Tài liệu Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ

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 quá trình học tập tại trường Đại học khoa học tự nhiên em đã nhận được sự tận tình dạy dỗ, chỉ bảo của các thầy cô trong khoa Vật Lý nói riêng và các thầy cô trong trường nói chung. Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo đã dạy em trong thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Lý Địa Cầu đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản trong thời gian học tập tại trường. Và đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Đức Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành tốt luận văn này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và các bạn đã quan tâm động viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập và trong thời gian làm luận văn. Em mong nhận được sự quan tâm và góp ý của thầy cô và các bạn về luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2015. Học viên Trần Thị Thu Phƣơng MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................6 CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ .....7 1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp. .........................................................................8 1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi ....................................................................8 1.1.2. Cơ sở địa chấn hình học ....................... Error! Bookmark not defined. 1.1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi: ..... Error! Bookmark not defined. 1.2. Kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn ................. Error! Bookmark not defined. 1.2.1. Kỹ thuật phát sóng địa chấn: ................ Error! Bookmark not defined. 1.2.2. Kỹ thuật thu sóng địa chấn:.................. Error! Bookmark not defined. 1.2.3. Hệ thống quan sát sóng địa chấn: ........ Error! Bookmark not defined. 1.3. Ứng dụng của phương pháp địa chấn phản xạ.............. Error! Bookmark not defined. 1.3.1. Nghiên cứu địa chất khu vực. .............. Error! Bookmark not defined. 1.3.2. Tìm kiếm cấu tạo.................................. Error! Bookmark not defined. 1.3.3. Công tác thăm dò chi tiết ..................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 2: XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TRUYỀN SÓNG TRONG ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ ..................................................................... Error! Bookmark not defined. 2.2. Phương pháp biểu đồ giao nhau. ............. Error! Bookmark not defined. 2.3. Phương pháp biểu đồ hiệu....................... Error! Bookmark not defined. 2.4. Phương pháp tọa độ bình phương. .......... Error! Bookmark not defined. 2.5. Xây dựng phổ tốc độ. .............................. Error! Bookmark not defined. 2.6. Xác định tốc độ bằng phương pháp các điểm tương hỗ. ............... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 3: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM TRÊN SỐ LIỆU MÔ HÌNH ........ Error! Bookmark not defined. 3.1. Chương trình và số liệu. ................................. Error! Bookmark not defined. 3.2. Mô hình 1 ........................................................ Error! Bookmark not defined. 3.3. Mô hình 2 ........................................................ Error! Bookmark not defined. 3.4. Mô hình 3 ........................................................ Error! Bookmark not defined. 3.5. Mô hình 4 ........................................................ Error! Bookmark not defined. 3.6. Mô hình 5 ........................................................ Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN .................................................................. Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................10 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.2. Mối quan hệ giữa BĐTK và tốc độ biểu kiến v* ..... Error! Bookmark not defined. Hình 1.3. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của sóng đàn hồi .... Error! Bookmark not defined. Hình 2.1. Biểu đồ thời khoảng và đường u trung bình. ........... Error! Bookmark not defined. Hình 2.2. a. BĐTK ; b. Dựng đường  (x) .................. Error! Bookmark not defined. Hình 2.5.1. Băng địa chấn 3 trục đồng pha ................ Error! Bookmark not defined. Hình 2.5.2. Kết quả tinh phổ tốc độ ........................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.1.1. Mô tả lựa chọn tốc độ ............................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.1.2. Mô tả phương pháp chia đôi .................... Error! Bookmark not defined. Bảng 3.1. Các thông số mô hình ................................. