ĐẢO ĐỊA CHẤN
o 2.1 CÁC Lí THUYẾT CỞ BẢN TRONG VIỆC GIẢI NGƯỢC ĐỊA CHẤN
2.1.1 Súng P và súng S [3]
• Súng dọc (P) là súng trong đú cỏc phần tử của mụi trường dao động theo phương trựng với phương truyền súng, súng này cũn được gọi với những tờn gọi khỏc nhau như súng gión nở khối hay súng nộn ộp. Súng này gõy ra biến dạng thể tớch với vận tốc lớn hơn súng ngang (S) và truyền được trong mụi trường rắn, lỏng, khớ. Súng này chuyển động với vận tốc:
• 2 Vp λ à ρ + = ( )2.1a
• Súng ngang (S) là súng trong đú cỏc phần tử của mụi trường dao động theo phương vuụng gúc với phương truyền súng. Súng này liờn quan đến biến dạng hỡnh dạng, tạo ra cỏc đới trượt liờn tiếp. Súng này khụng truyền qua chất lỏng và cú vận tốc được thiết lập như sau:
• Vs à ρ = ( )2.1b • Trong đú: λ,à : hệ số Lamme • ρ: mật độ đất đỏ • • Hỡnh 2.1: Chuyển động của súng P
• •
• Hỡnh 2.2: Chuyển động của súng S
•
2.1.2 Độ khỏng trở õm học [3]
• Trở khỏng õm học (Acoustic Impedance) là khả năng chống lại sự truyền qua của súng õm. Đú là tớch số của mật độ đất đỏ và vận tốc của chỳng, được biểu diễn: r =ρV. Trở khỏng õm học càng cao, năng lượng truyền qua đất đỏ càng thấp. Nếu như đỏ càng cứng thỡ trở khỏng õm học càng cao.
• I( )i = ρ( )i *V( )i ( )2.1c • Từ giỏ trị trở khỏng õm học ta cú thể tớnh hệ số phản xạ của lớp đất đỏ: • ( ) ( 1) ( ) ( ) ( 1) i i i i i I I R I I − + − = + ( )2.1d • Với: • ρ(i): mật độ đất đỏ lớp thứ i • V(i): vận tốc tương ứng. • I(i): trở khỏng õm học lớp thứ i
2.1.3 Tớch chập [3]
• Tài liệu địa chấn được ghi nhận trờn miền thời gian. Súng địa chấn với tần số xỏc định được gửi tới bề mặt và được ghi bởi dải tầng (seismic trace), đõy chớnh là sự xỏc định thời gian đi từ nguồn tới điểm thu. Mụ hỡnh chập của băng địa chấn bao gồm 3 thành phần chớnh: hệ số phản xạ, xung súng và nhiễu. Tớn hiệu súng địa chấn (xung súng) w(t) được phỏt ra tại nguồn nổ được tớch chập với mụ hỡnh địa chất r(t) tạo nờn tớn hiệu súng thu được trờn mỏy thu s(t).
• Trong miền thời gian, giải chập thực hiện tỡm sự đảo ngược lại của súng con w(t), sau đú tớch chập với cỏc đường ghi được. Tớn hiệu ra là một loạt cỏc phản xạ. Chỳng ta nghĩ giải chập như là việc biến đổi cỏc đường ghi địa chấn trở thành xung nhọn (spike). Để giải chập một cỏch hoàn hảo, ta phải tỡm chớnh xỏc một đỏp ứng xung. Tớn hiệu ra được nộn từ tớn hiệu súng đầu vào.
