Методы сейсмической томографии при поисках и разведке кимберлитовых трубок

 

АО СТС. А.Г.Колонин. 1988-1996

 

 

 

 

Обзор

 

Задача обнаружения и изучения коренных месторождений алмазов, представленных кимберлитовыми телами предоставляет уникальные предпосылки для использования возможностей сейсмического метода разведки. Особое внимание здесь следует уделить следующим факторам.

 

   Наибольшая степень аномальности объекта кимберлитовой трубки, прежде всего, по упругим свойствам;

  Вместе с тем, во многих случаях, слабое отличие абсолютных значений упругих параметров аномального объекта от значений во вмещающей среде;

   Кроме того, субвертикальное строение исследуемого тела, создающее известные трудности в применении классических сейсмических подходов;

   В конечном итоге, наибольшее проявление кимберлитового тела в интегральной физико-геологической модели, прежде всего, по его структурному положению и степени гетерогенности относительно вмещающей среды.

 

Перечисленные обстоятельства, с одной стороны, должны предполагать первоочередное значение сейсмического метода, как - структурного, так и - "прямого". С другой стороны, налицо - трудности практического применения сейсмического метода для поисков и оконтуривания кимберлитовых тел.

Необходимо определение новых методических подходов, ориентированных на уникальность физико-геологической модели кимберлитового тела. Также, эти методы должны быть технологически и экономически эффективными, не требующими пересмотра традиционной методики полевых измерений (и "перестрелки" старых профилей), и не связанными с кропотливой ручной и субъективной интерпретацией.

Названным требованиям отвечает методико-алгоритмический комплекс сейсмических исследований, основанный на сейсмотомографическом подходе. Комплекс предполагает одновременные исследования с помощью трех типов сейсмических волн с различными законами распространения - отраженных, головных и дифрагированных. Особенно важно следующее.

   Комплексные исследования по трем различным видам волн делают задачу поисков и разведки кимберлитовых тел надежной, помехоустойчивой и объективной;

   Для проведения исследований достаточно проведение полевых наблюдений по единой унифицированной методике, практически неотличимой от привычной массовой методики многократных перекрытий в профильном, площадном или широкопрофильном вариантах;

   Все три типа волн могут использоваться как вместе, так и раздельно, на любых этапах геологоразведочных работ (поисков или разведки), и при любой геометрии наблюдений (профильной или объемной);

   Собственно исследования, начиная от первичного полевого материала, могут проводиться в рамках одного программно-алгоритмического комплекса, разработанного специально для названных задач - пакета сейсмической томографии "Геотомо", разработанного в компании АО СТС при творческом содействии практических специалистов г.Мирный, России и других стран ближнего зарубежья.

 

 

 

 

 

 

 

Лучевая отражательная томография кимберлитовой трубки

 

Ботуобинская ГРЭ. А.М.Хомяков, АО СТС. А.Г.Колонин. 1989-1993

 

Первым действительно эффективным решением обратной томографической задачи на практическом материале была обработка профиля А3 по договору между Ботуобинской ГРЭ и АО СТС. До этого делались многочисленные попытки реализации томографического подхода типа "суммирования по общим точкам среды", осреднения амплитуд и т.д.

Первичный полевой материал МОВ-ОГТ был подвергнут традиционной обработке ОГТ в Ботуобинской экспедиции. Там же, посредством стандартных процедур пакета СЦС-3, были получены массивы кинематических и динамических параметров по заданному отражающему горизонту.

В АО СТС был произведен ввод полученных массивов параметров в первую версию системы "Геотомо" и сделана обработка - как на основе стандартных подходов , так и непосредственно томографическими алгоритмами.

Томографическое восстановление велось комплексно, как по динамическим, так и по кинематическим параметрам. При этом по различным алгоритмам были получены как разрезы значений коэффициента поглощения-рассеяния сейсмических волн, так и локальных латерально-вертикальных вариаций скорости в покрывающей среде.

Результаты убедительно показывают преимущество томографического метода обнаружения и оконтуривания кимберлитовых тел по разрешенности и контрастности перед традиционными подходами. Кроме того, появляются возможности получения дополнительной структурной информации о прилегающей геологической среде.

Наиболее контрастно трубка выделяется и оконтуривается по области аномальных значений коэффициента поглощения рассеяния - в силу своего гетерогенного строения. Четко прослеживается наклонное падение ствола кимберлитового тела по разрезу, подтверждаемое геологическими данными.

По аномальным значениям скоростей сейсмических волн собственно тело трубки не отмечается, как и должно следовать из физико-геологической модели. Но определенно отмечается зона локальных повышенных значений скорости сейсмических волн, связанных, по видимому, с переуплотнением   пород в зоне взрывного внедрения кимберлитового образования.

Еще большие возможности открывает томографический подход при организации площадных наблюдений, исследований методом широкого профиля или даже просто непродольного профилирования - за счет трехмерной объемной обработки и интерпретации сейсмических данных. В этом случае, томографическое восстановление поглощающе-рассеивающих и скоростных свойств среды может вестись как по вертикальным разрезам, так и по горизонтальным и наклонным "срезам" объемного геологического пространства. При это имеются предпосылки для объемного обнаружения и оконтуривания кимберлитовых тел.

