НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ІМ. С.І. СУББОТІНА

ВЕРПАХОВСЬКА ОЛЕКСАНДРА ОЛЕГІВНА

УДК 550.834

МІГРАЦІЙНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ПОЛЯ ЗАЛОМЛЕНИХ

ХВИЛЬ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ БУДОВИ

ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА

Спеціальність 04.00.22 – Геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі сейсмічної небезпеки

Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико – математичних наук

Пилипенко Віталій Миколайович

Інститут геофізики ім.С.І.Субботіна

НАН України

головний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

Тяпкін Юрій Костянтинович

Український державний геологорозвідувальний

інститут, м. Київ,

професор, керівник сектору.

доктор фізико-математичних наук

Стародуб Юрій Петрович

Інформаційно-аналітичний центр

Дочірнього підприємства “Науканафтогаз”

НАК “Нафтогаз України”, м. Львів,

завідувач відділу.

Провідна установа: Київський державний університет ім. Т. Шевченка,

геологічний факультет, кафедра геофізики, м. Київ.

Захист відбудеться “_14”_червня___2006 р. об_11.00 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 при Інституті

геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою:

03680, м. Київ-142, пр. Палладіна, 32.

Факс: (044) 450-25-20

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту геофізики

ім. С.І. Субботіна НАН України.

Автореферат розісланий “_12”__травня__2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор геологічних наук М.І. Орлюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Залучення заломлених хвиль до процесу обробки та інтерпретації сейсмічних матеріалів має свої переваги. По-перше, це можливість фіксації поля заломлених хвиль на значній відстані від джерела коливань без спотворень. По – друге, неспотворене хвильове поле дає можливість визначити з великим рівнем надійності тонкі особливості будови заломлюючого середовища, навіть за умов дуже розрідженої системи спостережень. Однак, прийоми обробки та інтерпретації поля заломлених хвиль не набули такого розвитку і досконалості, як це має місце для методу відбитих хвиль. В повній мірі це стосується і застосування найбільш важливих процедур обробки спостереженого хвильового поля – міграційних перетворень. Специфіка методу заломлених хвиль потребує вдосконалення відомих способів міграції, а також створення нових підходів до обробки сейсмічної інформації.

Дана робота присвячена розвитку теорії та практики застосування двох типів міграції поля заломлених хвиль: кінематичної, яка використовується для визначення глибинного положення заломлюючої границі та швидкості на ній і базується на продовженнях часового поля головних хвиль, та динамічної, яка спрямована на формування зображення всієї заломлюючої товщі порід та базується на комбінації продовжень часового та хвильового полів. При динамічній міграції розглядаються проникаючі в заломлюючу товщу хвилі.

Однією з практичних задач, що вирішуються з використанням кінематичної міграції поля заломлених хвиль, є вивчення зони малих швидкостей (ЗМШ) для розрахунку статичних поправок у пошуковій сейсморозвідці методом спільної глибинної точки (МСГТ). Особливо важливою ця задача стала при використанні невибухових джерел збудження коливань. У зв‘язку з цим, представлена у роботі методика автоматичної обробки даних точкових зондувань з метою вивчення ЗМШ на даний момент набула особливої актуальності. За допомогою кінематичної міграції розраховуються дані про глибинне положення підошви ЗМШ та швидкість на ній, що дозволяє обчислювати поправки за ЗМШ.

В багатьох випадках виявляється недостатнім мати тільки параметри заломлюючої границі, які визначаються при кінематичній міграції. Для одержання більш повної інформації про заломлюючу товщу бажано використовувати динамічну міграцію. В результаті виконання процедури динамічної міграції лінія границі, яка була присутня при кінематичній інтерпретації, замінюється хвильовим зображенням всієї заломлюючої товщі. Розроблений В.М. Пилипенком метод динамічної міграції поля заломлених хвиль є єдиним у світовій практиці. Розвиток динамічної міграції поля заломлених хвиль затримувався як обмеженістю теоретичних розробок в цьому напрямку, так і недостатньою потужністю комп’ютерних технологій. У зв‘язку зі значним розвитком останніх, актуальною стала розглянута в дисертаційній роботі задача вдосконалення алгоритму, програмних реалізацій та методики застосування динамічної міграції поля заломлених хвиль для обробки даних, отриманих в умовах розрідженої системи спостережень та значної диференціації швидкості в середовищі.

Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Всі дослідження автора виконувалися в рамках робіт за темами відділу теоретичних проблем прикладної геофізики (до 2004 року) та відділу сейсмічної небезпеки ІГФ НАНУ “Розробка нових ефективних способів моделювання, обробки, інтерпретації сейсмічних даних з використанням чисельних продовжень хвильових та часових полів” (1996-2000рр. № держ. реєстрації 0196U009296. Виконавець.), “Формування зображень середовища, корекція та тривимірна обробка хвильового поля за довільними системами спостережень” (2001-2005рр. № держ. реєстрації. 0101U000669. Виконавець.) та “Вдосконалення методів перетворення хвильових полів при розв‘язанні актуальних задач пошуків родовищ корисних копалин в Україні” (2002-2006рр. № держ. реєстрації. 0102U002477. Виконавець.), яка входить до програми “Наукові основи мінерально-сировинної бази України”.

У 2002-2004 рр. автор була лауреатом стипендії Президента України.