•
• Hỡnh 2.3: Giải tớch chập trong miền thời gian và miền tần số
• Trong miền tần số, thuật toỏn giải chập trong miền thời gian trở thành thuật toỏn nhõn. Vỡ vậy, việc giải chập là một quỏ trỡnh trở nờn đơn giản trong miền tần số. Giải tớch chập pha zero trong miền tần số bao gồm ước lượng sự đảo ngược phổ biờn độ của súng con và nhõn với phổ biờn độ của súng ghi được bởi phổ ngược này. Thờm nữa, giải tớch chập hoàn chỉnh cần phải ước lượng phổ pha của súng con và trừ nú từ phổ pha của đường ghi địa chấn. Cú 2 vấn đề gặp đú là rất khú để tỏch phổ biờn độ của súng con từ phổ biờn độ ghi được. Việc thứ 2 là phổ pha của súng con khú ước tớnh trong tài liệu địa chấn nhiễu và đũi hỏi thuật toỏn phức tạp hơn. Mụ hỡnh của giải tớch chập được thành lập như sau: s(t) = w(t) * r(t) + n(t) (1)
• Trong đú: s(t) : đường ghi địa chấn, w(t): súng con, r(t): sự phản xạ, n(t): thành phần nhiễu.
• Nếu chỳng ta ỏp dụng biến đổi Fourier cho phương trỡnh (1), việc giải tớnh chập trong miền tần số được xõy dựng như sau: s(f) = w(f) x r(f).
•
• Hỡnh 2.4: Mụ hỡnh giải tớch chập
•
2.1.4 Súng con [3]
• Trong mụ hỡnh tớch chập, sự phản xạ được chập với súng con để xõy dựng băng địa chấn tổng hợp. Súng con thay đổi phức tạp về hỡnh dạng và biến đổi theo thời gian. Vỡ thế, việc đỏnh giỏ súng con rất quan trọng trong việc xử lý và minh giải địa chấn phản xạ. Để hiểu hơn về hỡnh dạng súng con, chỳng ta hóy xột một súng con cơ bản là một dạng súng hỡnh sin như hỡnh 2.6
•
• Hỡnh 2.5: Súng con trong hỡnh (c) được tạo ra từ súng cosin (a) và (b) tương ứng với được biểu diễn trong miền thời gian và miền tần số
• Độ rộng dải tầng cú thể rộng hoặc hẹp xỏc định độ rộng xung của súng con. Trong minh giải tài liệu địa chấn, súng con được lựa chọn trờn hỡnh dạng đối xứng với tần số cao và độ rộng xung hẹp và trỏnh những hỡnh dạng súng khụng đối xứng, súng con tần số thấp với độ rộng xung mở rộng.
• Khi hỡnh dạng súng con đối xứng với nhau gọi là pha súng con zero (zero phase wavelet) tức là năng lượng tập trung vào giữa súng, khi năng lượng tập trung vào phần đầu của xung súng gọi là minimum pha.
•
2.1.5 Thành phần nhiễu [3]
•Nhiễu là tập hợp toàn bộ các sóng không liên hệ trực tiếp với đối tợng nghiên cứu
hoặc không sử dụng để xử lý và phân tích.
•Có thể chia ra 2 loại nhiễu có quy luật và nhiễu không có quy luật
• a. Nhiễu có quy luật:
• Là loại nhiễu mà hình dạng, biên độ, pha... không thay đổi hoặc thay đổi từ từ dọc
tuyến khảo sát. Điều này cho phép theo dõi sóng trên những đoạn tuyến dài. Các loại nhiễu có quy luật thờng liên quan đến nguồn nổ nh sóng mặt, sóng âm. PXNL, tán xạ...
•Sau đây xét đặc điểm một số loại nhiễu:
•- Sóng mặt: Tồn tại ở ranh giới, chúng có phổ tần số thấp hơn sóng phản xạ (20-
30Hz), tốc độ biểu kiến nhỏ (200-1000m/s), biên độ dao động lớn hơn sóng có ích, sóng tắt dần nhanh theo khoảng cách. Sóng mặt thờng xuất hiện rõ khi nổ mìn sát mặt đất nên để hạn chế chúng cần nổ trong lỗ khoan.
•Trong các loại sóng mặt bao gồm sóng Rayleigh, sóng giả Rayleigh, sóng Love.
