Введение к работе
Актуальность тем.ы. Многоволновые сейсмические исследования и в частности многоволновая сейсморазведка к настоящему времени доказали полезность и необходимость применения для решения задач "большой" и разведочной геофизики. В основе многоволнового подхода лежит использование волн разной поляризации: продольных, поперечных и обменных - для проведения того или иного исследования или выполнения разведочных работ. Новым в многоволновой сейсмике является привлечение поперечных волн (поперечных на всем пути распространения или на его части), поскольку до конца 1950-х годов сейсморазведка и активные методы изучения Земли были основаны главным образом на использовании продольных волн.
Экспериментальные исследования поляризации обменных и поперечных волн, выполненные в начале 1960-х годов показали, что она имеет аномальный характер и не может быть объяснена на основе имевшихся тогда представлений о строении и свойствах среды. Формирование не противоречащих экспериментам представлений о свойствах среды, приводящих к "аномальной" поляризации поперечных волн, и о возможностях их описания в рамках различных моделей происходило на протяжении всего тридцатилетнего периода фаз-вития многоволновой сейсморазведки и являлось предметом исследований автора данной диссертации.
Адекватные представления о поляризации поперечных волн необходимы для решения буквально всех задач, связанных с применением поперечных волн, начиная от кинематической интерпретации,дополняющей данные по продольным волнам относительно геометрии границ и распределения скоростей, и кончая использованием самих характеристик поляризации. Последнее очень существенно, ибо содержит в себе большие потенциальные возможности получения принципиально новой информации о геологической среде.
Параметры поляризации характеризуют свойства симметрии среды. Так в азимутально анизотропных средах направления векторов смещений поперечных волн являются направлениями ориентации систем вертикальных трещин. В гиротропных средах, которые вводятся в данной диссертации, параметры поляризации могут быть источником сведений о строении геологической среды на микроуровне, характеризуя диссимметрию её свойств, связанную с определенными услови-
ями осадконакопления. Изучение зависимостей между характеристиками поляризации поперечных волн и свойствами геологической среды приведет к расширению круга задач, решаемых сейсморазведкой.
Цель работы- изучение пространственной поляризации обменных и поперечных волн по экспериментальным данным и путем математического моделирования;поиск и построение моделей, в рамках которых возможно наиболее адекватное описание наблюдаемой в экспериментах поляризации обменных и поперечных волн, в частности больших побочных компонент смещений,соизмеримых с основными.
Основные задачи исслед о в а н и й. . I. Создание комплекса алгоритмов для математического моделирования трехмерных полей смещений сейсмических волн в лучевом приближении:
построение алгоритмов расчета лучей в трехмерных слоисто-однородных изотропных и анизотропных средах для вычисления в- нулевом лучевом приближении полей смещений объемных волн;
исследование свойств построенных алгоритмов расчета лучей и разработка методики их применения;
установление связи - на основе построенных алгоритмов - между принципом Ферма и законом Снеллиуса в общем случае (для слоисто-однородных изотропных и анизотропных сред).
J 2 . Исследование трехмерных полей смещений обменных и поперечных волн, зарегистрированных в экспериментах и рассчитанных лучевым методом для различных моделей изотропных и анизотропных сред, содержащих наклонные границы и наклонные оси анизотропии, не совпадающие с- нормалями к граничным поверхностям: -
анализ экспериментальных данных по поляризации обменных и поперечных отраженных волн, полученных в 1963-1978 гг. при наблюдениях в Прикаспийской впадине;
математическое моделирование распространения обменных и поперечных волн в изотропных средах с наклонными отражающими границами, включая случаи нарушения их системами малоамплитудных сбросов;
математическое моделирование распространения обменных и поперечных волн в азимутально анизотропных средах и анализ вычисленных волновых полей;
постановка задачи разделения интерферирующих волн в анизотропной среде.
3. Введение новой модели - гиротропной, в рамках которой возможно наиболее общее и адекватное описание поляризации поперечных волн:
построение тензора гирации, характеризующего (в первом при-, ближений) пространственную дисперсию упругих свойств среды;
анализ особенностей поляризации поперечных волн в гиротроп-ных средах;
определение гиротропных свойств реальных сред (по экспериментальным данным).