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.2. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined. Hình 3.2. Mô hình 1 và các BĐTK tính toán .............. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.3. Các thông số mô hình ................................. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.4. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined. Hình 3.3. Mô hình 3.2 và các BĐTK tính toán ........... Error! Bookmark not defined. Bảng 3.5. Các thông số mô hình ................................. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.6. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined. Hình 3.4. Mô hình 3 và các BĐTK tính toán .............. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.7. Các thông số mô hình ................................. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.8. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ....... Error! Bookmark not defined. Hình 3.5. Mô hình 4 và các BĐTK tính toán .............. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.9. Các thông số mô hình ................................. Error! Bookmark not defined. Bảng 3.10. Các biểu đồ thời khoảng từ 2 điểm nổ ..... Error! Bookmark not defined. Hình 3.6. Mô hình 5 và các BĐTK tính toán .............. Error! Bookmark not defined. MỞ ĐẦU Thăm dò địa chấn là một trong các phương pháp thông dụng của địa vật lý thăm dò. Nó gồm tập hợp nhiều phương pháp quan sát trường sóng đàn hồi phát triển trong môi trường đất đá để nghiên cứu cấu trúc trái đất và thăm dò tìm kiếm khoáng sản. Thăm dò địa chấn cho kết quả với độ chính xác cao. Chính vì ưu thế đó mà mặc dù đòi hỏi chi phí lớn nhưng thăm dò địa chấn vẫn được ưu tiên sử dụng, nhất là trong công tác thăm dò dầu khí. Nhiệm vụ của phương pháp thăm dò địa chấn là xác định độ sâu, hình dạng của ranh giới giữa các lớp đất đá và vận tốc truyền sóng đàn hồi trong các lớp đất đá đó. Gần đây, đã có nhiều nhà khoa học cố gắng dựa vào đặc điểm trường sóng thu được để nghiên cứu thành phần thạch học, độ rỗng … của đất đá. Trong vật lý chúng ta đã biết mối quan hệ mật thiết giữa Thời gian - Quãng đường - Vận tốc. Có nhiều cố gắng của các nhà nghiên cứu trong việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn trong các lớp đất đá. Có thể dựa vào các lỗ khoan sâu để xác định vận tốc truyền sóng. Địa chấn lỗ khoan chắc chắn sẽ cho những kết quả đáng tin cậy nhất. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có được điều kiện thuận lợi như vậy, chủ yếu công việc xác định vận tốc vẫn phải dựa trên các biểu đồ thời khoảng hay nói chung là các băng địa chấn. Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, học viên được giao đề tài theo hướng tìm hiểu bài toán xác định tốc độ truyền sóng trong phương pháp địa chấn phản xạ. Nội dung сủa luận văn : - Tổng quan về phương pháp địa chấn phản xạ. - Tìm hiểu về việc xác định vận tốc truyền sóng địa chấn. - Tìm hiểu một phương pháp cụ thể để áp dụng. - Xây dựng mô hình và thử nghiệm phương pháp. Cấu trúc luận văn Mở đầu. Chương 1 : Một số nét về phương pháp địa chấn phản xạ. Chương 2: Xác định tốc độ truyền sóng trong địa chấn phản xạ. Chương 3: Một số thử nghiệm trên số liệu mô hình. Kết luận. CHƢƠNG 1: MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ Thăm dò địa chấn là phương pháp địa vật lý nghiên cứu đặc điểm trường sóng dao động đàn hồi trong môi trường đất đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau như nghiên cứu cấu trúc vỏ trái đất, tìm kiếm thăm dò dầu khí và tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu nền móng công trình… Trong thăm dò địa chấn, người ta tiến hành nổ mìn, rung, đập hoặc ép hơi…để tạo ra các xung dao động, các xung dao động này truyền trong môi trường dưới dạng sóng đàn hồi. Nếu gặp các mặt ranh giới của các tầng đất đá có tính chất đàn hồi khác nhau thì chúng sẽ tạo nên các sóng thứ cấp như sóng phản xạ, khúc xạ, sóng tán xạ…Với các thiết bị máy móc thích hợp đặt ở trên mặt hoặc trong giếng khoan ta có thể thu nhận và ghi giữ các dao động sóng này trên các băng địa chấn. Sau quá trình xử lí và phân tích tài liệu sẽ cho phép hình thành các lát cắt địa chấn, các bản đồ và các thông tin khác phản ánh đặc điểm hình thái và bản chất môi trường vùng nghiên cứu. Có hai phương pháp địa chấn chính là phương pháp địa chấn phản xạ và địa chấn khúc xạ, chúng được áp dụng trên đất liền, trên biển, trong hầm lò hoặc trong các giếng khoan… Phương pháp địa chấn được hình thành từ những năm hai mươi của thế kỷ 20 và cho đến nay đã có những bước phát triển rất mạnh mẽ kể cả trong lĩnh vực phương pháp, thiết bị và xử lý số liệu. Ngày nay người ta đã sử dụng các