•Sóng Rayleigh có cờng độ sóng mặt giảm rất nhanh khi xa mặt thoáng, thực tế nó
chỉ tồn tại trong lớp nằm sát mặt ranh giới. Sóng giả Rayleigh có những đặc điểm tơng tự nh sóng Rayleigh. Tuy nhiên sóng này tồn tại cả các ranh giới phía dới, nó chỉ trùng với
sóng Rayleigh khi dao động có bớc sóng ngắn và có sự phân dị tốc độ. Trong điều kiện vS2
> vS1 thì còn có sóng Love đặc trng bởi các chuyển động ngang, sóng Love cũng có sự phân
dị tốc độ và tốc độ pha nằm trong phạm vi vS1 và vS2
•- Sóng âm: hình thành khi nổ mìn trong không khí hoặc các hố nông, trong các hố
khoan lấp đầy đất hoặc nớc, chúng có tốc độ 330-340m/s, tần số cao hơn sóng có ích (50- 100hz), sóng có biên độ lớn.
•- Sóng biến loại, sóng ngang: thờng có tần số thấp < 40-50hz, chúng có tốc độ
biểu kiến nhỏ hơn so với sóng dọc.
•- Sóng phản xạ nhiều lần (PXNL) là loại sóng bị phản xạ nhiều lần từ các mặt ranh
ngại chủ yếu cho việc ghi nhân sóng có ích. Do bản chất cũng là sóng phản xạ nên rất dễ nhầm lẫn với sóng phản xạ một lần từ các tầng sâu. Để hạn chế chúng, hiện nay cần sử dụng các hệ giao thoa mạnh dựa vào sự khác biệt về tốc độ biểu kiến so với sóng phản xạ một lần khi ở xa nguồn...
•- Sóng tán xạ: đợc hình thành khi môi trờng có các bất đồng nhất có kích thớc nhỏ
hơn bớc sóng (đới vát nhọn, đứt gẫy, mặt gồ ghề).
•- Sóng phản xạ - khúc xạ, khúc xạ - phản xạ: thờng tồn tại khi có các mặt ranh giới
mạnh rõ rệt ở phần trên lát cắt (hình 4.6d,e,g).
•- Sóng kèm (hoặc là sóng vệ tinh): Hình thành khi có các ranh giới rõ rệt phía trên nguồn nổ (đáy đới vận tốc nhỏ, mặt đất – không khí...). Do tia sóng đi từ nguồn nổ lên phía trên, bị phản xạ từ mặt ranh giới phía trên nguồn nổ rồi mới đi xuống nên xuất hiện chậm hơn sóng phản xạ và đợc gọi là sóng đi kèm hay là sóng vệ tinh (hình 4.6b). Sự tồn tại của sóng kèm làm cho dạng xung sóng phản xạ phức tạp và kéo dài. Khi tăng chiều sâu nổ mìn thì thời gian xuất hiện sóng tăng lên.
•- Sóng trực tiếp: luôn hình thành khi có nguồn, đa số trờng hợp là sóng đầu hình
thành trên mặt đá gốc.
•- Sóng lặp: đợc hình thành do các bóng khí khi nổ dới nớc. Sự tồn tại của chúng có
thể làm méo dao động có ích liên quan với nguồn nổ.
•- Sóng sờn: liên hệ với sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các mũi nhô của đáy biển
(đảo ngầm, vùng lộ đá gốc...) chúng có tần số cao, biên độ lớn, tắt dần chậm v* thay đổi phụ thuộc vị trí đặt tuyến.
•- Sóng vang: Sóng lặp lại nhiều lần trong lớp nớc, chúng có ảnh hởng lớn đến theo
dõi sóng có ích. Cần hạn chế chúng bằng nhiều biện pháp nh chọn vị trí đặt tuyến, chiều sâu phát sóng, lọc ngợc...
•- Sóng đáy: Tơng tự nh sóng mặt khi quan sát trên đất liền, chúng thờng xuất hiện
khi biển nâng, đáy bùn, v* nhỏ (∼ 1000m/s) tần thấp (10-20Hz).
• Là các sóng mà biên độ, pha, hình dạng... thay đổi ngẫu nhiên khi chuyển từ điểm quan sát này sang điểm quan sát khác, không theo dõi đợc trong những đoạn tuyến dài.
