Amplitud sísmica

(1) La importancia de estudiar la amplitud de las ondas sísmicas

La amplitud de las ondas sísmicas es una de las características dinámicas de las ondas sísmicas. El estudio de la amplitud de las ondas sísmicas es de gran importancia en la exploración sísmica. En el trabajo de campo de exploración sísmica, lo primero que se debe considerar es qué tipo de método de excitación se puede utilizar para generar ondas sísmicas potentes, qué tipo de método de recepción se debe seleccionar para que sea beneficioso para recibir la amplitud de las ondas sísmicas y suprimirla; de ondas de interferencia. En el diseño de sismómetros, es necesario considerar la amplitud real de las ondas sísmicas registradas y tratar de no producir distorsión de amplitud en el procesamiento digital. En la interpretación de la estructura de datos sísmicos, el signo de amplitud de la onda reflejada también se utiliza principalmente para el seguimiento del contraste de la capa reflectante. En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de punto brillante ha dado un nuevo significado a la amplitud de la onda de reflexión, que puede usarse como marcador para clasificar la litología y buscar yacimientos de petróleo y gas (el llamado punto brillante significa que la amplitud de la onda de reflexión es fuerte).

La práctica ha demostrado que desde la excitación, la propagación hasta la recepción, la amplitud de las ondas sísmicas se atenúa a medida que aumenta la distancia de propagación. Como resultado de la atenuación de la amplitud de las ondas sísmicas, la amplitud de las ondas de reflexión profunda es a menudo de cientos a decenas de miles de veces menor que la amplitud de las ondas de reflexión poco profundas y, a veces, ni siquiera se obtienen ondas de reflexión profunda. ¿Cuáles son los principales factores que provocan la atenuación de la amplitud de las ondas sísmicas? ¿Cómo afectan estos factores a la amplitud de las ondas sísmicas? Esto es lo que discutiremos a continuación.

(2) Principales factores que afectan la amplitud de las ondas sísmicas

Figura 1-5-8 Factores que afectan la amplitud

Desde la excitación y propagación hasta la recepción por nuestra parte , ondas sísmicas Su amplitud y forma de onda están sujetas a cambios. Hay muchos factores que afectan sus cambios, como se muestra en la Figura 1-5-8, que se pueden resumir en tres categorías principales. La primera categoría es la influencia de las condiciones de excitación, incluido el modo de excitación (explosión u otro), la intensidad de la excitación, la influencia de la excitación conjunta, las condiciones de acoplamiento entre la fuente sísmica y el suelo, etc. La segunda categoría es la influencia de las ondas sísmicas en el proceso de propagación, incluida la difusión del frente de onda, la absorción de la formación, el coeficiente de reflexión, la pérdida de transmisión, el ángulo de incidencia, las reflexiones múltiples, la conversión del tipo de onda y otras razones de atenuación. La tercera categoría es la influencia de las condiciones de recepción, incluida la corrección de las ondas mediante las características de frecuencia del detector, amplificador y registrador, el efecto combinado del detector y las condiciones de acoplamiento entre el detector y el suelo. Además, la curvatura y rugosidad de la interfaz reflectante también afectarán la amplitud de la onda sísmica. Las interfaces convexas en el subsuelo dispersan las ondas reflejadas y reducen su amplitud, mientras que las interfaces cóncavas tienen un efecto de enfoque y mejoran la amplitud de la reflexión. La rugosidad de la interfaz provoca dispersión, lo que debilita la amplitud. Discutimos principalmente el segundo tipo de factores directamente relacionados con la litología de las formaciones subterráneas, entre los cuales la difusión del frente de onda, la absorción de la formación, la pérdida de transmisión, el tamaño del coeficiente de reflexión y la dispersión de las ondas son los principales factores geológicos que afectan la atenuación de la amplitud de las ondas sísmicas.

1. Difusión del frente de onda

Durante el proceso de propagación de las ondas sísmicas, a medida que aumenta la distancia de propagación del frente de onda, su energía se dispersa en frentes de onda cada vez más grandes.

