* * *
В техническом отношении сейсморазведка является наиболее сложным видом геофизических исследований. Это связано, в основном, с двумя обстоятельствами: в каждой точке наблюдения на профиле необходимо возбуждать достаточно интенсивные колебания, обеспечивающие глубинность разведки в несколько километров, и при каждом положении пункта возбуждения необходимо вести прием упругих волн, как правило, одновременно во многих пунктах наблюдения (от 24 до 96 и более).
Собственно сейсмическая аппаратура включает в себя источник (источники) упругих волн; устройства, воспринимающие упругие колебания и преобразующие их в электрические, — сейсмоприемники в наземной сейсморазведке и пьезоприемники (гидрофоны) — в морской; сейсмостанцию, представляющую собой многоканальный регистратор, управляющий включением источника и обеспечивающий точный отсчет времени от момента включения источника до конца записи упругих колебаний. Сейсмостанции имеют в своем составе миникомпьютеры и периферийные устройства, объединенные в единый аппаратурный комплекс.
Источником упругих волн может являться любое устройство, позволяющее в заданный момент времени осуществить механическое воздействие на незамкнутую или замкнутую поверхность упругой среды. Простейшим видом источника упругих волн является молот, которым ударяют по поверхности земли или стенке горной выработки. Источник упругих волн в общем случае состоит из трех элементов: накопителя энергии (механической, химической, электрической, тепловой); устройства, позволяющего в заданный момент времени преобразовать накопленную энергию в механическое воздействие на упругое тело; рабочего органа, с помощью которого осуществляют это механическое воздействие. Реальные источники воздействуют на площадки упругого тела, размеры которых не превышают в большинстве случаев 1–2 м2.
По характеру поверхности, на которую воздействуют механические силы, все источники можно разделить на две группы: погружные источники, действующие на замкнутую поверхность внутри среды; поверхностные, действующие на разомкнутую поверхность (на свободную поверхность земли, стенку горной выработки, шурфа, скважины). Погружные источники генерируют преимущественно продольные волны, поверхностные источники — одновременно продольные и поперечные волны. По величине накапливаемой энергии источники подразделяют на маломощные — энергия изменяется от десятков до 104 Дж, средней мощности — от 104 до 106 Дж и мощные — от 106 до 109 Дж и более. По продолжительности воздействия на упругое тело все источники также разделяют на импульсные, время воздействия которых на среду изменяется от 0,1 · 10–3 до 0,1 с, и квазинепрерывные, время воздействия которых изменяется от 2–3 до 20 с и более.
Конструкция и технические параметры определяют только потенциальную эффективность того или иного источника. Интенсивность, форма импульса, состав возбуждаемых волн (доля продольных и поперечных) зависят от условий возбуждения. Условия возбуждения определяются качеством контакта рабочего органа с породой и упругими свойствами среды вблизи источника. В зависимости от условий возбуждения интенсивность возбуждаемых источником волн может изменяться в тысячи раз. В наземной сейсморазведке в настоящее время наиболее широко применяют три вида источников: конденсированные взрывчатые вещества (ВВ); установки газовой детонации; вибросейсмические платформы. Меньшее применение имеют устройства, использующие свободно падающий груз.
Источники на основе ВВ используют в основном в погружном варианте. Заряд массой от 100 г до нескольких килограммов (цилиндрические или призматические заряды) помещают в скважину, наполненную водой. Заряд снабжают электродетонатором, подрыв которого по команде с сейсмостанции в заданный момент времени обеспечивает взрыв всего заряда. Образующийся при взрыве газ имеет высокую температуру и давление в сотни и тысячи мегапаскалей. Под действием этого давления стенки полости, образующейся при взрыве, смещаются, воздействуя на окружающую среду. Использование ВВ при взрыве на свободной поверхности резко снижает эффективность возбуждения и применяется в исключительных случаях.
