Các đặc điểm sóng đàn hồi

Một tập hợp các dạng xung sóng địa chấn theo thời gian ghi sóng gọi là mạch địa chấn. Từ các xung địa chấn có thể xác định các thuộc tính của chúng như chu kỳ, thời gian, bước sóng, sự phân cực, biên độ, tần số,... Hình ảnh dạng sóng địa chấn được thể hiện trên hình 3.5. Trên hình 3.6 là hình ảnh các yếu tố ảnh hưởng đến đặc điểm sóng địa chấn trong quá trình truyền sóng.

Hình 3.5 - Hình ảnh dạng sóng địa chấn và các thuộc tính được xác định

Hình 3.6 - Các yếu tố ảnh hưởng đến dạng sóng địa chấn.

Tốc độ truyền sóng

Tốc độ truyền sóng của các loại đá khác nhau phụ thuộc vào bản chất và cấu trúc của đất đá, vì vậy là tham số rất quan trọng trong phân tích tài liệu.

Với sóng dọc và sóng ngang, tốc độ của chúng được xác định theo công thức:

Trong đó V_p là tốc độ sóng dọc; V_s là tốc độ sóng ngang; E là modul Young; σ là hệ số Poisson; ᵨ là mật độ của đá.

Để xác định tốc độ thực của đá cần phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm hoặc đo siêu âm trong giếng khoan, chúng được sử dụng để xác định thành phần thạch học của các loại đá.

Với các đất đá có lỗ rỗng hoặc khe nứt, sự biến đổi tốc độ theo độ sâu liên quan đặc điểm của khung đá, độ bão hòa nước hoặc khí trong lỗ rỗng. Sự biến đổi tốc độ trong khung đá, độ bão hòa khí, chất lưu theo độ sâu và sự biến đổi tốc độ theo áp suất của một số loại đá được thể hiện trên hình 3.7.

Hình 3.7 - Sự biến đổi tốc độ theo chiều sâu và áp suất a. Sự biến đổi tốc độ theo chiều sâu; b. Sự biến đổi tốc độ theo áp suất

Trong thực tế, môi trường trầm tích bao gồm xen kẽ các loại có thành phần thạch học, độ rỗng và độ bão hòa chất lưu khác nhau, do đó khi khảo sát thường xác định tốc độ trung bình một tập hợp các đá trong một lớp có bề dày nhất định mà trong đó có một loại đá là chủ yếu. Tốc độ này được gọi là tốc độ khoảng (V_kh) hoặc tốc độ lớp (V₁). Việc xác định tốc độ lớp có thể tiến hành bằng phân tích quy luật biến đổi của tốc độ trung bình, phân tích tài liệu đo địa chấn hoặc địa chấn siêu âm trong giếng khoan.

Ngoài ra, để nghiên cứu quy luật phân bố địa tầng theo chiều sâu, chuyển đổi lát cắt địa chấn theo thời gian thành lát cắt địa chất theo chiều sâu còn sử dụng một số loại tốc độ khác như tốc độ trung bình (V_tb), tốc độ bình phương trung bình (V_rms), tốc độ cộng điểm sâu chung (V_ĐSC), tốc độ biểu kiến (V_bk)...

Giả sử trong môi trường có n lớp, mỗi lớp có bề dày Δh_n, thời gian sóng truyền trong lớp ấy là Δt_n

Tốc độ khoảng (hoặc tốc độ lớp) được tính là V_kh = Δh_n/Δt_n

Tốc độ trung bình: là tốc độ được tính trung bình cho phần môi trường từ bề mặt đến chiều sâu xác định nào đó: V_tb = h_n/t_n= Σ Δh_n/Σ Δt_n

Tốc độ bình phương trung bình: V_rms = [(Σ V²_n.Δt_n) / Σ Δt_n]½

Tốc độ cộng điểm sâu chung: là tốc độ tính được trên cơ sở phân tích trong quá trình cộng điểm sâu chung (V_ĐSC). Khi mặt ranh giới có góc nghiêng (thì tốc độ cộng có giá trị lớn hơn tốc độ trung bình: V_ĐSC= V_tb/cos φ

Tốc độ biểu kiến: là tốc độ tính theo tuyến quan sát mà không phải theo phương truyền sóng. Với góc đổ của tia sóng là α, ta có: V_bk= v/sin α

Khái niệm tốc độ lớp, tốc độ trung bình, tốc độ bình phương trung bình được nêu trên hình 3.8 và bảng 3.1.