•Nhiễu ngẫu nhiên gồm nhiễu nguồn và vi địa chấn.
•- Nhiễu nguồn: liên hệ với nguồn nổ và hình thành do kết quả cộng các dao động
phức tạp trong môi trờng.
•- Nhiễu vi địa chấn xuất hiện do những nguyên nhân không liên quan đến nguồn
nổ nh ma gió, các hoạt động khác của con ngời và tự nhiên. Do không liên quan đến nguồn nên không suy giảm theo thời gian và ảnh hởng đến ghi nhận sóng có ích ở thời gian lớn.
•Với đặc điểm phức tạp của các loại nhiễu nh đã nói trên, chúng ảnh hởng lớn đến
việc phát hiện, theo dõi sóng có ích, vì vậy một trong những nhiệm vụ hết sức quan trọng của địa chấn là áp dụng triệt để các biện pháp kỹ thuật, xử lý, phân tích nhằm tăng cờng tỷ số sóng có ích/nhiễu .
2.1.6 Tớnh chất vật lý của đỏ [3]
• Mục đớch của giải ngược địa chấn là xỏc định mật độ, súng P và súng S cho việc tớnh toỏn độ khỏng trở õm học . Tuy nhiờn, quỏ trỡnh đơn giản này khỏ phức tạp bởi 2 vấn đề sau:
• Làm thế nào để xỏc định những thụng số này
• Làm thế nào suy luận được thạch học từ những thụng số vật lý
• Để giải quyết cỏc vấn đề này, chỳng ta cần xem lại mụ hỡnh thạch học đơn giản bao gồm thành phần matrix, lỗ hỗng và chất lưu chứa trong nú.
•
a. Mật độ [3]
• Năm 1989, Olhoeft và Johnson đó đưa ra định nghĩa về mật độ như sau: "
Mật độ là đặc tớnh vật lý của đất đỏ, mỗi loại đất đỏ cú mật độ khỏc nhau tựy thuộc vào thành phần khoỏng vật và độ rỗng".
• Như vậy, mật độ là khối lượng đất đỏ xỏc định trờn một đơn vị thể tớch, được thành lập như sau:
•
mV V
ρ =
( )2.1e • Trong đú: ρ: mật độ đất đỏ (kgm-3), m: khối lượng đất đỏ (kg), V: thể tớch
(m3). Mật độ liờn quan đến
• Kiểu khoỏng vật, số lượng khoỏng vật và thành phần phần trăm cấu thành đất đỏ
• Độ rỗng
• Loại chất lưu lấp đầy trong lỗ rỗng
• Giả sử rằng chỉ cú một loại khoỏng vật và 2 loại chất lưu lấp đầy lỗ rỗng. Theo Wyllies, mật độ cú thể xỏc định như sau:
• ρ ρb = m(1 )− +φ ρ φ ρw wS + hc(1− Sw)φ ( )2.1f• Trong đú: ρb: mật độ đất đỏ (kgm-3) • Trong đú: ρb: mật độ đất đỏ (kgm-3)
• ρm: mật độ matrix (kgm-3)
• ρw: mật độ nước (kgm-3)
• ρhc: mật độ hydrocarbon (kg),
• Theo cụng thứ Wyllies, ta thấy rằng mật độ đất đỏ phụ thuộc khỏ nhiều vào chất lưu. Trong vỉa khớ, mật độ suy giảm lớn, việc này rất quan trọng trong việc minh giải (hỡnh 2.9). Theo số liệu được thể hiện trờn hỡnh 2.9 cho thấy trong vỉa khớ mật độ giảm mạnh hơn trong vỉa dầu. Kết quả này do bị ảnh hưởng bởi Vp, Vs và AI. Vỡ thế, giỏ trị mật độ cú vai trũ rất lớn trong việc xỏc định thành phần thạch học của vỉa.