Научная новизна. Впервые были предложены и разработаны алгоритмы расчета лучей путем непосредственного использования принципа Ферма (оптимизация времени пробега по лучу).
Впервые были исследованы особенности пространственной поляризации обменных и поперечных волн в слоисто-однородных изотропных и анизотропных средах с наклонными границами и произвольно ориентированными осями симметрии; выявлены факторы, которые могут приводить к большим побочным компонентам смещений обменных и поперечных волн, наблюдаемым в экспериментах. Одновременно с иностранными авторами (и независимо) опубликованы постановка задачи разделения двух интерферирующих поперечных волн в азимутально анизотропной среде и первый алгоритм разделения.
Введена и обоснована новая модель - гиротропная, позволяющая учитывать (в первом приближении) пространственную дисперсию упругих свойств геологических сред. Начаты теоретические и экспериментальные исследования поляризации сейсмических волн в гиротропных средах.
Практическая значимость работы. Исследования по пространственной поляризации поперечных волн, выполненные автором диссертации, легли в основу многоволнового подхода к проведению сейсмических экспериментов и производственных работ (наряду с разработками других авторов по всем основным вопросам физики излучения и распространения поперечных волн). Полевые наблюдения, обработка и интерпретация получаемых данных проводятся на основе.сведений о поляризации поперечных волн. Параметры поляризации используются для решения обратных задач.
Алгоритмы и программы расчета- лучей и смещений в трехмерных изотропных и анизотропных слоисто-однородных средах имеют прямую практическую ценность. Разработана методика их применения. Алго-
ритмы и программы опубликованы и вследствие этого доступны любому пользователю. Они применяются как в Институте геофизики СО РАН, так и в других организациях.
Идея разделения двух поперечных волн, возникающих в азимутально анизотропных средах, нашла своё воплощение в алгоритмах и программах поляризационной обработки обменных и поперечных волн, которые разработаны С.Б.Горшкалевым для прямых волн, наблюдаемых в скважинах, и А.А.Никольским для отраженных волн.
Основные за.щищаемые положен и. я.
1. Непосредственное использование принципа Ферма (а не закона
Снеллиуса) для построения лучей при решении задач геометрической
сейсмики представляет собой как в вычислительном плане, так и
концептуально наиболее общий метод решения такого рода задач.
В случае слоисто-однородных сред необходимые условия стационарности времени пробега содержат в себе несколько возможностей решения, в зависимости от того, какие две точки на луче фиксируются. Задание координат, источника и приемника приводит к алгоритмам, получившим название оптимизационных или двухточечных. Задание координат источника и первой точки отражения-преломления сводит задачу построения луча к алгоритмам, являющимся аналогами параметрических алгоритмов.
Сочетание двухточечных и параметрических алгоритмов создает основу для высокоэффективных технологий расчета лучей.
2. Анализэкспериментальных данных и математическое моделиро
вание распространения обменных и поперечных волн в трехмерных
изотропных и анизотропных средах показывают, что причиной "ано-
мальной" поляризации поперечных волн, т.е. больших побочных ком
понент смещений, могут быть наклон границ раздела, наклон осей
анизотропии (относительно нормалей к границам раздела). При ма
лых углах наклона границ ( ^100) побочные компоненты смещений
в изотропных средах не могут быть большими. При наличии анизотропии побочные компоненты смещений также малы, если анизотропна среда ниже отражающей границы; если же среда выше отражающей границы является азимутально анизотропной (имеется горизонтальная или наклонная ось симметрии), побочные компоненты смещений могут стать соизмеримыми с основными и даже большими основных.
Для корректного использования поперечных волн необходимо учитывать возможное присутствие азимутальной анизотропии. Её пара-
метры могут стать источником важных сведений о среде.
Наличие заметных побочных компонент смещений поперечных волн в средах с полого залегающими слоями и в средах, не обладающих азимутальной анизотропией, заставляет предположить, что существуют какие-то другие, не видимые факторы, создающие аномальную поляризацию. Выдвигается гипотеза, что таким фактором может быть диссимметрия расположения или свойств упорядоченных элементов среды, имеющих размеры много меньше длины волны, т.е. слоев, зёрен, микронарушений и т.п. Интегрально такая среда описывается законом Гука с учётом пространственной дисперсии упругих свойств, в первом приближении - гиротропии. В гиротропной среде поляризация волн эллиптическая, а в энантиоморфных средах ("левых" или "правых") происходит вращение плоскости поляризации.