Установки газовой детонации (УГД) используют для возбуждения упругих волн газовзрывную смесь, заполняющую цилиндр с подвижной нижней стенкой — поршнем или диафрагмой. Такой цилиндр прижимают к поверхности автомашиной, на которой смонтирован источник. В заданный момент времени по команде с сейсмостанции газ поджигают и происходит его взрывообразное сгорание, при котором объем газа резко возрастает. Газ под большим давлением резко давит на поршень или мембрану и, поскольку движение цилиндра вверх затруднено инертной массой автомобиля, давление передается на грунт в место его контакта с рабочим органом газовзрывного источника.
Источники типа «вибросейс» возбуждают квазинепрерывные колебания. Генерация волн обеспечивается за счет знакопеременных сил, действующих по нормали к поверхности контакта. Вибросейсмический источник представляет собой металлическую платформу, прижимающуюся к поверхности земли автомобилем, на котором смонтирована вся установка. Масса такой установки достигает 17–20 т, что обеспечивает хороший контакт платформы с грунтом. С помощью гидравлического привода в рабочий цилиндр платформы нагнетают масло так же, как это происходит в гидравлическом домкрате, и шток цилиндра заставляет смещаться прикрепленную к нему платформу. Объем масла в рабочем цилиндре то увеличивают, то уменьшают, при этом платформа либо давит на грунт, либо отжимается деформированным грунтом вверх, и нагрузка на грунт изменяется относительно статической, возникающей под действием массы автомобиля. При этом период «сжатие — разрежение» (движение вниз-вверх) плавно изменяют — от высокой частоты к низкой или наоборот. Время действия источника типа «вибросейс» (интервал времени от начала колебаний платформы до окончания) составляет 10–20 с, а частоту, с которой движется платформа, изменяют от нескольких до 100 Гц.
Источник типа падающего груза используют в основном при разведке, не требующей большой глубинности, чаще всего при решении инженерно-геологических задач. Такой источник представляет собой подъемник, который поднимает груз массой несколько сотен килограммов на высоту в 6–8 м. По команде с сейсмостанции держатель груза раскрывается и груз начинает падать. Момент его касания земли отмечается специальным устройством и передается как отметка момента возбуждения на сейсмостанцию.
При сейсмических работах на акваториях наиболее широко применяют пневматические и электроискровые источники.
Пневматические источники представляют собой толстостенные камеры, в которые под давлением в 10–15 МПа закачивают воздух. Накапливаемая таким образом энергия определяется давлением воздуха и объемом камеры (обычно 0,5–30 л). С помощью специальных клапанов по команде с сейсмостанции камера вскрывается, и воздух с большой скоростью выталкивается из нее в воду. Образуется воздушная полость, стенки которой движутся с большой скоростью, создавая избыточное (относительно гидростатического) давление в примыкающем к ней слое жидкости. Пневматические источники (пневмопушки) относятся к источникам средней мощности. Запасаемая в них энергия не превышает 200–300 кДж.
В электроискровых источниках используют электрическую энергию, запасаемую на конденсаторах. Собственно источником служат два электрода, которые в заданный момент времени подключают к высоковольтным (10–15 тыс. вольт) конденсаторам, и в воде происходит высоковольтный электрический разряд, такой же, как при грозе происходит в воздухе. Примыкающая к электродам жидкость превращается в перегретый пар, образуется парогазовая полость, давление внутри которой достигает сотен и тысяч мегапаскалей при температуре в несколько тысяч градусов. Движение стенок этой полости далее происходит в общих чертах так же, как и в воздушной полости при использовании пневмопушки. Электроискровые источники относятся к маломощным. Запасаемая в них энергия, как правило, не превосходит 100 кДж.
Для эффективного использования тех или других источников их необходимо погружать в водную толщу на глубину порядка 1/4 длины волны центральной частоты в спектре возбуждаемого сигнала. В силу того что при работе на акваториях источник погружают в водную толщу, являющуюся по сравнению с породами верхней части разреза практически идеально-упругой и идеально-однородной средой, идентичность возбуждаемых колебаний оказывается значительно более высокой, чем у наземных источников.