Метою роботи є залучення міграційних перетворень поля заломлених хвиль до обробки сейсмічних даних для отримання детальної інформації про геологічну будову досліджуваного регіону. Об‘єктом досліджень у даній роботі є спостережене хвильове поле заломлених хвиль. Предметом досліджень є міграційні перетворення поля заломлених хвиль.

Основні задачі досліджень:

1. Аналіз існуючих методів міграційних перетворень і особливостей обробки та інтерпретації поля заломлених хвиль.

2. Залучення методу кінематичної міграції до визначення розташування заломлюючої границі та граничної швидкості за даними точкових зондувань.

3. Розробка алгоритму та пакету програм по автоматизації обробки даних точкових зондувань з урахуванням інтерактивності процесу та великих об‘ємів вхідної інформації.

4. Оцінка коректності застосування динамічної міграції до обробки поля заломлених хвиль.

5. Вдосконалення алгоритму та програмних реалізацій методу динамічної міграції поля заломлених хвиль з метою обробки даних в умовах суттєвої неоднорідності середовища.

6. Дослідження можливостей застосування нових методів та методик міграцій поля заломлених хвиль на модельних та реальних матеріалах.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Проведено аналіз існуючих методів міграції, які використовуються при обробці та інтерпретації спостережених хвильових полів.

2. Визначено область застосування міграційних перетворень поля заломлених хвиль.

3. Вперше розроблений універсальний метод обробки даних точкових зондувань з залученням кінематичної міграції поля заломлених хвиль, який передбачає інтерактивність процесу та великі об‘єми вхідної інформації.

4. Доведена можливість коректного використання заломлених хвиль при обробці сейсмічних даних методом динамічної міграції.

5. Розроблена та впроваджена методика динамічної міграції поля заломлених хвиль, в якій використовується повнохвильове продовження поля. Нова методика дозволяє обробляти дані, які отримано в складних сейсмогеологічних умовах.

6. Доведена ефективність використання міграції поля заломлених хвиль на модельних та практичних прикладах.

7. Вперше досліджені особливості застосування міграції поля заломлених хвиль в різних сейсмогеологічних умовах і вироблені відповідні методичні рекомендації.

Достовірність та обґрунтованість наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується теоретичною базою досліджень, перевіркою коректності сформульованих задач, апробацією на модельних та практичних матеріалах, а також успішним використанням отриманих результатів на виробництві.

Практична цінність. Автором розроблено теоретичний базис, складено алгоритми та написано програми кінематичної міграції поля заломлених хвиль. Розроблений спеціальний пакет програм автоматичної обробки даних точкових зондувань впроваджено в виробничу експлуатацію в Комплексній геофізичній партії Київської геофізичної розвідувальної експедиції ДГП “Укргеофізика” для обробки матеріалів профільних та площинних спостережень МСГТ.

Розроблено алгоритм та написано програми повнохвильового продовження поля для динамічної міграції поля заломлених хвиль. Доведена ефективність використання міграції поля заломлених хвиль при регіональних дослідженнях в складних сейсмогеологічних умовах. Досліджено особливості застосування міграції поля заломлених хвиль на модельних та практичних прикладах. За одержаними результатами вироблені відповідні методичні рекомендації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення досліджень доповідалися на наступних наукових конференціях: Міжнародна конференція “50 лет ГСЗ: прошлое, настоящее и будущее”, Россия, г. Москва, 1999; Третьи геофизические чтения им. В.В. Федынского, Россия, г. Москва, 2001; 7-а Міжнародна конференція “Нафта і газ України 2002”, м. Київ, 2002; Пятые геофизические чтения им. В.В. Федынского, Россия, г. Москва, 2003; EGS-AGU-EUG Joint Assembly, France, Nice, 2003; Міжнародна конференція “Научное наследие академика Г.А.Гамбурцева и современная геофизика”, Россия, г. Москва, 2003; Шестые геофизические чтения им. В.В. Федынского, Россия, г. Москва, 2004; European Seismological Commission XXIX General Assembly, Germany, Potsdam, 2004; Міжнародна наукова конференція “Сейсмические исследования земной коры”, Россия, г. Новосибирск, 2004; Научно-практическая конференция “Новые методики и технологии геофизических исследований на основе комплексирования методов и взаимодействия полей”, Россия, г. Москва, 2005.

Публікації. Результати досліджень опубліковано в 6 статтях та 10 тезах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновку та переліку використаної літератури. Загальний обсяг роботи 169 сторінок, 47 рисунків та 150 літературних джерел.

Особистий внесок автора. Автором особисто створено нову методику кінематичної обробки та інтерпретації даних точкових зондувань на основі розробленого методу кінематичної міграції поля заломлених хвиль, що базується на чисельному варіанті способу полів часу. Автором особисто розроблено блок-схему та алгоритм кінематичної обробки, що передбачає інтерактивний режим та великий об‘єм вхідного матеріалу [5]. Розробки реалізовано в спеціальному програмному пакеті, який орієнтовано на обробку даних точкових зондувань з метою вивчення ЗМШ. Програми успішно випробувано на модельних та практичних матеріалах сейсморозвідки.

