Luận văn thạc sĩ Vật lý địa cầu, Địa chấn phản xạ, Truyền sóng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - TRẦN THỊ THU PHƢƠNG XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - TRẦN THỊ THU PHƢƠNG XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đức Vinh Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập trường Đại học khoa học tự nhiên em nhận tận tình dạy dỗ, bảo thầy cô khoa Vật Lý nói riêng thầy trường nói chung Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể thầy cô giáo dạy em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Vật Lý Địa Cầu trang bị cho em kiến thức thời gian học tập trường Và đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Đức Vinh người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành tốt luận văn Cuối em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn quan tâm động viên giúp đỡ em trình học tập thời gian làm luận văn Em mong nhận quan tâm góp ý thầy bạn luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 22 tháng năm 2015 Học viên Trần Thị Thu Phƣơng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ .2 1.1 Cơ sở vật lý phương pháp .3 1.1.1 Sự hình thành sóng đàn hồi 1.1.2 Cơ sở địa chấn hình học 1.1.3 Sự phản xạ, khúc xạ tán xạ sóng đàn hồi: 1.2 Kỹ thuật phát thu sóng địa chấn 1.2.1 Kỹ thuật phát sóng địa chấn: 1.2.2 Kỹ thuật thu sóng địa chấn: 11 1.2.3 Hệ thống quan sát sóng địa chấn: 15 1.3 Ứng dụng phương pháp địa chấn phản xạ 16 1.3.1 Nghiên cứu địa chất khu vực 16 1.3.2 Tìm kiếm cấu tạo 17 1.3.3 Cơng tác thăm dị chi tiết .17 CHƢƠNG 2: XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ 19 2.2 Phương pháp biểu đồ giao 21 2.3 Phương pháp biểu đồ hiệu .23 2.4 Phương pháp tọa độ bình phương 24 2.5 Xây dựng phổ tốc độ 24 2.6 Xác định tốc độ phương pháp điểm tương hỗ 26 CHƢƠNG 3: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM TRÊN SỐ LIỆU MƠ HÌNH 29 3.1 Chương trình số liệu .29 3.2 Mơ hình 30 3.3 Mơ hình 35 3.4 Mơ hình 38 3.5 Mô hình 41 3.6 Mơ hình 43 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.2 Mối quan hệ BĐTK tốc độ biểu kiến v* .6 Hình 1.3 Sự phản xạ, khúc xạ tán xạ sóng đàn hồi Hình 2.1 Biểu đồ thời khoảng đường u trung bình .20 Hình 2.2 a BĐTK ; b Dựng đường  (x) 22 Hình 2.5.1 Băng địa chấn trục đồng pha 26 Hình 2.5.2 Kết tinh phổ tốc độ .26 Hình 3.1.1 Mơ tả lựa chọn tốc độ 29 Hình 3.1.2 Mơ tả phương pháp chia đôi 30 Bảng 3.1 Các thơng số mơ hình .30 Bảng 3.2 Các biểu đồ thời khoảng từ điểm nổ 31 Hình 3.2 Mơ hình BĐTK tính tốn 32 Bảng 3.3 Các thông số mơ hình .35 Bảng 3.4 Các biểu đồ thời khoảng từ điểm nổ 35 Hình 3.3 Mơ hình 3.2 BĐTK tính tốn .37 Bảng 3.5 Các thơng số mơ hình .38 Bảng 3.6 Các biểu đồ thời khoảng từ điểm nổ 38 Hình 3.4 Mơ hình BĐTK tính tốn 40 Bảng 3.7 Các thơng số mơ hình .41 Bảng 3.8 Các biểu đồ thời khoảng từ điểm nổ 41 Hình 3.5 Mơ hình BĐTK tính tốn 42 Bảng 3.9 Các thơng số mơ hình .43 Bảng 3.10 Các biểu đồ thời khoảng từ điểm nổ 44 Hình 3.6 Mơ hình BĐTK tính tốn 45 MỞ ĐẦU Thăm dò địa chấn phương pháp thông dụng địa vật lý thăm dị Nó gồm tập hợp nhiều phương pháp quan sát trường sóng