Погружные и поверхностные источники имеют свои преимущества и недостатки. Преимуществом погружных является то, что они практически не возбуждают поверхностные волны и обладают высоким коэффициентом полезного действия. Для таких источников можно обеспечить достаточно хорошие условия возбуждения, помещая их в скважинах на нужной глубине в консолидированных породах. Недостатком является то, что при использовании погружных источников необходимо вести бурение, что удорожает разведку, увеличивает время ее проведения и возможно далеко не всегда. Преимуществом поверхностных источников является то, что при их использовании отпадает надобность в бурении скважин, нагрузки на грунт при их действии относительно невелики и поэтому их можно использовать при работах вблизи населенных пунктов и промышленных объектов, включая городские территории. Недостатком является более низкий, чем у погружных, коэффициент полезного действия, зависимость интенсивности и формы возбуждаемых волн от условий возбуждения — строения и свойств грунта у поверхности Земли, высокий уровень возбуждаемых такими источниками поверхностных волн.
В наземной сейсморазведке наблюдения ведут в большинстве случаев на свободной поверхности Земли, поэтому приход упругих волн к поверхности вызывает ее движение, которое необходимо воспринять и преобразовать в изменение электрического напряжения. Преобразование механических колебаний в электрическое напряжение осуществляют с помощью сейсмоприемника — электродинамического устройства, представляющего собой инертную массу, подвешенную на пружине, которая жестко связана с корпусом приемника. При движении корпуса инертная масса стремится остаться в положении покоя, что вызывает растяжение или сжатие пружины. В качестве инертной массы используют цилиндрическую катушку индуктивности, витки которой пронизываются полем постоянного магнита, вмонтированного в корпус приемника. Общий вид и устройство сейсмоприемников приведены на рис. 4.12.
Рис. 4.12. Внешний вид и устройство сейсмоприемников:
а — вертикального; б — горизонтального; в — устройство вертикального сейсмоприемника:
1 — корпус; 2 — электромагнит; 3 — катушка; 4 — штырь; 5 — клеммы
Установленный на грунт сейсмоприемник совершает колебания в такт с колебаниями грунта, корпус смещается относительно катушки, и за счет этого изменяется магнитный поток, проходящий через ее витки. На зажимах катушки наводится ЭДС, пропорциональная по закону индукции скорости смещения корпуса сейсмоприемника относительно катушки. Поскольку перемещение поверхности есть вектор, можно раздельно регистрировать вертикальную и горизонтальную его составляющие. Для этого сейсмоприемники конструируют так, чтобы катушка могла смещаться только по вертикали или только по горизонтали. Для улучшения контакта сейсмоприемника с почвой на нижнем его торце устанавливают заостренный стержень, заглубляемый в грунт.
Свойства сейсмоприемника как электромеханического преобразователя определяются его частотной характеристикой и чувствительностью. Частотная характеристика показывает, как изменяется напряжение на выходе сейсмоприемника в зависимости от частоты колебаний почвы, если скорость смещения задается в виде: U(t) = U0sin2πft, где f — частота; U0 —амплитуда скорости смещения (рис. 4.13). Значение нижней граничной частоты сейсмоприемника (fн) зависит от собственной частоты колебательной системы «инертная масса — пружина (f0)». По значениям f0 сейсмоприемники разделяют на низкочастотные (5–10 Гц) и среднечастотные (15–30 Гц). Чувствительность сейсмоприемников составляет (0,3–0,7) В/см. Как правило, сейсмоприемники имеют цилиндрическую форму с диаметром около 3 см, высотой примерно 10 см и массой 150 г.
Рис. 4.13. Частотная характеристика сейсмоприемника
Сейсмоприемники предназначаются для регистрации упругих волн, наблюдаемых одновременно на различных удалениях от пункта возбуждения. Для того чтобы можно было точно определить истинную разность времен прихода одних и тех же волн к различным пунктам наблюдения, необходимо, чтобы все сейсмоприемники передавали колебания Земли без искажения их формы и без временнЫх сдвигов (задержек). Отсюда возникают высокие требования к идентичности сейсмоприемников, совпадению их частотных характеристик. От каждого установленного на профиле сейсмоприемника электрическое напряжение подводят к входу сейсмостанции с помощью двух проводов, подсоединяемых к двум клеммам сейсмоприемника. Образующийся при использовании сейсмоприемников жгут проводов — многопроводной кабель — называют сейсмокосой. Длина сейсмокосы может достигать 3 км и более. Частотные характеристики сейсмоприемников определяют лишь их потенциальные возможности. Реальный процесс преобразования зависит от условий установки, от силы сцепления сейсмоприемника с грунтом и упругих свойств грунта.
