цифровом сейсморегистрирующем канале.

6) Назвать основные блоки цифровой сейсмической станции и пояснить их назначение, а также процесс производства записи сигналов в сейсмических регистраторах.

7) Объяснить в чем особенность возбуждения поперечных волн и какими принципами руководствуются при выборе оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний.

8) Раскрыть сущность метода общей глубинной точки (ОГТ) и объяснить как определяется степень подавления многократных отраженных волн при работе этим методом.

9) Дать определение временного разреза. Объяснить принципы его построения и какие дополнительные данные необходимо ввести для преобразования временного разреза в глубинный.

10) Назвать основные методы сейсмических исследований в скважинах и объяснить для решения каких разведочных задач каждый из них применяется.

11) Объяснить при решении каких геологических задач применяются сейсморазведочные методы.

12) Составить реферат о нормативных требованиях техники безопасности при производстве сейсморазведочных работ.

· Тесты рубежного контроля раздела 2-Б.

1.

Вопрос: Какая среда называется идеально упругой?

Ответ: Геологическая среда, в которой распространяются упругие волны. Природные среды, которые после воздействия деформаций полностью восстанавливают свою первоначальную форму. Геологические образования, где происходят некоторые изменения их объема и формы. Массивы горных пород с необратимыми изменениями первоначальной структуры.

2.

Вопрос: При каких условиях геологическая граница является одновременно отражающей и преломляющей?

Ответ: При условии контакта пород, характеризующихся различной скоростью распространения упругих волн. В геологических разрезах со стратиграфическим несогласием различных возрастных комплексов. При условии, что породы нижележащих слоев имеют большую скорость распространения упругих волн, чем вышележащие. При условии наличия в геологических разрезах разрывных тектонических нарушений.

3.

Вопрос: Из каких основных блоков состоит сейсморазведочная станция?

Ответ: Из блоков регистрации, кодирования и воспроизведения сейсмоволновых пакетов. Из системы идентичных блоков сейсморегистрирующих каналов (по числу сейсмоприемников), включающих сейсмические усилители с частотными фильтрами и аналого-цифровые преобразователи - АЦП, а также блока формирователя импульса запуска, блока контроллера и блока ЭВМ (полевого компьютера). Из сейсмоприемников, сейсмической косы и компьютера.

4.

Вопрос: Что собой представляет скважинная сейсморазведка?

Ответ: Изучение геологического разреза по системе поверхность-скважина при возбуждении упругих волн на удалении от скважины и регистрации упругих волн в ее стволе. Изучение разрезов скважин методом акустического каротажа. Это сейсморазведка, когда возбуждение упругих волн осуществляется в скважинах.

5.

Вопрос: Чем временной разрез отличается от глубинного?

Ответ: По разным масштабам построения. По более детальной конфигурации фазокорреляционных линий. По вертикальным шкалам напряжений: у первого по оси ординат время, а у второго глубина геологических границ. По условиям регистрации различных типов волн.

· Критерии оценки раздела 2-Б.

Контрольная работа.

· Литература к разделу 2-Б.

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 109-162.

2. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. Учебник. – М.: Недра, 1989. – С. 224-386, 432-513.

3. Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сейсморазведка: Учебник для вузов. Тверь: Изд-во АИС, 2006. 744 с.

Дополнительная:

1. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 137-201.

2. Федынский В.В. Разведочная геофизика. Учебное пособие. – М.: Недра, 1967. – С. 401-435.

3. Гурвич И.И. Сейсморазведка. Учебник. – М.: Недра, 1975. С. 26-56, 105-141, 144-398.

4. Сейсморазведка: Справочник геофизика; Под ред. В.П.Номоконова. М.: Недра. 1990. Кн.1. 336 с., Кн.2. 400 с.

Модуль 3. Ядерная геофизика и терморазведка

· Комплексная цель.

Получение слушателями системы знаний о радиоционном и тепловом полях Земли, методах (дистанционных, наземных (полевых) и скважинных) и средствах их изучения для возможной дальнейшей работы в полевых экспедициях, научных лабораториях, вычислительных центрах при проведении научно-исследовательских и производственных геологических работ, включая основные приемы качественной и количественной интерпретации полевых наблюдений и их геологическое истолкование.

· Содержание модуля Ядерная геофизика

Лекция 13. Тема: 0бщие сведения о радиоактивности. Радиометрические методы для решения задач поисков и разведки полезных ископаемых, в геоэкологии, инженерной геологии и др.

Ядерная геофизика – раздел разведочной геофизики, основанный на изучении распределения в земной коре естественных и искусственно созданных радиационных полей, изучаемых двумя основными группами методов: а) радиометрическими, основанными на измерении естественных α-, β-, γ - излучений горных пород и обусловленных кларковыми или аномальными содержаниями в них радионуклидов, или концентрацией изотопов радона в почвенном воздухе, б) ядерно-физическими, предусматривающими поэлементный анализ горных пород путем изучения вызванной радиоактивности.