Автором разом з науковим керівником Пилипенко В.М. удосконалено метод динамічної міграції поля заломлених хвиль шляхом використання повнохвильового варіанту продовження хвильового поля кінцево-різницевим методом та продовження часового поля на сітці, яка є ортогональною системою ізохрон та променів [4, 12]. Новий метод міграції дозволяє обробляти дані, отримані в районах зі складною сейсмогеологічною будовою та за умов розрідженої системи спостережень [1, 2, 14]. Автором особисто розроблено алгоритм методики та написано програми, які реалізують нову методику динамічної міграції поля заломлених хвиль. Розроблена методика особисто випробовувалася автором на модельних та практичних матеріалах [7, 8, 9, 10, 11]. На основі отриманих результатів автором складено методичні рекомендації щодо використання такого методу [3, 13] та досліджено його можливості при детальному вивченні глибинної будови геологічного середовища [6, 15, 16].

Автор висловлює найщирішу подяку своєму науковому керівникові доктору фіз.-мат. наук Пилипенко В.М. за постановку задач, необхідну підтримку, наукові консультації та постійну увагу під час підготовки роботи. Особливу подяку автор висловлює доктору фіз.-мат. наук Павленковій Н.І. (Росія, м. Москва) за надані первинні сейсмічні матеріали, дружнє ставлення та співавторство у публікаціях. Автор глибоко вдячна Шиманському Ю.В. за обговорення питань по обробці даних точкових зондувань та якісне тестуванні програм на виробництві. Окрему подяку автор висловлює співробітникам Комплексної геофізичної партії КГРЕ Сеневій І.І., Букалюк А.Є, Калініній Т.О., Ярош К.Т. за допомогу в опробуванні програм та дружню підтримку.

Автор глибоко вдячна кандидату геол.-мін. наук Будкевичу В.Б. та доктору фіз.-мат. наук Лосовському Є. К. за всесторонню допомогу під час підготовки дисертації, доктору фіз.-мат. наук Дядюрі В.О., провідному інженеру Ганієву О.З. та кандидату геол.-мін. наук Єгоровій Т.П. за необхідну підтримку та дружню допомогу.

Автор також глибоко вдячна директору Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАНУ, доктору фіз.-мат. наук, академіку НАНУ Старостенко В.І. за допомогу та підтримку протягом усього дослідницького періоду.

Особливо вдячна автор своїм рідним за їх розуміння, терпіння та необхідну підтримку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У “Вступі” викладено актуальність теми міграційних перетворень поля заломлених хвиль, наведена постановка задач та методи їх вирішення, сформульовано основні наукові та практичні досягнення, надані відомості про апробацію результатів досліджень.

У Розділі 1 “Міграція як процедура обробки та інтерпретації хвильового поля в сучасній сейсморозвідці” подано загальний огляд сучасних методів міграції. Приведено визначення та трактування міграції різними дослідниками.

Міграції як поля заломлених, так і поля відбитих хвиль поділяється на два основні типи: кінематична, в основі якої лежить інтерпретація годографів хвиль з використанням продовжень часових полів, та динамічна, яка формує зображення середовища і базується на продовженнях хвильових полів, або на комбінації продовжень часових та хвильових полів. Початок розвитку кінематичної міграції був покладений у 40-х роках двадцятого сторіччя Ризниченком Ю.В., який розробив спосіб полів часу. Хагедурн у 1954 році дав єдину теорію методів кінематичної міграції з використанням хвильових фронтів та годографів дифрагованих хвиль.

Початок розвитку динамічної міграції було покладено Ю.В. Тимошиним в 1960 році, коли він за допомогою трансформування сейсмічних записів в зображення геологічних середовищ на базі принципу Гюйгенса – Френеля та модифікації дифракційної формули Кірхгофа описав процедуру відтворення хвильових фронтів, зареєстрованих на сейсмограмах. Метод дифракційного трансформування виник та розвинувся на базі традиційних уявлень хвильової та геометричної сейсміки: методі полів часу, методі ізохрон відбиття, методі фіктивних джерел. Описані в літературі методи динамічної міграції орієнтовані на відбиті хвилі та чітко поділяються на інтегральні, які базуються на використанні інтегралу Кірхгофа, спектральні (або частотні), з використанням перетворень в частотну область (перетворення Фур‘є, Радона, Столта) та скінчено-різницеві. Іноді застосовуються комбінації цих методів. Скінчено-різницевий метод міграції вигідно вирізняється завадостійкістю та точністю відтворення особливостей будови геологічного середовища та не має обмежень відносно неоднорідності середовища.

Кінематична та динамічна міграції поля заломлених хвиль не набули такого широкого використання, як міграційні перетворення поля відбитих хвиль. Проте існує низка геологічних задач, де застосування методу заломлених хвиль має переваги. Прикладом такої задачі є вивчення верхньої частини розрізу з метою дослідження ЗМШ. Ефективним способом її стійкого та точного вирішення може бути кінематична міграція поля заломлених хвиль на базі скінчено-різницевого методу. Серед багатьох існуючих методів вивчення верхньої частини розрізу (зокрема ЗМШ) з залученням заломлених хвиль жоден не базується на теоретичних засадах скінчено-різницевих продовжень часових полів. Отже, розроблена автором даної роботи методика кінематичної обробки даних точкових зондувань для вивчення ЗМШ не має подібних в практиці.

