Сейсмические процессы и их разведка

Интенсивное развитие инструментальной базы наблюдательной сейсмологии, которое имеет место в течение последних десятилетий, позволили существенно расширить спектр упругих колебаний, которые регистрируются при сейсмических событиях. Так, в данный период времени уверенно регистрируются собственные колебания планеты, собственные колебания тектонических плит и длиннопериодные (до 200 - 300 сек и, по-видимому, более) колебания при землетрясениях. При этом методами длиннопериодной сейсмологии оказывается возможным с большой разрешающей способностью выполнять амплитудно - частотный анализ колебаний в широком спектре частот. Данные способы регистрации ианализа, в частности, и позволили выявить мультиплетный характер движений при некоторых важнейших толчках довольноинтенсивных землетрясений и показать довольно сложное строение их очагов. Попытка классификации причин и условий появления медленных («молчаливых», «безмолвных» и т.д.) землетрясений и крипа, проведенная в работе, практически ставит данные события в один ряд явлений с собственными колебаниями Земли. Для объяснения цикличности сейсмического процесса предложена простая модель, в основе которой заложены представления о винтовой дислокации в упругой среде. Объяснение цикличности сейсмического процесса дается и в рамках клавишной модели, в которой сейсмофокальные блоки слабо связаны друг с другом. Стоит также заметить и то, что общепринятые в данное время модели очага землетрясения не в состоянии дать физически обоснованное объяснение отмечавшейся выше связи между сейсмичностью и режимом вращения планеты.[4]

Как видим, модель очага землетрясения, которая должна соответствовать  концепции волнового сейсмического процесса тектонической природы. В то же время, во-первых, обязана быть в состоянии описывать «элементарные» источники упругих колебаний, размеры которых лежат в широком диапазоне от очагов крупнейших землетрясений (первые сотни - тысяча километров) и их объединений в виде островных дуг (первые тысячи километров) до сейсмических поясов (десятки тысяч километров) и, по-видимому, всей планеты в целом. И, во-вторых, иметь геометрию, которая отлична от плоской.  В связи с этим, волновому сейсмическому процессу обязана соответствовать новая, которая отлична от общепринятых «плоских», модель очага землетрясения, физическое содержание которой находится таким свойством сейсмического процесса, как дальнодействующий характер взаимодействия «элементарных» сейсмофокальных объемов.  Выявили такое свойство сейсмических поясов, как  seismicgaps - места, в пределах которых землетрясения с довольно большой магнитудой не происходили в течение многих десятков - первых сотен лет. При этом концепция seismicgap оказалась довольно плодотворной для целей долгосрочного прогноза мест очагов крупнейших землетрясений и оправдываемость данного прогноза для островных дуг и континентальных окраин Тихого океана оказалась довольно высокой, не менее 70-90%.[5]