При сейсмической разведке на акваториях сложно или физически невозможно установить сейсмоприемники на дно. Упругие колебания в жидкости создают в ней избыточное относительно гидростатического давление. Если поместить в воде пустотелый герметичный цилиндр или шар, то приход волны будет отмечаться сжатием или растяжением, увеличением или уменьшением давления на его стенки. Из курса физики известно, что существует группа веществ, в которых под действием давления образуются заряды. Такие вещества называются пьезоэлектриками. Если пьезоэлектрик поместить между двумя металлическими поверхностями, образовав конденсатор, то при сжатии или изгибе такого элемента на обкладках конденсатора возникает напряжение. Этот эффект и используют при регистрации упругих волн в жидкостях и газах.
Устройства для приема упругих волн в морской сейсморазведке называют пьезоприемниками, или гидрофонами. Гидрофоны представляют собой, как правило, двойные цилиндрические пьезокерамические конденсаторы, реагирующие на всестороннее сжатие (рис. 4.14 а), или систему пьезокерамических пластин (рис. 4.14 б), реагирующих на изгиб при изменении гидростатического давления. Как и сейсмоприемники, гидрофоны имеют две выходные клеммы, соответствующие двум обкладкам конденсатора. Для того чтобы эти клеммы не оказались электрически соединенными между собой в морской воде, гидрофоны помещают в пластмассовые шланги и заливают изолирующей жидкостью. Систему, состоящую из шланга, наполненного маслом или дизельным топливом, с помещенными внутрь него гидрофонами, называют пьезокосой. Длина пьезокосы, как и сейсмокосы, может достигать 3 км при массе до 6 т. Пьезокосу собирают из секций, число которых равно числу пунктов наблюдения (числу каналов) — от 24 до 60. При проведении морских сейсморазведочных работ пьезокоса вместе с источником буксируются за судном на заданной глубине. Оптимальная глубина погружения источника и пьезокосы составляет 1/4 длины волны преобладающей гармоники сейсмического сигнала. Скорость буксировки составляет обычно 5–8 км/час.
Рис. 4.14. Внешний вид пьезоприемников:
а — пьезоприемник ПДС-21, реагирующий на сжатие пьезокерамических цилиндров;
б — пьезоприемник ПДС-7, реагирующий на изгиб пьезокерамических пластин
4.3.3. Интерференционные системы приема и возбуждения упругих волн
При использовании нескольких приемников (сейсмоприемников или гидрофонов) можно создать приемные системы, обладающие направленным действием, т. е. принимающие волны, идущие в одном направлении лучше, чем в другом. Такие системы, следовательно, могут подавлять волны, распространяющиеся в том или ином направлении. Принцип, используемый при создании направленных приемных систем, весьма прост: для этого суммируют напряжения с выходов приемников, расположенных в различных точках поверхности по одной линии (линейное группирование) или по площади (площадное группирование).
Для понимания того, каким образом достигается направленное действие группы приемников, рассмотрим линейную группу из п приемников, расположенных вдоль профиля с расстоянием между ними Δх (рис. 4.15). Если длина группы (база группирования) (L) невелика и в ее пределах фронт волны можно считать плоскостью, то импульс на выходе соединенных последовательно приемников будет представлять собой последовательность импульсов, поступающих с выхода каждого из приемников. ВременнЫе сдвиги между этими импульсами зависят только от расстояния между приемниками, угла падения и скорости волн. Когда угол падения равен нулю, волна подходит ко всем приемникам одновременно и напряжение на выходе группы становится в п раз больше, чем на выходе каждого из приемников. Если же задержка превышает длительность импульса в регистрируемой волне, то амплитуда сигнала на выходе группы будет равна амплитуде импульса на выходе каждого из приемников, но общая длительность сигнала на выходе группы будет больше длительности импульса в регистрируемой волне. Таким образом, амплитуда, форма и длительность сигнала на выходе группы зависят от угла подхода волны к приемникам и формы импульса в падающей на поверхность волне.