Питання використання динамічної міграції поля заломлених хвиль (саме заломлених, а не головних) в літературі зовсім не висвітлено, що говорить про унікальність запропонованого Пилипенко В.М. методу динамічної міграції поля заломлених хвиль для вивчення глибинної будови геологічного середовища. Розроблена автором методика, яка базується на вказаному методі, та розглянуті в даній роботі проблеми, пов‘язані з її використанням, є актуальними, бо спрямовані на підвищення геологічної ефективності сейсмічних досліджень, та оригінальними, оскільки раніше ніким не були розглянуті.

Розділ 2 “Кінематична міграція поля заломлених хвиль” присвячений залученню методу кінематичної міграції поля заломлених хвиль, створенню алгоритму та методики обробки даних точкових зондувань з метою вивчення ЗМШ, розробці відповідних програм та перевірці методики на модельних та практичних прикладах. Присутність в верхній частині розрізу ЗМШ призводить до запізнення хвилі на хвильовому полі. Величина цього запізнення різна і залежить від змін товщини та швидкості ЗМШ. Уникнути спотворень спостереженого годографу дозволяє внесення поправок за ЗМШ.

Вивчення ЗМШ є однією з прикладних задач, яку необхідно вирішити при проведенні профільної або тривимірної сейсморозвідки. Для вирішення цієї задачі проводять додаткові спостереження: це можуть бути профільні спостереження, або точкові зондування, які мають більш спрощену схему порівняно з першими та вимагають значно менших витрат.

В багатьох випадках при обробці даних точкових зондувань необхідно провести аналіз вихідного матеріалу та проміжних результатів, змінити параметри обробки під час роботи програм, що не враховано в існуючих методиках. Тому виникла необхідність в розробці спеціальної методики, в якій процес кінематичної обробки даних точкових зондувань був би інтерактивним та в якій було б враховано великий об‘єм вихідного матеріалу, що характерно для даних тривимірної сейсморозвідки. Автором було розроблено алгоритм обробки даних точкових зондувань та програми, які реалізують нову методику і повністю відповідають згаданим вимогам.

Необхідно відмітити, що розроблена методика з використанням кінематичної міграції поля заломлених хвиль розрахована на різні схеми точкових спостережень та може застосовуватись не лише при обробці даних точкових зондувань, а, з деякими змінами, і інших сейсмічних спостережень.

Однією із складових методики обробки даних точкових зондувань є кінематична міграція. Основу розрахунків кінематичної міграції складають продовження часових полів двох зустрічних годографів з відомою швидкістю в покриваючій товщі, які базуються на чисельному варіанті методу полів часу. Метод полів часу дозволяє виконувати точні, в рамках можливостей геометричної сейсміки, розрахунки граничних швидкостей та побудови складних за будовою заломлюючих границь. Відомо три варіанти методу полів часу: графічний, променевий та чисельний. Чисельний варіант, запропонований В.М. Пилипенком, базується на продовженнях часового поля в середовищі шляхом вирішення рівняння ейконалу скінчено-різницевим методом.

Часове поле характеризує скалярна функція , яка визначає час приходу фронту сейсмічної хвилі в будь-яку точку простору . Продовження часового поля полягає в визначенні величини для деякої двомірної області середовища, яка характеризується заданим розподілом швидкості , якщо відомі значення на деякій лінії .

Скінчено-різницеве продовження часового поля базується на сітковому вирішенні рівняння ейконалу, яке описує поведінку фронту хвилі в просторі та часі, або визначає поведінку лінії рівних фаз: . Розрахунок ведеться з використанням спеціального виду косокутної сітки.

Визначити часове поле в деякій області середовища означає вирішити задачу Коші для рівняння ейконалу з початковою умовою, в якості якої розглядається годограф, заданий на лінії : .

Різницеве рівняння продовження часового поля має вигляд

де - мале зміщення по x, відхилення від нормалі; - крок сітки по осі x; - крок по осі z; - значення швидкості в вузлі сітки; - постійна величина, яка визначає співвідношення кроків сітки; ; ; .

Описана схема використовується для продовження зустрічних часових полів.

Принципове значення при оцінці різницевої схеми має дослідження її степені апроксимації та стійкості, а, відповідно, точності. Доведено квадратичну апроксимацію різницевого вирішення рівняння ейконалу. Фізична суть отриманої оцінки стійкості відповідає необхідності знаходження в межах різницевого сіткового шаблону променя, що приходить в розрахунковий вузол сітки.

Кінематична міграція дозволяє отримати значення глибинного положення підошви ЗМШ та граничних швидкостей. Маючи ці параметри можна розрахувати поправки за ЗМШ [5].

Автором розроблено алгоритм та складено блок-схему кінематичної обробки даних точкових зондувань, основними складовими яких є: 1) підготовка даних, тобто переведення їх у відповідний формат та попередня обробка (фільтрація, автоматичне регулювання підсилення та ін.); 2) кореляція годографів заломлених хвиль на спостереженому хвильовому полі; 3) побудова зведених годографів; 4) визначення взаємного часу; 5) розрахунок швидкості в покриваючому середовищі; 6) знаходження глибинного положення границі ЗМШ та граничної швидкості, або кінематична міграція; 7) розрахунок поправок за присутність у верхній частині розрізу ЗМШ. Автором створено спеціальний пакет програм, розрахований на обробку даних точкових зондувань, який враховує великий об‘єм вхідної інформації та працює в інтерактивному режимі. Програми працюють в діалоговому режимі, що дозволяє інтерпретатору обирати необхідний напрямок обробки даних. Результатом обробки є таблиця всіх розрахованих параметрів, а також графічне зображення границі заломлення, граничної швидкості та поправок за ЗМШ.