đàn hồi phát triển môi trường đất đá để nghiên cứu cấu trúc trái đất thăm dị tìm kiếm khống sản Thăm dị địa chấn cho kết với độ xác cao Chính ưu mà địi hỏi chi phí lớn thăm dị địa chấn ưu tiên sử dụng, công tác thăm dị dầu khí Nhiệm vụ phương pháp thăm dị địa chấn xác định độ sâu, hình dạng ranh giới lớp đất đá vận tốc truyền sóng đàn hồi lớp đất đá Gần đây, có nhiều nhà khoa học cố gắng dựa vào đặc điểm trường sóng thu để nghiên cứu thành phần thạch học, độ rỗng … đất đá Trong vật lý biết mối quan hệ mật thiết Thời gian - Quãng đường - Vận tốc Có nhiều cố gắng nhà nghiên cứu việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn lớp đất đá Có thể dựa vào lỗ khoan sâu để xác định vận tốc truyền sóng Địa chấn lỗ khoan chắn cho kết đáng tin cậy Tuy nhiên, khơng phải lúc có điều kiện thuận lợi vậy, chủ yếu công việc xác định vận tốc phải dựa biểu đồ thời khoảng hay nói chung băng địa chấn Trong khn khổ luận văn tốt nghiệp, học viên giao đề tài theo hướng tìm hiểu tốn xác định tốc độ truyền sóng phương pháp địa chấn phản xạ Nội dung сủa luận văn : - Tổng quan phương pháp địa chấn phản xạ - Tìm hiểu việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn - Tìm hiểu phương pháp cụ thể để áp dụng - Xây dựng mơ hình thử nghiệm phương pháp Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương : Một số nét phương pháp địa chấn phản xạ Chương 2: Xác định tốc độ truyền sóng địa chấn phản xạ Chương 3: Một số thử nghiệm số liệu mơ hình Kết luận CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ Thăm dò địa chấn phương pháp địa vật lý nghiên cứu đặc điểm trường sóng dao động đàn hồi mơi trường đất đá nhằm giải nhiệm vụ địa chất khác nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dị dầu khí tài ngun khống sản, nghiên cứu móng cơng trình… Trong thăm dị địa chấn, người ta tiến hành nổ mìn, rung, đập ép hơi…để tạo xung dao động, xung dao động truyền môi trường dạng sóng đàn hồi Nếu gặp mặt ranh giới tầng đất đá có tính chất đàn hồi khác chúng tạo nên sóng thứ cấp sóng phản xạ, khúc xạ, sóng tán xạ…Với thiết bị máy móc thích hợp đặt mặt giếng khoan ta thu nhận ghi giữ dao động sóng băng địa chấn Sau q trình xử lí phân tích tài liệu cho phép hình thành lát cắt địa chấn, đồ thông tin khác phản ánh đặc điểm hình thái chất mơi trường vùng nghiên cứu Có hai phương pháp địa chấn phương pháp địa chấn phản xạ địa chấn khúc xạ, chúng áp dụng đất liền, biển, hầm lò giếng khoan… Phương pháp địa chấn hình thành từ năm hai mươi kỷ 20 có bước phát triển mạnh mẽ kể lĩnh vực phương pháp, thiết bị xử lý số liệu Ngày người ta sử dụng trạm địa chấn ghi số có hàng trăm mạch ghi, sử dụng hệ giao thoa “điểm sâu chung” với số bội cao, quan sát không gian chiều, xử lý số liệu với chương trình xử lý khổng lồ minh giải tài liệu trạm máy tính Ở nước ta, phương pháp địa chấn phản xạ áp dụng từ năm 60 nhằm phục vụ cho tìm kiếm thăm dị dầu khí Hiện nay, việc khảo sát tỷ mỷ thềm lục địa tiến hành với thiết bị đại cơng nghệ xử lý đạt trình độ tiên tiến giới Ngoài lĩnh vực dầu khí, phương pháp địa chấn cịn áp dụng để khảo sát vùng biển nơng tìm