En un medio homogéneo, cuando la fuente es puntual, el frente de onda es esférico. A medida que aumenta la distancia de propagación, la superficie esférica se expande gradualmente; la energía total emitida por la fuente permanece sin cambios, la energía por unidad de área disminuye relativamente y la amplitud también se vuelve más pequeña. Esta es la difusión esférica de las ondas (difusión del frente de onda).

Supongamos que el frente de onda de la onda esférica en un momento determinado es S, la energía total es E y la energía por unidad de área es e, entonces:

Principios e interpretación de datos de exploración sísmica de ondas de reflexión

En la fórmula, r es el radio de la esfera.

Debido a que la energía E es proporcional al cuadrado de la amplitud A, tenemos:

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas de reflexión

Por lo tanto, podemos obtener

p>

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas de reflexión

Fórmula:

.

Suponiendo que la amplitud inicial de la onda sísmica es A0, la relación entre la amplitud A y la distancia de propagación r es la siguiente:

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas de reflexión

De lo anterior se puede ver en la fórmula que en un medio homogéneo, la amplitud de la onda reflejada es inversamente proporcional a la distancia de propagación, es decir, se atenúa según la ley de 1/r. . En un medio estratificado, dado que la velocidad de la capa profunda es mayor que la de la capa superficial, los rayos de las ondas son líneas refractadas y el frente de onda es mayor que el del medio uniforme, por lo que la tasa de atenuación debida a la difusión del frente de onda es más rápido que el del medio uniforme. La Figura 1-5-9 ilustra la difusión del frente de onda en medios uniformes y en capas.

Figura 1-5-9 Difusión de ondas en medios uniformes y en capas

2 Atenuación de la absorción

La formación real no es un medio elástico ideal, y ondas sísmicas La atenuación de la propagación de es mucho mayor que la de los medios elásticos ideales.

Esto se debe principalmente a que parte de la energía de la onda sísmica se utiliza para superar la fricción interna y la pérdida de calor entre las partículas dentro del medio, provocando una atenuación adicional de la amplitud de la onda sísmica. Esta atenuación de la amplitud de la onda sísmica causada por la elasticidad imperfecta del medio se llama atenuación de absorción.

Según la teoría de la viscosidad elástica, cuando un medio uniforme e imperfectamente elástico produce un efecto de absorción, la amplitud de las ondas sísmicas se atenúa exponencialmente a medida que aumenta la distancia de propagación. Es decir:

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas de reflexión

En la fórmula, A0 es la amplitud inicial, es decir, A0 es la amplitud en r=r0; la distancia de propagación de la onda; α (f) es el coeficiente de absorción de la formación, que es función de la frecuencia. Su unidad es 1/m, que representa la tasa de atenuación de la amplitud dentro de la unidad de distancia. es el coeficiente de correlación cuando el medio tiene propiedades elásticas no completas; Ar es la amplitud cuando la distancia de propagación es r.

No es difícil obtener la regularidad de las características de absorción y atenuación de las ondas sísmicas a partir de la fórmula analítica (1-5-14).

(1) Cuanto mayor es la distancia de propagación de la onda sísmica, mayor es la atenuación de la amplitud. Es decir, a medida que aumenta la distancia de propagación, su amplitud correspondiente disminuirá rápidamente de manera exponencial.

(2) Cuanto mayor es la frecuencia de las ondas sísmicas, mayor es la atenuación de la amplitud. Porque α(f) = α0f, es decir, el coeficiente de absorción es proporcional a la frecuencia. En igualdad de condiciones, los componentes de alta frecuencia se absorben más fácilmente; este efecto de la formación sobre las ondas es un efecto de filtro de paso bajo. Por lo tanto, durante el proceso de propagación de las ondas sísmicas, a medida que aumenta la distancia de propagación, la amplitud se vuelve menor y el espectro se vuelve menor.