Проведено модельні експерименти з залученням розробленої методики обробки даних точкових зондувань. Було використано моделі двошарового середовища з границею заломлення різної будови. Результати підтверджують точність розрахунків за методикою, а також її працездатність в умовах різної будови підошви ЗМШ.

Методика кінематичної обробки даних точкових зондувань з урахуванням висновків, отриманих при моделюванні, та написані по ній програми успішно пройшли випробовування і застосовуються у Комплексній геофізичній партії Київської геофізичної розвідувальної експедиції ДГП “Укргеофізика” при обробці даних, отриманих при проведенні профільної та площинної сейсморозвідок.

У Розділі 3 “Динамічна міграція або формування зображення середовища за полем заломлених хвиль” розглянуто теоретичні основи динамічної міграції поля заломлених хвиль, питання, пов’язані з розробкою методики її застосування, наведені модельні та практичні приклади формування зображення середовища.

Кінематична міграція хвильового поля не дає повної інформації про досліджувану товщу, вона тільки дозволяє визначити глибинне положення границі та швидкість на ній. У випадку, коли необхідно вивчити локальні особливості будови середовища (порушення, зони виклинювання, складки, блоки і т.п.), необхідно залучати і динамічні характеристики хвильового поля (амплітуду, частоту, фазу та інші). Маючи спостережене хвильове поле, швидкісну модель середовища та результати кінематичної обробки (глибину залягання границі), можна відтворити зображення середовища з його внутрішніми границями та особливостями їх будови. Саме динамічна міграція (або формування зображення середовища) дозволяє вивчити окремі деталі будови геологічного об‘єкту. Динамічна міграція поля відбитих хвиль є однією з основних процедур сучасної обробки та інтерпретації сейсмічних даних, тоді як міграція поля заломлених хвиль у зв‘язку з неформальним підходом до її виконання не отримала широкого застосування. Однак, саме залучення поля заломлених хвиль до обробки сейсмічних даних в складних районах дослідження та при розріджених системах спостереження дозволяє отримати інформацію про будову геологічного середовища.

На відміну від відбитих хвиль, коли промінь має одну характерну точку – точку відбиття, промінь заломленої хвилі має дві характерні точки – точки заломлення. Ця обставина є основним ускладненням при проведенні процедури міграції поля заломлених хвиль, тому що порушується вимога коректності рішення – необхідність однозначності визначення точки заломлення. З метою вирішення проблеми неоднозначності досліджено вплив двох характерних точок заломлення на поведінку хвильового поля на інтервалі реєстрації коливань. Зроблено висновок, що для конструктивного вирішення питання неоднозначності формування зображень за кінематикою заломлених хвиль необхідно перемістити джерело коливань з поверхні у точку фіктивного джерела заломленої хвилі, яка розташована на заломлюючій границі і відповідає точці переходу хвилі з покриваючої товщі у заломлюючу. Розглядаючи шлях заломленої хвилі, що починається від цього джерела, ми маємо справу лише з однією характерною точкою на промені – точкою, що відповідає виходу променя із заломлюючої товщі. Таким чином, задача формування зображення заломлюючої границі за моментом виходу хвилі із заломлюючого середовища вирішується однозначно.

Розроблено алгоритм динамічної міграції поля заломлених хвиль. Формування зображення для окремого джерела коливань розпадається на два етапи: попередній та основний. На попередньому етапі пункт збудження коливань переноситься на заломлюючу границю в точку фіктивного джерела шляхом розрахунку часу проходження хвилі на цьому відрізку. На основному етапі виконується процедура формування зображення заломлюючої границі, яка складається зі зворотного продовження хвильового поля та прямого продовження часового поля. Часове поле продовжується з урахуванням швидкісної моделі, яка властива заломлюючій товщі, а хвильове поле продовжується в зворотному часовому напрямку зі застосуванням розподілу швидкості, властивому покриваючій товщі.

Часове поле визначає умову вибору амплітуд продовженого хвильового поля при формуванні зображень. Для різницевого наближення рівняння ейконалу використовується просторова сітка, що являє собою взаємо ортогональну систему ізохрон і променів, які відповідають точковому джерелу при лінійній зміні швидкості з глибиною z : , де - швидкість на денній поверхні, - константа. Якщо прийняти параметри променів і ізохрон в якості нової системи координат, то зв‘язок з декартовою системою визначається наступним чином :

а рівняння ейконалу в цій системі координат відповідатиме виразу :

Якщо доповнити це рівняння початковою умовою в джерелі, сформується задача прямого продовження часового поля в середовищі, яке описано координатними осями , .

Розрахунок часу ведеться на базових ізохронних рівнях за формулою

,

де .

Зворотне продовження хвильового поля є найбільш об’ємним елементом в обчислювальному процесі формування зображень. Для хвильового продовження скінчено–різницевим методом використовується спеціальна просторово-часова косокутна сітка, яка передбачає продовження хвильового поля з швидкісною редукцією, що дозволяє значно скоротити об‘єм обчислень.