kiếm sa khống (từ năm 1991), khảo sát móng cơng trình (từ năm 1970) nghiên cứu mỏ hầm lò (từ năm 1991) 1.1 Cơ sở vật lý phương pháp 1.1.1 Sự hình thành sóng đàn hồi + Cơ sở lý thuyết đàn hồi: Người ta gọi vật thể có lực tác dụng thay đổi hình dạng thể tích ngừng tác dụng lực trở lại trạng thái ban đầu vật thể đàn hồi Sự thay đổi hình dạng thể tích gọi biến dạng đàn hồi Trong phương pháp địa chấn, lực tác dụng nhỏ thời gian tác dụng lực ngắn nên coi mơi trường đất đá mơi trường đàn hồi Có hai loại biến dạng đàn hồi biến dạng thể tích biến dạng hình dạng Nếu lực tác dụng làm thay đổi thể tích mà hình dạng vật giữ ngun biến dạng gọi biến dạng thể tích Ngược lại vật thể thay đổi hình dạng mà thể tích khơng đổi biến dạng hình dạng Các dạng biến dạng đàn hồi phức tạp coi tổng biến dạng thể tích biến dạng hình dạng Khi ngoại lực tác dụng lên vật thể gây nên biến dạng vật thể đồng thời xuất nội lực có xu hướng chống lại ngoại lực nhằm kéo phần tử vật chất trạng thái ban đầu Nội lực gọi ứng lực Ứng lực tác dụng lên đơn vị diện tích nhằm cân với ngoại lực gọi ứng suất Mối quan hệ ứng suất biến dạng mô tả bới định luật Huk Môi trường đàn hồi đặc trưng tham số đàn hồi mô đun giãn dọc E (mô đun Iung), mô đun nén ngang σ (hệ số poatson) số Lame μ, λ mật độ ρ Giả sử có hình trụ trịn chiều dài l đường kính d Dưới tác dụng lực F vật bị biến dạng có độ giãn dọc ∆l độ nén ngang ∆d Gọi độ giãn dọc tương đối ∂l = , ∂d = Ứng suất T có độ lớn : T = = (1.1) Vì mối quan hệ ứng suất biến dạng tuyến tính nên ta có: ∆l = aT , Và ∂l = ∆d = bT, = ∂d = a b hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất đàn hồi kích thước vật thể + Sự hình thành sóng đàn hồi: Trong thăm dị địa chấn, kích thích xung lực điểm mơi trường gây nên biến dạng suất ứng suất Do tượng quán tính nên phần tử vật chất mơi trường dao động quanh vị trí cân bằng, môi trường đàn hồi dao động lan truyền theo hướng dạng sóng đàn hồi Sóng đàn hồi truyền với vận tốc xác định, tấc độ truyền sóng phụ thuộc vào tham số đàn hồi môi trường Trong môi trường đồng nhất, có kích thích dao động tạo hai loại sóng khác sóng dọc (P) sóng ngang (S) Sóng dọc (P) liên quan đến biến dạng thể tích, phương dao động hạt với phương truyền sóng Khi sóng dọc truyền tạo đới nén, dãn liên tiếp Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động hạt vật chất thẳng góc với phương truyền sóng Khi sóng ngang truyền tạo đới trượt liên tiếp Trong môi trường đồng sóng dọc sóng ngang truyền độc lập với có tốc độ khác vp vs vp = vs = (1.2) Với ρ mật độ đất đá, E mô đun Iung σ hệ số Poatson So sánh vp vs ta có: (1.3) Chenh lech thoi gian Dt=-0.0000006 Với lớp thứ nhất, sau 16 lần lặp, thời gian chênh lệch 0.0000002 s vận tốc xác định 1000.70 m/s Với lớp thứ cần 12 lần lặp vận tốc xác định V=1500.56, thời gian chênh lệch 0.0000006 Độ xác việc xác định vận tốc cao, sai số nhỏ (0.7/1000) 3.3 Mơ hình Mơ hình chọn thử nghiệm mơ hình lớp, lớp nằm ngang, lớp nghiêng góc độ so với mặt quan sát, với thông số bảng 3.3 Bảng 3.3 Các thơng số mơ hình Độ sâu gốc tọa độ Góc nghiêng Vận tốc (mét) (độ) (m/s) 30 m 1000 