trạm địa chấn ghi số có hàng trăm mạch ghi, sử dụng hệ giao thoa “điểm sâu chung” với số bội rất cao, quan sát trong không gian 3 chiều, xử lý số liệu với chương trình xử lý khổng lồ và có thể minh giải tài liệu trên các trạm máy tính. Ở nước ta, phương pháp địa chấn phản xạ đã được áp dụng từ những năm 60 nhằm phục vụ cho tìm kiếm và thăm dò dầu khí. Hiện nay, việc khảo sát tỷ mỷ thềm lục địa đang được tiến hành với các thiết bị hiện đại và công nghệ xử lý đạt trình độ tiên tiến trên thế giới. Ngoài lĩnh vực dầu khí, phương pháp địa chấn còn được áp dụng để khảo sát các vùng biển nông và tìm kiếm sa khoáng (từ năm 1991), khảo sát nền móng công trình (từ năm 1970) và nghiên cứu các mỏ hầm lò (từ năm 1991). 1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp. 1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi + Cơ sở lý thuyết đàn hồi: Người ta gọi những vật thể khi có lực tác dụng thì thay đổi về hình dạng và thể tích và khi ngừng tác dụng của lực thì lập tức trở lại trạng thái ban đầu là các vật thể đàn hồi. Sự thay đổi về hình dạng và thể tích như vậy gọi là biến dạng đàn hồi. Trong các phương pháp địa chấn, do lực tác dụng nhỏ và thời gian tác dụng lực rất ngắn nên có thể coi môi trường đất đá là môi trường đàn hồi. Có hai loại biến dạng đàn hồi là biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng. Nếu lực tác dụng chỉ làm thay đổi về thể tích mà hình dạng của vật vẫn giữ nguyên thì biến dạng đó gọi là biến dạng thể tích. Ngược lại nếu vật thể chỉ thay đổi hình dạng mà thể tích không đổi thì đó là biến dạng hình dạng. Các dạng biến dạng đàn hồi phức tạp đều được coi là tổng biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng. Khi ngoại lực tác dụng lên vật thể gây nên sự biến dạng thì trong vật thể đồng thời xuất hiện nội lực có xu hướng chống lại ngoại lực nhằm kéo các phần tử vật chất về trạng thái ban đầu. Nội lực này gọi là ứng lực. Ứng lực tác dụng lên một đơn vị diện tích nhằm cân bằng với ngoại lực gọi là ứng suất. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được mô tả bới định luật Huk. Môi trường đàn hồi được đặc trưng bởi các tham số đàn hồi như mô đun giãn dọc E (mô đun Iung), mô đun nén ngang σ (hệ số poatson) hoặc hằng số Lame μ, λ và mật độ ρ. Giả sử có một hình trụ tròn chiều dài l và đường kính d. Dưới tác dụng của lực F vật bị biến dạng có độ giãn dọc là ∆l và độ nén ngang là ∆d. Gọi độ giãn dọc tương đối là ∂l = , ∂d = Ứng suất T có độ lớn là : T = = (1.1) Vì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính nên ta có: ∆l = aT , Và ∂l = ∆d = bT, = ∂d = a và b là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất đàn hồi và kích thước của vật thể + Sự hình thành sóng đàn hồi: Trong thăm dò địa chấn, khi kích thích xung lực ở một điểm nào đó của môi trường thì sẽ gây nên sự biến dạng và suất hiện ứng suất. Do hiện tượng quán tính nên các phần tử vật chất của môi trường sẽ dao động quanh vị trí cân bằng, trong môi trường đàn hồi các dao động này được lan truyền theo mọi hướng dưới dạng sóng đàn hồi. Sóng đàn hồi được truyền đi với vận tốc xác định, tấc độ truyền sóng phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trường. Trong môi trường đồng nhất, khi có kích thích dao động thì sẽ tạo ra hai loại sóng khác nhau là sóng dọc (P) và sóng ngang (S) . Sóng dọc (P) liên quan đến biến dạng thể tích, phương dao động của hạt cùng với phương truyền sóng. Khi sóng dọc truyền đi sẽ tạo ra các đới nén, dãn liên tiếp. Sóng ngang (S) liên quan đến biến dạng hình dạng, phương dao động của hạt vật chất thẳng góc với phương truyền sóng. Khi sóng ngang truyền đi sẽ tạo ra các đới trượt liên tiếp. Trong môi trường đồng nhất sóng dọc và sóng ngang truyền độc lập với nhau và có tốc độ khác nhau là vp và vs vp = vs = (1.2) Với ρ là mật độ đất đá, E là mô đun Iung và σ là hệ số Poatson So sánh vp và vs ta có: (1.3) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Tạ Văn Đĩnh (1994), Phương pháp tính, Nhà xuất bản Giáo dục. 2. Mai Thanh Tân(2005), Địa vật lý đại cương, Nhà xuất bản GTVT. 3. Nguyễn Đức Tiến (2013), Địa vật lý đại cương, Nhà xuất bản ĐHQG Tp HCM. 4. Phạm Năng Vũ và NNK(1983), Thăm dò địa chấn, Nhà xuất bản ĐH và TH Chuyên nghiệp. 5. Dương Thuỷ Vỹ (2001), Phương pháp tính, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. Tiếng Anh 6. Golden Sofware Inc. SURFER User’s Guide. 7. Geldart 4444444444444, Sheriff L.P (1995), Exploration Seismology [2 ed.], Cambridge University Press,. 8. Reynolds John M (1997), An Introduction to Applied and Environmental Geophysics ,Wiley. Tiếng Nga 9. Phedynxki А (1964), Thăm dò địa vật lý, Nhà xuất bản "Nhedra". 10. Urupov A.K(1966), Nghiên cứu đánh giá tốc tộ trong thăm dò địa chấn, Nhà xuất bản Nhedra.