Хвильове поле описується функцією , яка відповідає розподілу амплітуд коливань в двомірному середовищі. Його поведінку характеризує скалярне хвильове рівняння: . Спочатку застосовувалось однонаправлене продовження хвильового поля на косокутній просторово-часовій сітці. Але, як показала практика, в умовах значної диференціації швидкості в покриваючій товщі необхідно відмовитись від спрощеного одностороннього продовження хвильового поля. Відповідно з цим хвильове рівняння трансформується за допомогою заміни системи координат: , де - швидкість редукції.

З урахуванням нових координат хвильове рівняння буде мати вигляд:

Квадратичним скінчено-різницевим наближенням даного диференційного рівняння є

,

де – одиничний оператор; - постійна величина, що забезпечує стійкість різницевого розв'язку;

; ; ;

; .

Різницеве рівняння є неявним при розрахунку значення хвильового поля в окремому вузлі сітки. Для його економічного розв‘язку необхідно застосувати розщеплення оператора

,

, де – проміжна сіткова функція.

Система рівнянь, початкові та крайові умови:

; ;

,

складають змішану задачу зворотного продовження часового поля в паралелепіпеді . Дана схема передбачає, що система рівнянь вирішується на кожному часовому кроці косокутної просторово-часової сітки методом прогонки – вздовж осі та осі на сіткових шаблонах. Умовою стійкості розрахунків за цією схемою є нерівність: . Параметр повинен бути вибраний згідно з виконанням цієї нерівності.

Доведено коректність та точність математичних розрахунків по запропонованій методиці.

Проаналізовано відмінності між міграцією поля відбитих та заломлених хвиль [3]:

- міграцією поля відбитих хвиль можливо формування зображення всього сейсмічного розрізу, тоді як міграція за полем заломлених хвиль визначає лише окрему границю заломлення;

- для міграції поля заломлених хвиль використовуються дві функції швидкості – окремо для покриваючої та заломлюючої товщ, а для формування зображення за полем відбитих хвиль достатньо лише однієї функції швидкості, яка характеризує весь розріз;

- області хвильового поля, які необхідно включити в процес міграційних перетворень для відбитих та заломлюючих хвиль, різні. При використанні поля відбитих хвиль чим більше час зареєстрованого відбиття, тим глибше сейсмічний горизонт, який з цим відбиттям пов‘язаний. У випадку заломлених хвиль, як правило, чим далі від джерела, тим глибше горизонт, з яким пов‘язана хвиля заломлення;

- умовою отримання повноцінного результату міграцією за полем відбитих хвиль є використання системи багатократних перекриттів. Заломлені хвилі, як правило, реєструються в зоні відсутності регулярних завад, а тому можуть використовуватись з мінімальним перекриттям зображень від окремих пунктів збудження.

Принциповим питанням при вивченні особливостей будови геологічного середовища є оцінка роздільної здатності міграційних перетворень. У випадку застосування міграції рефрагованих хвиль мова йде про мінімальні розміри об‘єктів на заломлюючій поверхні, які можуть бути відтворені шляхом трансформації спостереженого хвильового поля. Було виконано наближену оцінку роздільної здатності міграції за полем рефрагованих хвиль. Роздільна здатність тим вища, чим більша різниця між швидкостями в покриваючій та в заломлюючій товщах.

Міграція поля заломлених хвиль потребує крім спостереженого хвильового поля визначення додаткових параметрів, до яких відносяться глибина границі поблизу джерела збудження та швидкості окремо для покриваючої та заломлюючої товщ. Розглянуто вплив зміни значень цих параметрів на результат міграції та можливості їх корекції [3, 2].

Випробування методу динамічної міграції поля заломлених хвиль провадилась на матеріалах досліджень ГСЗ за проектами DOBRE, CINCA, MONA LISA та RAPIDS [1-4, 6]. На основі аналізу результатів модельних та практичних випробувань можна стверджувати, що розроблений новий метод динамічної міграції поля заломлених хвиль придатний для обробки даних, отриманих в складних сейсмогеологічних умовах при наявності різкої диференціації швидкості в середовищі.

Первинні сейсмічні матеріали по проектам CINCA, MONA LISA, MAMUT та RAPIDS отримані завдяки співробітництву з Об‘єднаним інститутом фізики Землі РАН (Москва, Росія) та Інститутом геофізики Гамбурзького університету (Гамбург, Німеччина).

ВИСНОВКИ

Дана робота присвячена дослідженням в області теоретичного обґрунтування, програмно - методичної реалізації та практичного застосування міграційних перетворень поля заломлених хвиль. Міграція поля заломлених хвиль є новим напрямком в обробці та інтерпретації даних сейсморозвідки. Завдяки їй доведена можливість розширення сфери використання методу заломлених хвиль для вирішення прикладних геолого-геофізичних задач.

Проведений аналіз літературних джерел охоплює всю історію розвитку методу заломлених хвиль і підтверджує оригінальність та пріоритетність виконаних досліджень.