60 m 1500 Lớp Bố trí điểm phát máy thu mơ hình 3.1 Kết giải tốn thuận, tính biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ từ điểm nổ trình bày bảng 3.4 hình 3.3 Bảng 3.4 Các biểu đồ thời khoảng từ điểm nổ Tọa độ máy BĐTK lớp (s) BĐTK lớp (s) BĐTK lớp (s) BĐTK lớp (s) thu (m) (điểm nổ trái) (điểm nổ trái) (điểm nổ phải) (điểm nổ phải) 195.0 0.060414 0.113807 0.081478 0.123376 200.0 0.060000 0.114000 0.078102 0.122167 205.0 0.060414 0.114205 0.075107 0.121207 35 210.0 0.060828 0.114619 0.072111 0.120296 215.0 0.062037 0.115088 0.069597 0.119470 220.0 0.063246 0.115691 0.067082 0.118782 225.0 0.065164 0.116498 0.065164 0.118201 230.0 0.067082 0.117469 0.063246 0.117787 235.0 0.069597 0.118450 0.062037 0.117591 240.0 0.072111 0.119659 0.060828 0.117409 245.0 0.075107 0.120873 0.060414 0.117261 250.0 0.078102 0.122167 0.060000 0.117455 255.0 0.081478 0.123744 0.060414 0.117659 36 Hình 3.3 Mơ hình 3.2 BĐTK tính tốn Kết xác định vận tốc sau: Lop Vdau=700.00 Vcuoi=1500.00 ………………………… Lan lap thu :16 V=1000.70 Chenh lech thoi gian DT=0.0000002 V=1000.70 goc nghieng rg= 0.00 h= -30.035 Lop Vdau=1100.00 Vcuoi=2000.00 …………… Lan lap thu :15 V=1499.00 Chenh lech thoi gian Dt=0.000001 V=1499.00 37 Với lớp thứ nhất, với thơng số mơ hình nên vận tốc xác định 1000.70 m/s sau 16 lần lặp Lớp thứ cần 15 lần lặp vận tốc xác định V=1499.00, thời gian chênh lệch 0.000001 Độ xác việc xác định vận tốc cao, sai số nhỏ (1/1500) Tuy nhiên sai số có cao so với mơ hình 3.4 Mơ hình Mơ hình chọn thử nghiệm mơ hình lớp, lớp nằm nghiêng độ , lớp nghiêng góc độ so với mặt quan sát, với thông số bảng 3.5 Bảng 3.5 Các thơng số mơ hình Lớp Độ sâu gốc tọa Góc nghiêng Vận tốc độ (độ) (m/s) (mét) 40 m 1000 77 m 1500 Bố trí điểm phát máy thu mơ hình Kết giải tốn thuận, tính biểu đồ thời khoảng sóng phản xạ từ điểm nổ trình bày bảng 3.6 hình 3.4 Bảng 3.6 Các biểu đồ thời khoảng từ điểm nổ Tọa độ BĐTK lớp (s) BĐTK lớp (s) BĐTK lớp (s) BĐTK lớp (s) máy thu (m) (điểm nổ trái) (điểm nổ trái) (điểm nổ phải) (điểm nổ phải) 195.0 0.080710 0.129699 0.099656 0.140799 200.0 0.081000 0.130009 0.097276 0.139894 205.0 0.081307 0.130544 0.095044 0.139064 210.0 0.082012 0.130931 0.093116 0.138492 38 215.0 0.082916 0.131700 0.091302 0.137920 220.0 0.084382 0.132551 0.089762 0.137480 225.0 0.085860 0.133443 0.088347 0.137182 230.0 0.087820 0.134535 0.087475 0.137065 235.0 0.089827 0.135709 0.086650 0.136991 240.0 0.092136 0.136969 0.086182 0.136975 245.0 0.094516 0.138390 0.085891 0.137259 250.0 0.097276 0.139894 0.086182 0.137550 255.0 0.100157 0.141496 0.086489 0.137963 39 Hình 3.4 Mơ hình BĐTK tính tốn Kết xác định vận tốc sau: Lop Vdau=700.00 Vcuoi=1500.00 Lan lap thu :16 V=1000.65 Chenh lech thoi gian DT=0.000001 goc nghieng rg= 2.930 h= -40.511 Lop Vdau=1100.00 Vcuoi=2000.00 Lan lap thu :15 V=1506.47 Chenh lech thoi gian Dt=0.0000005 Với lớp thứ nhất, dù ranh giới nghiêng độ vận tốc xác định 1000.65 m/s sau 16 lần lặp Lớp thứ cần 15 lần lặp vận tốc xác định V=1506.47, thời gian chênh lệch 0.0000005 Độ xác việc xác định vận tốc cao, sai số có tăng (6.47/1500