Анализ некоторых из приведенных выше результатов исследований привел М. Бота - автора одного из первых обзоров по проблеме прогноза землетрясений, к выводу о существовании между землетрясениями крупномасштабной связи, исследование которой необходимо проводить в рамках всей планеты, представляющей собою, т.о., единую напряженную систему. Миграционные цепочки М.Ботом отождествляются с волнами вполне определенной природы, по сути, как теперь уже ясно - тектонической. При этом им отмечено, что в случае, если известно значение скорости миграции, то можно с достаточно высокой точностью предсказать время последующих землетрясений в цепочке.  Высокое значение оправдываемости указывает на то, что долгосрочный прогноз является более детерминированным, чем статистическим, а заложенные в его основе закономерности сейсмичности (т. е. seismicgap) - адекватными. Концепции seismicgap и очага сильнейшего землетрясения, по сути, являются близкими. Поэтому представляется, что установленное на практике свойство «адекватности», с математической точки зрения, может указывать на принципиальную возможность разрешимости проблемы прогноза землетрясений в рамках волновой  модели сейсмического процесса. Физическое описание процесса при переходе на новый масштабный уровень его рассмотрения часто сопровождается появлением качественно новых представлений. Например, переход к системе, которая содержит большое число частиц, как известно, может сопровождаться появлением новых своеобразных статистических закономерностей, которые не удается свести к чисто механическим. В этой связи при разработке планетарной модели сейсмического процесса, которая включает большое число «элементарных» сейсмофокальных объемов - очагов землетрясений, и ее осмыслении имеет смысл поискать и иные подходы к построению новой механики очага землетрясения. Исследование временных и пространственных закономерностей сейсмичности, которые связаны с моментами сильнейших землетрясений и местами расположения их очагов, привело к возникновению концепции сейсмических брешей. Оказалось, что базирующийся на данной концепции долгосрочный сейсмический прогноз крупнейших землетрясений для островных дуг и континентальных окраин Тихого океана имеет оправдываемость, значение которой составляет 70-90%. Такое высокое значение оправдываемости указывает на то, что долгосрочный прогноз является более детерминированным, чем вероятностным. Другими словами, заложенная в основе такого прогноза закономерность, по сути, является фундаментальной и может использоваться в качестве инструмента, позволяющего исследовать физику сейсмического процесса.[3]

Класс сильнейших землетрясений. Получившая экспериментальное подтверждение гипотеза С.А.Федотова о закономерном распределении очагов сильнейших землетрясений - их «не пересечении» в течение сейсмического цикла, позволяет предположить существование вполне определенного класса сейсмических событий. Для определения нижней магнитудной границы был проведен анализ с использованием данных о землетрясениях северо-западной окраины Тихого океана, включающей Японскую, Курило-Камчатскую и Алеутскую островные дуги общей протяженностью около десяти тысяч километров.  Имеется такое значение магнитуды МSP, в малой окрестности которого взаимное расположение афтершоковых областей обладает следующей особенностью: у афтершоковых областей землетрясений с М ≥ МSP имеется тенденция не перекрывать друг друга, в то время как афтершоковые области землетрясений с М < МSP почти полностью находятся внутри афтершоковых областей наиболее сильных событий. Особенные значения магнитуд для разнообразных районов рассматриваемого региона оказались близкими друг другу и равными: М(J)SP = 7,5 - для Японии, М(Kur)SP = 7,9 - для южных Курил, М(Kam)SP = =7,6 - для северных Курил - Камчатки и М(Al)SP = 7,9 - для Алеутских островов - южной Аляски. В целом, для северо-западной окраины Тихого океана значение особой магнитуды является равным:  МSP = 7,7 ± 0,2,  (1) где индекс «SP» обозначает, что соответствующее значение оказывается особенностью пространственного распределения. Землетрясения с М ≥ МSP в дальнейшем буду называть сильнейшими.[1]

Класс сильных землетрясений. Анализ сейсмичности показывает, что сейсмическая активность афтершоков и форшоков в эпицентральных областях сильнейших Курило-Камчатских землетрясений с М ≈ 8 имеет локальный минимум. Существование сейсмических затиший физически вполне очевидно. Из общих соображений, которые основанных на теории прочности, ясно, что эпицентр оказывается физически объяснимой точкой, в окрестности которой сбрасываемые при землетрясении напряжения достигают наибольших значений.

С применением сейсмологического материала Камчатки показано, что минимум сейсмической активности (сейсмические дыры) как закономерное явление имеется в эпицентральных областях всех землетрясений энергетических классов К ≥ Кsp = 12,5 (M ≥ Msp = 5,3),   (2) которые названы сильными.  Области сейсмического затишья в эпицентральных областях достаточно сильных землетрясений выделены во всех сейсмических регионах планеты независимо от уровня их активности. Это указывает на то, что существование класса сильных землетрясений является достаточно общим свойством сейсмического процесса. (Отметим, что индекс «sp» в (2) отмечен обычными буквами, в то время как индекс «SP» в (1) – заглавными).