Рис. 4.15. Последовательность подхода фронта волны
к приемникам линейной группы
Этот же принцип используют и для создания направленных источников упругих волн из многих точечных источников. Для этого создают группу, в которой п источников с шагом между ними Δх располагают по линии или по площади. При одновременном срабатывании всех источников группы максимальная интенсивность возбуждаемых волн будет наблюдаться в тех точках среды, к которым волны подходят одновременно и усиливают друг друга. Для линейной группы это происходит в направлении нормали к центру линии группирования. Для того чтобы максимум излучаемой энергии направить в ином направлении, необходимо, чтобы источники срабатывали последовательно с постоянной задержкой друг относительно друга.
Смещения почвы в точках установки сейсмоприемников и давления в воде, вызываемые упругими волнами, очень малы. Соответственно малы и напряжения, возникающие на выходе приемных устройств. Естественные помехи при малом их уровне создают напряжение в несколько микровольт, при большом — до десятков микровольт. Зарегистрировать такие колебания в форме, подходящей для дальнейшего изучения, например, на осциллографе, невозможно. Кроме того, естественные помехи имеют разную интенсивность в различных частях частотного диапазона, часто сильные помехи возникают из-за электрических наводок от линий электропередач с частотой 50 Гц. Эти колебания затрудняют выделение полезных волн, и от них надо избавляться до регистрации волн.
Сейсмостанция представляет собой многоканальный усилитель, снабженный фильтрами, к выходу которого подсоединяют многоканальное регистрирующее устройство, позволяющее запомнить колебания, воспринятые каждым из приемников, и проконтролировать процесс записи волн непосредственно в ходе полевых работ. Сейсмостанции характеризуют канальностью — числом регистрируемых каналов; собственным уровнем шумов, т. е. шумами, которые создает сама усилительная аппаратура; полосой пропускания, задаваемой, как и в технике звукозаписи и звуковоспроизведения, нижней и верхней граничными частотами (fн, fв); динамическим диапазоном, определяющим максимально возможные амплитуды сигналов, при которых регистрация будет вестись без искажения; входным сопротивлением усилителей, максимальным коэффициентом усиления усилителей и их идентичностью.
Все современные сейсмостанции относятся к классу цифровых сейсмостанций. В цифровых сейсмостанциях сигналы записываются в цифровом виде, т. е. измеряют непрерывно изменяющийся сигнал с интервалом времени Δt (шагом дискретизации) и записывают полученное значение двоичным кодом. До взятия цифровых отсчетов сигнал подвергают минимально возможным обработкам. Диапазон частот ограничивается полосой (5–10)–(125–250) Гц. При длительности записи (Т) число отсчетов составляет T/Δt. Особенностью цифровой записи является то, что значение верхней граничной частоты полосы пропускания жестко связано с шагом дискретизации Δt соотношением fв = 1/4Δt. Лишь в этом случае дискретное представление не искажает исходный сигнал. В большинстве современных цифровых сейсмостанций Δt не превышает 1–2 мс. Цифровые сейсмостанции позволяют записывать сигналы, амплитуды которых изменяются в 107–108 раз (динамический диапазон — 140–160 децибел).