• Để xỏc định vận tốc, cụng thức Wyllies ở trờn cú thể được viết như sau: • 1/Vb = −(1 ) /φ V Sm+ wφ /Vw+ −(1 Sw) /φ Vhc
•
• Trong đú: Vw: vận tốc trong nước
• Vhc: vận tốc trong hydrocarbon • Vm: vận tốc trong matrix • • • •
• Hỡnh 2.8: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ bóo hũa nước và mật độ trong vỉa dầu và khớ. Mụ hỡnh này sử dụng độ rỗng = 20%, mật độ matrix =2.7g/cc, mật độ khớ = 0.001g/cc, mật độ dầu =0.8g/cc)
•
b. Mối quan hệ giữa vận tốc súng và mật độ [3]
• Theo tính toán lý thuyết, mối quan hệ giữa vận tốc truyền sóng và mật độ là tỷ lệ nghịch. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu cho thấy đây là mối quan hệ tỷ lệ thuận. Sở dĩ nh vậy vì trong quá trình thành tạo, dới tác dụng của các yếu tố bên ngoài, hằng số đàn hồi thay đổi mạnh hơn so với thay đổi mật độ. Khi mật độ tăng dẫn đến modun E tăng và tăng nhanh hơn nên kết quả làm tốc độ truyền sóng tăng. Sự thay đổi mật độ thờng không lớn từ 1,5 – 3,1g/cm3, trong khi đó E thay đổi hàng trăm lần.
•Một số công trình nghiên cứu thực nghiệm đã xác định mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ truyền sóng và mật độ
•a,b là các hằng số phụ thuộc từng loại đất đá khác nhau.
•Ngoài tham số mật độ, tốc độ truyền sóng còn liên quan đến điện trở suất cũng nh cờng độ phóng xạ, sở dĩ nh vậy vì các tham số này đều liên quan đến độ rỗng, mật độ, độ ngậm nớc.
• Các yếu tố ảnh hởng đến tốc độ truyền sóng đợc biểu diễn định tính trên hình 2.10
•
•
• Hỡnh 2.9: Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc truyền súng •
•
o 2.2 KHÁI QUÁT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGƯỢC
ĐỊA CHẤN [3]
• Trờn lỏt cắt địa chấn, súng phản xạ được liờn kết theo cỏc mạch thể hiện cỏc mặt ranh giới trong mụi trường trầm tớch. Để đỏnh giỏ cỏc ranh giới phản xạ và liờn kết với địa tầng giếng khoan, người ta thường xõy dựng băng địa chấn tổng hợp. Băng địa chấn tổng hợp, được hỡnh thành với cỏc số liệu mật độ, vận tốc, trở khỏng õm học, hệ số phản xạ từ giếng khoan. Biểu diễn sự phõn bố của hệ số phản xạ theo thời gian truyền súng (hoặc theo chiều sõu) và tớch chập với dạng xung súng địa chấn cho phộp hỡnh thành cỏc đường ghi địa chấn lý thuyết. So sỏnh băng địa chấn tổng hợp với lỏt cắt
địa chấn thu được cho phộp liờn kết địa tầng và xỏc định đặc điểm cỏc mặt ranh giới địa chấn, phỏt hiện cỏc loại nhiễu. Quỏ trỡnh này gọi là xõy dựng mụ hỡnh thuận.
•
• Việc xỏc định đặc điểm cỏc mặt ranh giới địa tầng trờn lỏt cắt địa chấn hết sức quan trọng, tuy nhiờn chỳng khụng phản ảnh được bản chất mụi trường của cỏc tập đất đỏ giữa cỏc mặt ranh giới đú. Để giải quyết vấn đề này cần xõy dựng mụ hỡnh ngược lại với quỏ trỡnh trờn. Đú là xỏc định mụ hỡnh địa chất từ tài liệu địa chấn và kiểm tra lại bằng tài liệu khoan. Từ lỏt cắt địa chấn cần tiến hành phõn tớch ngược để xỏc định lỏt cắt trở khỏng õm học phản ảnh đặc điểm cỏc tập đất đỏ giữa cỏc mặt ranh giới trong