 

2. Сейсмическая разведка. Основы метода. Применение

 

Сейсмическая разведка (Рисунок 1) основывается на применении закономерностей распространения в земной коре искусственно создаваемых упругих волн. Волны создаются одним из следующих способов:

1) взрывом специальных зарядов в скважинах глубиной до 30 м;

2) вибраторами;

3) преобразователями взрывной энергии в механическую.

 

Рисунок 1— Принципиальная схема сейсморазведки

1 — источник упругих  волн; 2 — сейсмоприемники; 3 — сейсмостанция

Скорость распространения сейсмических волн в породах разнообразной плотности неодинакова: чем плотнее порода, тем быстрее проникают сквозь нее волны. На границе раздела двух сред с разнообразной плотностью упругие колебания частично отражаются, возвращаясь к поверхности земли, а частично преломившись, продолжают свое движение вглубь недр до новой поверхности раздела. Отраженные сейсмические волны улавливаются сейсмоприемниками. Расшифровывая затем полученные графики колебаний земной поверхности, исследователинаходят глубину залегания пород, отразивших волны, и угол их наклона.[1]

В твердом теле при внезапном приложении силы возникают упругие колебания, или волны, которые называют сейсмическими, сферически распространяющиеся от источника возбуждения. Сведения о внутреннем строении Земли получают по результатам анализа времен пробега сейсмических волн от источника колебаний к регистрирующим устройствам (времена пробега волн зависят от плотности среды на их пути). Сейсмические волны генерируются или искусственными взрывами в неглубоких скважинах, или с помощью механических вибраторов. В морской сейсмике для возбуждения сейсмических волн используется пневмопушка. Применяются также эхолотные излучатели упругих колебаний большой мощности, электроискровые разряды и другие средства. Направленные вниз генерируемые волны, достигая геологической границы (т.е. пород, состав которых отличается от вышележащих), отражаются подобно эху. Регистрация этого "эха" детекторами называется методом отраженных волн. Преломляющиеся на геологической границе волны распространяются также и горизонтально (вдоль её поверхности) на большие расстояния, затем вновь преломляются, следуют к земной поверхности и регистрируются вдали от сейсмического источника. Регистрация сейсмических волн ведется чувствительными приборами сейсмоприемниками, или геофонами, которые располагаются на земной поверхности или в скважинах на определённом расстоянии от места возбуждения волн. Геофоны преобразуют механические колебания грунта в электрические сигналы. При морских исследованиях для регистрации сейсмических волн используются детекторы давления, называемые гидрофонами. Упругие колебания записываются в виде трассы на бумаге, магнитной ленте или фотопленке, а в последнее время обычно на электронные носители. Интерпретация сейсмограмм позволяет измерить время прохождения волны от источника до отражающего слоя и обратно к поверхности с точностью до тысячных долей секунды. Скорость сейсмических волн зависит от упругости и плотности среды, в которой они распространяются. В воде она составляет ок. 1500 м/с (продольные волны), в неконсолидированных песках и почвах, содержащих воздух в поровых пространствах, – 600-1500 м/с, в твердых известняках – 2700-6400 м/с и в наиболее плотных кристаллических породах до 6600-8500 м/с (в глубинных слоях Земли до 13 000 м/с).[4]

Отражение. При использовании метода отраженных волн регистрация осуществляется набором геофонов, равномерно располагающихся на земной поверхности на одной линии с источником возбуждения. Обычно используется 96 групп геофонов, каждая из которых насчитывает от 6 до 24 соединенных вместе приборов. Поскольку известны расстояние до геофона и скорость распространения сейсмических волн в изучаемых породах, по временам пробега волн можно рассчитать глубину отражающей границы. Путь волны может быть описан в виде двух сторон равнобедренного треугольника (так как угол падения равен углу отражения), а глубина отражающего слоя соответствует его вершине. Суммарная длина сторон такого треугольника равна произведению времени прохождения волны и её скорости. Глубины поверхности отражения рассчитываются в пределах достаточно обширной площади, что позволяет проследить конфигурацию пласта, обнаружить и нанести на карту соляные купола, рифы, разломы и антиклинали. Любая из этих структур может оказаться нефтяной ловушкой.