До основних теоретичних досягнень можна віднести:

- досліджено можливість залучення методу кінематичної міграції, що базується на скінчено-різницевих продовженнях часових полів, до визначення будови заломлюючої границі та граничної швидкості за даними точкових зондувань;

- досягнуто квадратичну апроксимацію різницевого вирішення рівняння ейконалу та доведено його стійкість;

- розроблено універсальний метод кінематичної обробки даних точкових зондувань довільної схеми спостережень для задачі дослідження ЗМШ;

- доведено можливість коректного використання міграційних перетворень поля заломлених хвиль за умови перенесення джерела збудження на границю заломлюючої товщі;

- розроблено новий підхід до виконання динамічної міграції за полем заломлених хвиль на основі повнохвильового продовження поля, який дозволяє вивчати глибинну будову районів зі значною диференціацією швидкісної функції;

- досліджено особливості виконання динамічної міграції поля заломлених хвиль в порівнянні з міграцією поля відбиттів;

- розроблено оригінальний алгоритм динамічної міграції поля заломлених хвиль;

- досліджено вплив зміни параметрів динамічної міграції поля заломлених хвиль на зображення границі та доведено можливість виконання їх корекції.

В процесі виконання програмної реалізації та створення методики застосування міграційних перетворень для вирішення конкретних задач обробки та інтерпретації даних сейсмічних досліджень було:

- розроблено методику кінематичної обробки даних точкових зондувань та програми для її реалізації з метою вивчення ЗМШ. Інтерактивність процесу обробки дає можливість інтерпретатору вносити корективи в параметри безпосередньо під час роботи програм. Випробовування розробленого методу на модельних та практичних матеріалах показали його дієздатність в різних умовах спостережень точковими зондуваннями. На даний час пакет програм обробки даних точкових зондувань використовується в Київській геофізичній розвідувальній експедиції;

- розроблена та перевірена на великому об‘ємі матеріалів сейсмічних досліджень ГСЗ методика динамічної міграції поля заломлених хвиль, в якій використовується повнохвильове продовження поля для обробки даних, отриманих в складних сейсмогеологічних умовах. Отримані в результаті міграції зображення глибинної будови надають можливість проведення більш детальної та об‘єктивної інтерпретації сейсмічних матеріалів, що знайшло своє відображення у ряді вітчизняних та закордонних публікацій;

- за результатами випробування динамічної міграції поля заломлених хвиль на модельних та практичних матеріалах вироблено ряд методичних рекомендацій:

a) при проведенні сейсмічних спостережень необхідно уникати розміщення джерел збудження безпосередньо над порушеннями, якими ускладнена досліджувана границя;

b) спостереження доцільно виконувати в два етапи: спочатку з розрідженою системою для визначення будови середовища в цілому, а потім в тих місцях, де є невизначеність, або неякісне хвильове поле, проводити спостереження з більшою кількістю пунктів збудження, з тим, щоб можна було виключити з обробки недостатньо якісні дані;

c) з метою контролю коректності міграційного перетворення поля заломлених хвиль необхідно перевіряти співпадіння нахилу та глибини залягання двох зображень границі, отриманих для пунктів збудження коливань, розміщених з протилежних боків обраного інтервалу профілю;

d) до побудови зображення границі заломлення необхідно проводити аналіз усіх отриманих для окремих пунктів збудження міграцій та відбирати лише ті, на яких чітко виділяються деталі будови границі, присутні на інших зображеннях;

e) у випадку, коли в розрізі є декілька контрастних заломлюючих границь, необхідно окремо будувати міграційне зображення кожної і тільки після цього робити сумарний глибинний розріз;

f) при недостатній довжині профілю спостережень доцільно застосовувати комбінування методів міграції: зображення верхньої частини розрізу формувати міграцією поля заломлених хвиль, а нижню частину – міграцією поля відбитих хвиль.

Доведена на великому об‘ємі реальних матеріалів сейсмічних досліджень ефективність створених процедур міграції поля заломлених хвиль дозволяє намітити перспективу подальших досліджень у цьому напрямку. Зокрема, можна вирішувати задачу обробки даних точкових зондувань не лише за кінематичними, але і за динамічними параметрами хвильового поля. Це дозволить отримати більш повну інформацію про товщу ЗМШ. Крім того, можна розглянути вирішення інших задач інженерної та регіональної сейсміки за допомогою методу кінематичної міграції. Необхідно дослідити можливість розвитку методу для обробки та інтерпретації тривимірних спостережень поля заломлених хвиль.

Список опублікованих наукових праць

1. В.Н. Пилипенко, Н.И. Павленкова, У. Луосто, А.О. Верпаховская. Формирование изображений среды по сейсмограммам глубинного сейсмического зондирования. //Физика Земли – 1999 – №7-8 – С. 164-176.

2. А.О. Верпаховская, В.Н. Пилипенко. Формирование изображений среды по записям преломленных и закритических отраженных волн. //Сб. трудов Третьих геофизических чтений им. В.В. Федынского – М.: Научный мир – 2001 – С.343-346.

3. В.Н. Пилипенко, А.О. Верпаховская. Особенности миграционного преобразования поля рефрагированных волн. // Геофиз. журн. – 2003 – №1 – С.42-55.

4. В.Н. Пилипенко, Я. Макрис, Х. Тибо, А.О. Верпаховская. Возможности применения миграции рефрагированных волн. // Физика Земли – 2003 – №6 – С.94-101.

5. А.О. Верпаховская, В.Ю. Шиманский. Исследование зоны малых скоростей обработкой данных точечных зондирований с использованием численного метода полей времен. // Геофиз. журн. – 2005 – №5 – С.895-901.