(3) Cuando las ondas sísmicas se propagan en rocas sólidas y densas, el efecto de absorción de ondas es débil; pero cuando se propagan en capas sueltas y de baja velocidad, el efecto de absorción de ondas es obvio. Esto se debe principalmente al mayor valor del coeficiente de absorción α(f) en rocas fuertes y densas, lo que también se demuestra mediante resultados de observaciones reales.

(4) El coeficiente de absorción de las ondas transversales es mayor que el de las longitudinales, lo que es más evidente en rocas erosionadas.

La formación puede considerarse como un filtro. La onda de pulso se propaga en la formación a medida que aumenta la distancia de propagación, el espectro de la onda continúa cambiando y el componente de baja frecuencia aumenta relativamente a medida que aumenta el período; , la forma de onda también cambia. Los fenómenos de absorción se pueden utilizar para estudiar las características de absorción y la estructura de los medios.

3. Pérdida de transmisión

Durante el proceso de propagación, cuando la onda sísmica encuentra la interfaz de la capa de roca subterránea, parte de ella se refleja y otra parte se transmite. Según la ley de conservación de la energía, la energía total de la onda incidente es igual a la suma de la energía de la onda reflejada y la energía de la onda transmitida. En comparación con la energía de la onda incidente, la energía de la onda transmitida se atenúa. Esta atenuación de energía se denomina pérdida de transmisión de la interfaz intermedia.

Como se muestra en la Figura 1-5-10, hay dos interfaces horizontales debajo del suelo y los coeficientes de reflexión son R1 y R2 respectivamente. Cuando la amplitud A0 de la onda incidente está cerca de la línea normal e incide en la primera interfaz, se genera una onda transmitida con un coeficiente de transmisión T = 1-R1 cuando la onda continúa propagándose hacia abajo y encuentra la segunda interfaz; Se produce la reflexión y la onda se refleja de abajo hacia arriba. Cuando pasa por la primera interfaz dos veces, R1 se vuelve negativa. Cuando pasa por la interfaz, T′=1-(-R1)=1+R1. El producto de R1, T y T′ dos veces cuando la onda pasa a través de la interfaz se denomina coeficiente de transmisión bidireccional Td, escrito como

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas reflejadas

El rango de valores está entre (0,1). Dado que el coeficiente de transmisión bidireccional Td es siempre inferior a 1, esto indica que la amplitud de la onda reflejada se atenúa debido a la pérdida de transmisión. Veamos cuál es la amplitud A2 de una onda sísmica que se transmite a través de la interfaz R1, luego se refleja por la interfaz R2 y finalmente regresa al suelo a través de la interfaz R1.

Figura 1-5-10 Diagrama esquemático de pérdida de transmisión

Se puede ver en la figura:

A2=T′-A22, A22=R2 -A12, A12=A0-T

Sí

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas reflejadas

De manera similar, cuando las ondas sísmicas pasan a través de n interfaces, la Las ondas reflejadas tienen una amplitud n+ en 1 interfaz que regresa al suelo. Cuando las ondas sísmicas pasan a través de n interfaces, la amplitud An+1 de la onda de reflexión reflejada hacia el suelo en n+1 interfaces debe ser:

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas de reflexión

donde

(

) se denomina coeficiente de pérdida de transmisión bidireccional de n interfaces.

Se puede ver en el análisis anterior que la pérdida de transmisión es la pérdida de energía a través de la interfaz cuando las ondas sísmicas se propagan. Está relacionada con el tamaño del coeficiente de reflexión a través de la interfaz y el número de interfaces reflectantes. En términos generales, cuanto mayor sea el coeficiente de reflexión de la interfaz y cuantas más interfaces reflectantes, mayor será la pérdida de transmisión. Por lo tanto, para una sola capa reflectante, incluso si el coeficiente de reflexión es una capa reflectante fuerte, la pérdida de transmisión no será muy grande, pero al pasar a través de múltiples interfaces, incluso si el coeficiente de reflexión es pequeño, la pérdida de transmisión sigue siendo muy grande; . Por ejemplo, al pasar a través de una capa reflectante con un coeficiente de reflexión de 0,2, su pérdida de transmisión, amplitud atenuada, es el 96% de la amplitud original. Al pasar a través de 100 interfaces reflectantes con un coeficiente de reflexión de sólo 0,06, la amplitud después de la pérdida de transmisión es del 69,72% de la amplitud original. Se puede observar que la pérdida de transmisión es muy grande.