Литература

1. Бельфер И.К., Непомнящих И.А. Сейсмическая томография.-М.,1988.-70с:Ил.-Разведочная геофизика: Обзор ВИЭМС.

2. Колонин А.Г. Возможности использования результатов сейсмического просвечивания для обнаружения локальных неоднородностей // СОАН СССР. Геология и геофизика. -1989.-N3.


 

 

Продольное профилирование КМПВ верхней кромки кимберлитового тела.

 

АО СТС. Колонин А.Г., Глущенко А.В. 1995-1996.

            Обычно регистрирующиеся в первых вступлениях преломленные  (головные) волны могут позволить не только получить сведения о строении верхней части разреза для ввода статических поправок, но и дать ценную дополнительную информацию для обнаружения кимберлитовых тел.  Это возможно при интерпретации преломлений от эрозионного среза, секущего верхнюю кромку кимберлитовой трубки,  отличающейся, в эродированной своей части, пониженными скоростями сейсмических волн. Кроме того, КМПВ  позволяет получить структурную карту кровли коренных пород для прослеживания погребенных русел речных долин, перспективных на выявление алмазоносных россыпей.

            Особенностью обработки данных КМПВ для решения данных задач является детальный анализ и учет сейсмического сноса - с целью точной оценки расположения и абсолютных значений аномалий рельефа и скорости. То есть, при величинах сноса в первые сотни метров обнаружение аномалий такого же порядка протяженности может быть невозможно.

            Предлагаемая методика предусматривает автоматическое или полуавтоматическое прослеживание годографов преломленных волн и их последующую интерпретацию. В качестве алгоритмов интерпретации могут быть использованы оригинальные методы “To” с учетом переменного по профилю сейсмического сноса или “миграции времен”. Оба алгоритма позволяют получить горизонтально разрешенные структурные разрезы и графики локальных скоростных вариаций вдоль каждой преломляющей границы.

            На основании построенной по известным скоростям продольных волн физико-геологической модели были  решены прямая и обратная задачи, заключающиеся в расчете прямых и нагоняющих годографов головных волн для продольного и поперечного профилей, проходящих через центр кимберлитового тела, размеры которого в плане составляли 300х100 м. и построении разрезов с графиками скоростей продольных  волн вдоль границы.

            Моделирование и обработка производились с помощью пакета программ “Геотомо” . По теоретически рассчитанным годографам в ходе решения обратной задачи были построены графики скоростей и глубин, которые в силу неоднозначности решения обратной задачи оказались не вполне удовлетворительными. На основе интерпретации, была увеличена однозначность путем введения априорной информации о горизонтальности преломляющей границы, при сохранении расчетной глубины ее залегания. В результате, повысилась четкость и контрастность аномалии пониженной скорости, связанной с эродированной кровлей  кимберлитовой трубки.

            Обработка показала, что можно применять  данную методику исследований для обнаружения верхней кромки кимберлитовых тел - по отдельным профилям и оконтуривания самой трубки - по системам продольных профилей. 


 

 

 

 

 

 

 

Прямой и нагоняющий годографы по продольному профилю, проходящему через середину кимберлитового тела

 

 

 

 

Прямой и нагоняющий годографы по поперечному профилю, проходящему через середину кимберлитового тела

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глубинный разрез и график скорости вдоль границы по продольному профилю

 

 

 

 

Глубинный разрез и график скорости вдоль границы по поперечному профилю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глубинный разрез и график скорости по продольному профилю после введения априорной информации

 

 

 

 

Глубинный разрез и график скорости по поперечному профилю после введения априорной информации

 

 

Томография верхней кромки кимберлитового тела методом КМПВ.

 

АО СТС. Колонин А.Г., Глущенко А.В. 1995-1996

           

            Проведение исследований методом преломленных волн (КМПВ) во многих случаях является технологически более простым и, следовательно, более эффективным экономически, чем традиционный метод ОГТ-МПП. Вместе с тем, томографическая обработка данных непродольного профилирования КМПВ позволяет решить дополнительные задачи, неразрешимые обычной методикой ОГТ:

     произвести оконтуривание кимберлитового тела в плане;

     установить глубину преломляющей границы верхней кромки трубки.

            Методика исследований включает  наблюдение головных волн от границы эрозионного среза, включающей верхнюю кромку кимберлитового тела. Далее,  производится “пересчет” наблюденных кинематических и динамических волновых параметров на плоскость преломляющего горизонта и томографическое восстановление скоростей и поглощающе-рассеиваищих свойств среды в плоскости границы.

            Эффективность данного подхода демонстрируется обработкой данных моделирования сейсмического просвечивания кимберлитового тела 300x100м головными волнами при различных схемах наблюдений :

     просвечивание вдоль длинной оси тела по двум непродольным профилям;

     просвечивание вкрест длинной оси тела по двум непродольным профилям;

     просвечивание тела по контуру по двум парам непродольных профилей.