Преломление. Методом преломленных волн исследуются литология и глубина залегания горных пород, а также конфигурация залежей и геологических свит. Он используется и при инженерно-геологических изысканиях, в гидрогеологии, морской и нефтяной геологии. Сейсмические волны возбуждаются близ земной поверхности, а детекторы, регистрирующие преломленные волны, расположены на земной поверхности на некотором расстоянии от источника колебаний (иногда удаленном на многие километры). Первой достигает детектора та преломленная волна, которая следовала по кратчайшему пути от источника к приемнику. По годографу (графику времени прихода первого импульса волн к сейсмоприемникам, расположенным на разных расстояниях от источника) определяют скорость распространения волн, а затем вычисляют глубину залегания преломляющей поверхности.[3]

Сейсмическая разведка применяется в ходе поисково-разведочных работ, а также при бурении скважин и их исследовании.

Поисковые работы направлены на обеспечение необходимых условий для прироста разведанных запасов нефти и газа. Он разделяется на стадию выявления и подготовки объектов для поискового бурения и стадию поиска месторождений (залежей) нефти и газа.

Стадия выявления и подготовки объектов для поискового бурения.

На этой стадии создается фонд перспективных локальных объектов и определяется очередность их ввода в глубокое бурение.

Геофизическими методами (чаще всего сейсморазведкой) ведутся работы на отдельных площадях в пределах нефтегазоперспективных зон и зон нефтегазонакопления с целью:

- выявления условий залегания и других геолого-геофизических свойств нефтегазоносных и нефтегазоперспективных комплексов;

- выделения перспективных ловушек;

- выбора, объектов и определения очередности их подготовки к поисковому бурению;

- выбора мест заложения поисковых скважин на подготовленных объектах.[5]

Стадия поиска месторождений (залежей).

Объектами работ на этой стадии являются ловушки, подготовленные для поискового бурения. Основанием для постановки поискового бурения служит наличие подготовленной к нему структуры (ловушки).

Задачи на этой стадии сводятся к:

- выявлению в разрезе нефтегазоносных и нефтегазоперспективных комплексов залежей нефти и газа;

- определению геолого-геофизических свойств (параметров) горизонтов и пластов;

- выделению, опробованию и испытанию нефтегазонасыщенных пластов и горизонтов, получению промышленных притоков нефти и газа, установлению свойств флюидов и фильтрационно-емкостных характеристик пластов;

- подсчету запасов открытых залежей.

Стадия поиска месторождений (залежей), а вместе с ней и поисковый этап завершается или получением первого промышленного притока нефти и газа, или обоснованием бесперспективности изучаемого объекта.[2]

Разведочный этап.

Объектами работ на этом этапе служат открытые месторождения и выявленные залежи. В процессе проведения работ решаются следующие задачи:

- установление основных характеристик месторождений (залежей) для определения их промышленной значимости;

- определение фазового состояния УВ залежей;

- изучение физико-химических свойств нефти, газов, конденсатов в пластовых и поверхностных условиях, определение их товарных качеств;

- установление типа коллекторов и их фильтрационно-емкостных характеристик;

- установление типа залежей;

- определение эффективных толщин, значений пустотности, нефте-газонасыщенности отложений;

- установление коэффициентов продуктивности скважин;

- подсчет запасов;

- разделение месторождений на промышленные и непромышленные;

- выбор объектов и этажей разведки, выделение базисных залежей и определение очередности проведения на них опытно-промышленной эксплуатации и подготовки к разработке.

Таким образом, применением сейсморазведки на разведочном этапе решается общая задача подготовки промышленных месторождений (залежей) к разработке.[1]