Таким образом, в общем случае обработка и интерпретация поперечных волн должны выполняться в модели анизотропной гиротропной среды.
Личный вклад автора. Большая часть представленных в диссертации исследований выполнена автором лично, некоторые исследования - совместно с другими авторами. Совместно с В.Ю.Гречкой проведено исследование многозначных волновых поверхностей в анизотропных средах. Совместно с С.Б.Горшкалевым предложен и разработан алгоритм поляризационного разделения поперечных волн в анизотропной среде. Расчеты, представленные в диссертации, выполнены либо лично автором либо под его руководством.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались автором на межведомственных научно-технических семинарах (г.Октябрьский, 1968;г.Саратов, 1974;г.Коканд, 1979) и Всесоюзном совещании по многоволновой сейсморазведке (г.Новосибирск,1985), на Международных рабочих совещаниях по сейсмической анизотропии (г.Суздаль,1982; г. Москва,1986),на Всесоюзном совещании по сейсмической анизотропии (г.Ялта,1984),на совместных семинарах Института геологии и геофизики СО АН СССР, Института физики Земли АН СССР, ИГИРГИ и ЦТЭ (г. Москва,1976),ВЦ СО АН СССР, Института геологии и геофизики СО АН СССР и других организаций (г.Новосибирск, 1978), на Международном совещании по ГСЗ (г.Новосибирск, 1990), на объединенных сейсмических семинарах Института геологии и геофизики СО АН СССР
в течение 1965-1992 гг.
Работа "Многоволновая сейсморазведка дня решения задач прогнозирования геологического разреза и прямых поисков залежей нефти и газа", выполненная при участии автора данной диссертации, в 1985 г. на конкурсе прикладных работ СО АН СССР была награждена дипломом первой степени. Цикл научных работ "Физико-геологические основы многоволновой сейсморазведки" в 1987 г. был удостоен Государственной премии СССР в области науки и техники (автор диссертации был в числе награжденных).
По теме диссертации опубликована 41 работа.
Объём и структура работы. Диссертация содержит 385 страниц машинописного текста (включая 16 таблиц), 58 рисунков и список литературы из 322 работ. Она состоит из введения, трех частей (часть I - главы 1,2; часть П - главы 3-5, часть III - главы 6,7) и заключения.
Работа по теме диссертации выполнялась в течение тридцати лет в коллективе специалистов по многоволновой сейсморазведке, возглавляемом академиком Н.Н.Пузыревым. При проведении исследований автор поддерживал тесные творческие контакты с А.В.Тригу-бовым, С.Б.Горшкалёвым, Г.Н.Лебедевой, Т.В.Нефёдкиной, Б.П. Сибиряковым, Г.В.Ведерниковым и другими сотрудниками Института геологии и геофизики и НПО "Сибнефтегеофизика".
Автор глубоко признателен Н.Н.Пузыреву и всем коллегам по работе.
Во введении освещаются основные черты многоволнового подхода к решению сейсмических задач, приводится краткая история развития многоволновых сейсмических исследований и выделяются проблемы и задачи, решавшиеся автором на протяжении тридцати лет развития многоволновой сейсморазведки и составившие предмет диссертации .
Часть I. Разработка способов расчета и создание комплекса программно-алгоритмических средств для математического моделирования трехмерных волновых полей в лучевом приближении
В части I диссертации представлены разработанные автором алгоритмы расчета лучей объемных волн в слоисто-однородных изо-
тропных и анизотропных средах. Эти алгоритмы лежат в основе алгоритмов расчета.смещений лучевым методом. Для решения задач, поставленных в диссертации исследования трехмерных полей смещений волн разной поляризации (продольных, поперечных, обменных), применялся лучевой метод; в большинстве случаев это единственно доступный метод расчета полей смещений в средах такой сложности. На момент начала исследований (1960-е годы) он был единственным методом расчета, достаточно разработанным для выполнения всевозможных расчетов, необходимых для решения исследовательских и разведочных задач..