6. В.М. Пилипенко, О.О. Верпаховская. Формування зображення сейсмічного середовища з використанням поля рефрагованих хвиль.// Збірник наукових праць УкрДГРІ – Київ – 2005 – №3 – С.64-70.

7. В.Н. Пилипенко, Н.И. Павленкова, А.О. Верпаховская. Формирование изображений среды по сейсмограммам глубинного сейсмического зондирования. // Тезисы докладов Международной конференции “50 лет ГСЗ: прошлое, настоящее и будущее”. – Москва – 1999 – С.40.

8. В.Н. Пилипенко, А.О. Верпаховская. Формирование изображений среды по записям преломленных и закритических отраженных волн. // Тезисы докладов третьих геофизических чтений им. В.В. Федынского – Москва – 2001 – С.52-53.

9. В.М. Пилипенко, О.О. Верпаховська. Міграція рефрагованих хвиль у пошуковій сейсморозвідці. // Тези доповідей 7-ї Міжнародна конференція “Нафта і газ України 2002” – Київ – 2002 – С.219-221.

10. Пилипенко В.Н., Макрис Я., Х. Тибо, А.О. Верпаховская. Изучение кристаллического фундамента и верхней части коры методом миграции рефрагированных волн. // Тезисы докладов пятых геофизических чтений им. В.В. Федынского – Москва – 2003 – С.33.

11. Pilipenko V.N., Pavlenkova N.I., Verpakhovska A.O. Methods of refraction and wide angle reflection migration. // Abstracts of EGS-AGU-EUG Joint Assembly – Nice – France – 2003 – vol.5 – 03486.

12. Пилипенко В.Н., Павленкова Н.И., Гизе П., Верпаховская А.О. Построение волновых разрезов по данным ГСЗ.// Тезисы конференции “Научное наследие академика Г.А. Гамбурцева и современная геофизика” – Москва – 2003 – С.51-52.

13. Верпаховская А.О., Пилипенко В.Н., Павленкова Н.И. Новые возможности формирования изображений среды по полю рефрагированных волн при интерпретации материалов ГСЗ. // Тезисы докладов шестых геофизических чтений им. В.В.Федынского – Москва – Россия – 2004 – С.11.

14. Pilipenko V.N., Verpachovskaja A.O., Giese P., Pavlenkova N.I. Migration of wide angle reflections and refractions.// Abstracts of European Seismological Commission XXIX General Assembly – Potsdam – Germany – 2004 – pp.27.

15. В.Н. Пилипенко, Н.И. Павленкова, А.О. Верпаховская. Формирование волновых изображений земной коры по полю рефрагированных и закритических отраженных волн ГСЗ. // Тезисы докладов Международной научной конференции “Сейсмические исследования земной коры”. – Новосибирск – Россия – 2004 – С.382-384.

16. Пилипенко В.Н., Верпаховская А.О. Особенности миграции поля преломленных волн и область ее возможного применения // Тезисы докладов научно-практической конференции “Новые методики и технологии геофизических исследований на основе комплексирования методов и взаимодействия полей”. – Москва – Россия – 2005 – С.45-48.

АНОТАЦІЯ

О.О. Верпаховська “Міграційні перетворення поля заломлених хвиль для визначення будови геологічного середовища”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 – геофізика. – Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України, Київ, 2006 р.

Дисертаційна робота присвячена задачам застосування кінематичної та динамічної міграції поля заломлених хвиль при обробці та інтерпретації сейсмічних спостережень. Розроблено універсальну методику обробки даних точкових зондувань з залученням кінематичної міграції для вивчення ЗМШ. Кінематична міграція базується на скінчено-різницевих продовженнях часових полів чисельним варіантом методу полів часу за зустрічною системою годографів. Створено алгоритм та написано спеціальний пакет програм, який реалізує дану методику. Програми працюють в ітерактивному режимі та розраховані на великий об‘єм вхідних даних. Методику апробовано на модельних та практичних матеріалах.

Запропоновано новий підхід до виконання динамічної міграції поля заломлених хвиль в умовах значної неоднорідності швидкісної характеристики середовища, що базується на повнохвильовому продовженні поля. Розроблено алгоритм та написані програми, які перевірені обробкою великого об‘єму модельних та реальних матеріалів. Розглянуто відмінності в виконанні процедури динамічної міграції за полем заломлених та відбитих хвиль. За результатами випробування динамічної міграції поля заломлених хвиль на модельних та практичних матеріалах вироблено ряд методичних рекомендацій.

Ключові слова: заломлені хвилі, зона малих швидкостей, міграція, глибинне сейсмічне зондування, продовження часового поля, продовження хвильового поля, метод полів часу, скінчено-різницевий метод.

ABSTRACT

A.O. Verpakhovska. Refraction migration for determination of structure of geological environment - Manuscript.

A dissertation for the scientific degree of candidate of Physical and Mathematical Sciences in speciality 04.00.22 – geophysics. S.I. Subbotin Institute of Geophysics of Ukrainian National Academy of Sciences, Kiev, 2006.

The dissertation is devoted to the tasks of application of kinematics and dynamic refraction migration for processing and interpretation of seismic data. The universal method of processing of points soundings data is developed with using in of kinematics migration for the study of