Непрерывному сигналу после дискретизации (превращения его в последовательность дискретных отсчетов) соответствует набор чисел, записанных двоичным кодом на какой-либо носитель информации (жесткий диск компьютера, компакт-диск и т. п.). Эта информация в дальнейшем подвергается объемной и весьма сложной обработке с использованием самых современных компьютеров, рабочих станций и специализированного программного обеспечения. Все сейсмостанции снабжены устройствами, позволяющими вырабатывать команды (электрические сигналы), управляющие моментом срабатывания источника, и устройством, с помощью которого момент подачи команды к источнику фиксируют на сейсмической записи в виде отметки момента возбуждения (взрыва). С этого момента запись сигналов, поступающих от приемников на вход сейсмостанций, ведется параллельно с записью марок времени — периодического сигнала с точной частотой. При цифровой записи сигнал стабильной частоты управляет устройством дискретизации сейсмического сигнала. Таким образом, современные цифровые сейсмостанции — это по существу специализированные компьютеры с большим числом входов.
Для визуального анализа получаемых данных записи каждого из приемных каналов представляют в графическом виде. Зарегистрированный в каждой точке приема сигнал U(t) — это напряжение, изменяющееся во времени. Визуализировать сигнал как функцию времени можно различными способами. Основными являются три — способы отклонений, переменной ширины и переменной плотности. Иногда применяют и смешанные способы (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Способы изображения сейсмического сигнала:
а — способ отклонений; б — способ переменной ширины;
в — способ переменной плотности; г — смешанный способ
Для визуализации по способу отклонений сигнал изображают в виде графика в прямоугольной системе координат, по оси абсцисс которой откладывают время, а по оси ординат — величину напряжения. В способе переменной ширины сигнал изображается однополярным с заливкой относительно нулевой линии. В способе переменной плотности величина напряжения управляет плотностью потемнения вдоль оси времени так, как это делается при формировании телевизионного изображения: оно составлено из строк, в пределах которых изменяется яркость, передавая распределение освещенности объекта вдоль горизонтальных линий. В смешанном способе сигнал изображается с заливкой значений одного знака.
Сигнал, поступающий от каждого из приемников, записывается, начиная с момента возбуждения. Этот момент принимают за начало отсчета данной записи (условный нуль на оси времени). Запись одного канала длительностью Т называют сейсмотрассой. Для того чтобы волны, отраженные от одной и той же границы или преломленные на одной и той же границе, создавали картину, удобную для выявления регулярности в изменении интенсивности и времен прихода в зависимости от положения приемника относительно источника, сейсмотрассы располагают специальным образом: в плоскости 0xz прямоугольной системы координат так, чтобы начало отсчета всех сейсмотрасс находилось на оси 0х, направленной горизонтально вдоль профиля наблюдений, а сейсмотрассы — вертикально вниз. Положение начальной точки каждой сейсмотрассы на оси 0х в заданном масштабе должно совпадать с положением приемника на профиле. Совокупность расположенных указанным образом сейсмотрасс называют сейсмограммой.
Цифровые многоканальные станции — это сложные электронные приборы, транспортировку которых осуществляют с помощью автомашин. Исключение составляют портативные сейсмостанции для разведки на малых глубинах. Цифровые станции требуют для своей работы определенных температурных режимов. Питание сейсмостанции осуществляется с помощью батарей аккумуляторов. Цифровые сейсмостанции устанавливают в специальных кузовах на мощных автомобилях или тягачах и вездеходах.
Сейсмостанции, применяемые при сейсмической разведке на акваториях, отличаются от станций для наземной сейсморазведки только тем, что они хорошо защищены от влаги.
Состав вспомогательного оборудования, используемого в сейсморазведке, изменяется в широких пределах в зависимости от района работ и способов возбуждения упругих волн. В большинстве случаев в него входят: буровые установки для бурения на глубины до 30–50 м; автомобили-водовозы, снабжающие буровую установку промывочной жидкостью; тракторы или автотягачи, если сейсмостанция смонтирована на несамоходном шасси; взрыв-пункт, радиостанция для связи с взрыв-пунктом и базой экспедиции; автомашина для транспортировки приемной установки, длина которой может достигать нескольких километров; передвижные устройства для размещения обслуживающего персонала. При проведении работ на акваториях вспомогательное оборудование включает в себя специальную лебедку для намотки и смотки пьезокосы и подъемные устройства для опускания за борт источников упругих волн и такелажа, обеспечивающего буксировку пьезокосы и источников в воде.