         При  обработке данных моделировании продольного просвечивания удается восстановить контуры тела с некоторой степенью искажений, связанных с неравномерностью просвечивания по различным направлениям.

            При проведении поперечного просвечивания получены еще более значительные искажения контуров тела по упомянутым выше причинам. Поэтому эта схема наблюдений рекомендуется только в случае, если по каким либо причинам невозможно провести контурное или продольное просвечивание и в случае, если размеры верхней кромки предполагаемого объекта  близки к изометричным.

            Наиболее информативным, применительно к данным условиям оказалась контурная схема просвечивания. Несмотря на то что в реальных условиях этот вид просвечивания является более дорогостоящим, он дает минимальные искажения и после применения пороговой дифференциации  удается с достаточной точностью восстановить границы объекта.

            Для моделирования и обработки были опробованы различные алгоритмы программного комплекса “Геотомо”. Наилучшим образом зарекомендовал себя алгоритм итерационного восстановления с переменно сгущающимся шагом восстановления.

            Для решения обратной задачи использовались кинематические параметры сейсмических волн с восстановлением скоростей по преломляющему горизонту.  Обработка амплитудных характеристик сейсмических волн с получением распределения коэффициента поглощения-рассеяния позволяет добиться более контрастного и устойчивого оконтуривания исследуемого объекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

Модель кимберлитовой трубки -  скорости продольных волн

 

 

 

 

 

Примерная схема  просвечивания

( для наглядности приводится только один источник ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат обработки модельных данных при продольной геометрии просвечивания

 

 

 

 

 

Результат обработки модельных данных при поперечной геометрии просвечивания

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат обработки при контурной схеме наблюдения

 

 

 

 

Результат при контурной схеме просвечивания после пороговой дифференциации

 

 

 

Дифракционная томография кимберлитовой трубки

 

АО СТС. А.Г.Колонин. 1988-1996

 

Применение дифракционной, или волновой, томографии применительно к задаче поисков и разведки кимберлитовых тел интересно по сразу по нескольким, изложенным ниже, причинам.

   Из практики известно, что наиболее ярким и стабильным проявлением кимберлитовых тел в сейсмических полях является наличие дифрагированных волн;

   Существующая алгоритмическая база полного волнового обращения предполагает, как правило, модель "слабого" (Борна или Рытова) рассеяния, чему как нельзя более соответствует сейсмогеологическая модель кимберлитовой трубки;

   Размеры трубок обычно соответствуют радиусу первой зоны Френеля, что позволяет рассматривать их как "типично дифрагирующие" объекты;

   Гетерогенная сейсмогеология кимберлитового тела, способствующая образованию рассеянного сейсмического поля, позволяет рассматривать обращение дифрагированной компоненты сейсмических полей, как  метод "прямых поисков" объектов кимберлитового магматизма.

Основной проблемой практического применения дифракционного метода является затушеванность рассеянных волн как "прямыми" волнами-помехами, так и собственно отраженными волнами, выступающими, по отношению к дифрагированным, в качестве помех. Проблема эта успешно решается оригинальным алгоритмом режекторной скоростной фильтрации разрезов равных удалений, полученных сортировкой исходных массивов первичных сейсмограмм. При этом возможно практически полное "вычитание" как прямых, так и отраженных волн, с сохранением динамики рассеянного волнового поля.

Собственно дифракционная томографическая обработка заключается в обращенном продолжении исходных сейсмограмм в истинных амплитудах, в спектральной области. При этом происходит пересчет временного комплексного спектрального поля U(f,x,t) в пространственное U'(f,x,z). Обращенные спектры далее нормируютcя комплексным фильтром характеристики обращенного продолжения O(f,x,z), что аналогично свертке обратной проекции в лучевой томографии. Полученное нормированное поле U''(f,x,z)=U'(f,x,z)*O(f,x,z) далее исследуется на аномальность спектров в частотных срезах U''(x,z),f=const, или интегральных спектральных амплитудных и фазовых характеристик U'''(f,z).

Полученные амплитудные и фазовые пространственные аномалии позволяют уверенно локализовать источники рассеянных волн и расчленять гетерогенные дифрагирующие объекты по их внутренней структуре. 

Проведенное моделирование полного рассеянного поля от двух контрастных границ и слабоконтрастного гетерогенного кимберлитового тела и волновое томографическое обращение показывают возможность локализации исследуемого объекта на фоне более сильных субгоризонтальных рассеивателей. Процедура предварительного подавления отраженных волн дает возможность восстановления структуры кимберлитового тела "в чистом виде".

Литература

1. Петрашень Г.И. Нахамкин С.А. Продолжение волновых полей в задачах сейсморазведки. - Л.: Наука, 1983. - 118 с.

2.  Wu R.S., Toksos M.N. Diffraction tomography and multisource holography applied to seismic imaging // Geophysics. 1987. V.52, p.11-25

 

 

Комплекс сейсмо-томографических аномалий, связанных с кимберлитовым телом

 

АО СТС. А.Г.Колонин. 1988-1996