4. Dispersión de la onda

Durante el proceso de propagación, cuando una onda encuentra un cuerpo no homogéneo con una interfaz rugosa o una longitud de onda menor o igual a la onda sísmica, la onda se difundirá. en la superficie del cuerpo no homogéneo La dispersión o difracción hace que las ondas se propaguen en todas direcciones. Este fenómeno se llama dispersión de ondas (Figura 1-5-11).

Figura 1-5-11 Fenómeno de dispersión

El fenómeno de dispersión dispersa la energía de las ondas sísmicas, atenúa la amplitud y reduce los componentes de alta frecuencia. En los registros sísmicos se formarán reflexiones irregulares y caóticas.

5. Coeficiente de reflexión

El coeficiente de reflexión es el principal factor geológico que afecta a la energía de las ondas sísmicas. En la sección anterior, analizamos en detalle la magnitud del coeficiente de reflexión cuando una onda plana incide perpendicularmente a la interfaz de dos medios

. Es decir, cuando la amplitud de la onda incidente es constante, la amplitud de la onda reflejada depende completamente del tamaño del coeficiente de reflexión R, cuanto mayor es el valor absoluto de R, mayor es la amplitud de la onda reflejada, lo que indica; que la energía de la onda reflejada se refleja de nuevo a un área más grande.

Si hay múltiples interfaces reflectantes en el medio subterráneo real, entonces el suelo puede recibir las ondas reflejadas en cada interfaz. La forma de la onda reflejada en cada interfaz está determinada por la forma de la onda de excitación y la modificación "filtrada" de la misma por el medio. La amplitud de la onda reflejada en cada interfaz está determinada por factores como la difusión del frente de onda y la absorción del medio. , pérdida de transmisión y coeficiente de reflexión. Si A0 representa la amplitud de la onda incidente, α representa el coeficiente de absorción y r representa la distancia de propagación de la onda, entonces la amplitud de la onda reflejada en el suelo recibida en la enésima interfaz es la amplitud de la onda reflejada en el suelo recibida en la enésima interfaz:

Principios e interpretación de datos de la exploración sísmica de ondas de reflexión

Se puede ver en la ecuación (1-4-3) o la ecuación (1-4-4) que la El tamaño del coeficiente de reflexión está relacionado con las capas de roca a ambos lados de la interfaz. La impedancia de onda Z=ρ-v está relacionada, es decir, la impedancia de onda de las capas de roca a ambos lados de la interfaz. Formaciones rocosas a ambos lados de la interfaz. Por lo tanto, los cambios en la amplitud de las ondas sísmicas causados ​​por cambios en el coeficiente de reflexión en realidad reflejan cambios en las propiedades de la roca en ambos lados de la interfaz. En el trabajo real, si la amplitud de la onda reflejada recibida se compensa a partir de los aspectos de difusión del frente de onda, pérdida de transmisión, atenuación de la absorción, dispersión de la onda, etc., es decir, se elimina la influencia de los factores anteriores sobre la forma de onda y la amplitud de la onda sísmica. , de modo que la amplitud de la onda sísmica recibida El cambio en la forma de onda solo está relacionado con el coeficiente de reflexión de la interfaz (es decir, An = A0 - Rn). Este perfil se denomina perfil de "amplitud verdadera". Estos datos se pueden utilizar para lograr el propósito de la interpretación litológica.

El uso de las características dinámicas de las ondas para estudiar la litología de la formación es una dirección importante en el desarrollo de la exploración sísmica y una parte importante de la sismología litológica. En la actualidad, se han realizado muchos trabajos de investigación en el país y en el extranjero, y algunos de los resultados de la investigación se han aplicado con éxito a la producción.