Поле ионизирующих излучений (естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту, и складывается из: 1) космического излучения, 2) радиоактивного распада элементов земной коры, 3) дегазации радиоактивных газов, выходящих на поверхность (радон Rn, торий Th). В результате на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3-6 мкР. С увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1,5 мкР на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом, радиоактивность этих пород неодинакова. Средними (нормальными) по радиоактивности считаются природные объекты, в которых кларковое содержание не превышает 2,5 (2,5 г/т). Повышенная радиоактивность обусловливается наличием урана с соответствующим образованием радиоактивных газов (радона и тория). Тысячная доля содержания урана в общей массе создает радиоактивность в 5 мкР/час. Радиоактивный фон повышается и в участках земной коры, содержащих кроме урана и тория, калий, концентрация которого в земной коре превышает более чем в 2000 раз концентрацию тория и более чем в 10000 раз концентрацию урана.

Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента уран (U), торий (Th) и калий (К). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К 60%, U 30%, Th 10%. Интенсивность естественного -излучения (Jγ) наибольшая у К и наименьшая у Th. Излучение происходит при различных энергиях (рис 3.1).

Рис. 3.1. Спектр естественного гамма-излучения

Cуществуют аппаратурные решения, согласно которым энергию γ – излучения можно разделить на спектры (выделить окна). Способ получил название гамма – спектрометрии.

Калий – его материнские породы – преимущественно силикаты магматических пород, полевые шпаты, слюды. Слюды и полевые шпаты преобразуются в различные глинистые минералы. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов.

Уран – его материнские породы – силикаты магматических пород. Высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого урания – иона ИО .

Торий – его материнские породы – силикаты магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых минералах.

Следует отметить, что -излучение имеет наибольшее значение при формировании естественной радиоактивности, поскольку при взаимодействии с веществом испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью: задерживаются обычным листом бумаги, - тонкой свинцовой пленкой.

Закон радиоактивного распада выражается формулой:

(3.1), где

dN – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt, - постоянная распада. связана с другой единицей Т_1/2 – периодом полураспада соотношением:

Т_1/2 = (3.2).

Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15 – 18 изотопов конечный продукт – радиогенный свинец.

Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементам. У них Т_1/2 > 10⁸лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т_1/2 = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т_1/2 = 3,82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

(3.3).

Калий ( К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Искусственная (наведенная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением.

γ-кванты – электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженныеα- и β-частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 10¹⁸ Гц). Проникающая способность квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах, в том числе в горных породах, излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

Фотоэффект – γ–кванты взаимодействуют с электронной оболочкой атома:

E = hν – E₀ (3.4),

где h = 6,62 Дж*с, ν – частота электромагнитных колебаний, E₀ – энергия связи электрона в атоме. Процесс идет при Е< 0,5 МэВ. Сильная зависимость от Z.

Комптоновский эффект – γ- кванты взаимодействуют с электронами, передавая им часть энергии, а затем испытывая многократные рассеяния. Процесс идет в основном при 0,2< Е< 3 МэВ, именно в области спектра первичного измерения.

Процесс образования электронно-позитронных пар сводится к возникновению последних из фотонов в поле ядер атомов и происходит при энергии Е> 1,02 МэВ.

Таким образом, при различных энергиях γ- кванты взаимодействуют преимущественно с различными мишенями: атомами, электронами, атомными ядрами (рис.3.2).

Рис. 3.2. Спектр многократно рассеянного γ- излучения

Главное значение имеет комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (J_γγ) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше J_γγ. В частности, для моноэлементной среды справедлива формула:

(3.5), где

n_e – число электронов в единице объема, N_A – число Авогадро, A – массовое число, Ζ – порядковый номер, δ – плотность.

Так как, условие устойчивости атомных ядер требует:

А = N + P = N + Ζ = 2Ζ (3.6), где

N и P – число нейтронов и протонов в ядре,

то из формул 75 и 76 получаем:

, (3.7).

Единицами измерения радиоактивности являются:

1) Беккерель (Бк), 1Бк = 1 расп/с – системная единица,

2) Кюри (Ки) - внесистемная единица, где 1 Ки = 3,7*10 Бк,

3) Удельная массовая активность Бк/кг – системная единица,

4) Удельная объемная активность Бк/м³ – системная единица,

5) Мощность экспозиционной дозы (А/кг) – системная единица,

6) Микрорентген в час (мкр/час) - внесистемная единица, Нейтронное излучение – возникает при фотоядерных реакциях путем взаимодействия α-частиц с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др.). Нейтроны, как и γ-кванты, являются электронейтральными частицами и из всех видов излучений обладают наибольшей проникающей способностью. Разделяются по энергетическому спектру в диапазоне энергий Е = 10⁷ – 10^-3 эВ на: быстрые промежуточные медленные резонансные надтепловые тепловые холодные.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами имеют место два основных, разделенных во времени, процесса: 1) замедление быстрых нейтронов (t < 10^-2 c), 2) диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c).

Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n-n, n-γ и др. типов (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Диаграмма процессов замедления быстрых и диффузии тепловых нейтронов