Hình 3.8 - Tốc độ trung bình, tốc độ cộng (hoặc tốc độ bình phương trung bình), tốc độ lớp (hoặc tốc độ khoảng)

Bảng 3.1. Các loại tốc độ

Trở sóng (Impedance)

Trở sóng (Z) là tham số gồm tích mật độ đất đá (ᵨ) với tốc độ truyền sóng (V): Z = ᵨV

Liên quan đến các loại sóng khác nhau như sóng dọc (P), sóng ngang (S), sóng biến đổi (PS)... cũng có các loại trở sóng khác nhau như trở sóng âm học (Acoustic Impedance) liên quan đến sóng dọc (Z_p= ᵨV_p), trở sóng cắt (Shear Impedance) liên quan đến sóng ngang (Z_s= ᵨV_s) và trở sóng đàn hồi (Elastic Impedance) liên quan đến cả sóng dọc và sóng ngang (Z_ps= V_p^a.V_s^b.ρ^c).

Biên độ

Biên độ là biểu hiện mức năng lượng sóng được xác định bởi các tính chất vật lý của các đối tượng địa chất dưới bề mặt.

Biên độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số phản xạ trên các mặt ranh giới (R), hệ số hấp thụ trong môi trường truyền sóng (α), sự mở rộng mặt sóng (1/r)... Khi tồn tại mặt ranh giới giữa 2 lớp đất đá khác nhau có mật độ và tốc độ tương ứng là ρ₁, v₁, _và ρ₂, v₂. Trong trường hợp tia sóng thẳng góc với mặt ranh giới (góc đổ α = 0), hệ số phản xạ R_o được xác định:

A₁ và A_o là biên độ sóng phản xạ và sóng tới. Khi thu sóng ở xa nguồn phát (góc đổ α ≠ 0), hệ số phản xạ có sự biến đổi theo khoảng cách (hoặc theo góc đổ).

Các vỉa chứa dầu khí có khung đá, hình dạng, độ rỗng chứa khí hoặc chất lưu khác nhau... Chính những đặc điểm này tạo nên sự khác biệt về trở sóng so với các đá xung quanh và tạo nên các dị thường biên độ như: điểm sáng, điểm tối, điểm bằng... Đây là những dấu hiệu quan trọng nhằm phát hiện các vỉa sản phẩm.

Tần số và độ phân giải

Tốc độ truyền sóng (v), tần số (f) và bước sóng (λ) có mối quan hệ với nhau và có sự thay đổi theo chiều sâu. Khi độ sâu tăng lên thì tần số giảm trong khi đó tốc độ và bước sóng tăng lên, điều này cho thấy càng xuống sâu độ phân giải càng kém.

Hình 3.9 - Sự phụ thuộc tốc độ, tần số và bước sóng vào độ sâu

Hình 3.10 - Mối quan hệ giữa tốc độ truyền sóng (v) và bước sóng (λ) tương ứng với các giá trị tần số khác nhau

Các quy luật này thể hiện trên hình 3.9. Trên hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ truyền sóng (v) và bước sóng (λ) tương ứng với các tần số khác nhau từ 10-100Hz:

λ = v/f

Khả năng phân biệt các đối tượng nằm sát nhau cả phương thẳng đứng và phương nằm ngang trên băng ghi địa chấn được gọi là độ phân giải địa chấn (Resolution seismic). Độ phân giải địa chấn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tần số, tốc độ, năng lượng sóng trong đới Fresnel.

- Độ phân giải thẳng đứng: là khả năng phân biệt được hai mặt phản xạ sát nhau trên băng ghi địa chấn. Độ phân giải càng cao thì có khả năng phân biệt các mặt phản xạ càng sít nhau. Độ phân giải thẳng đứng phụ thuộc vào tần số (f) hoặc chu kỳ (T), tốc độ truyền sóng (v), tính chất của môi trường và thường thay đổi trong phạm vi 1/4 bước sóng λ:

Hình 3.11 - Khả năng xác định nóc và đáy lớp vát nhọn và độ phân giải thẳng đứng a. Mô hình một lớp vát nhọn; b. Khả năng xác định lớp vát nhọn trên lát cắt địa chấn

Thí dụ nếu có nguồn phát với tần số f = 40Hz, tốc độ trong cát kết v = 3.000m/s thì độ phân giải để phân biệt được các mặt ranh giới trên băng ghi là Δh = 3.000/(4 x 40) = 18m. Nếu các lớp đất đá nằm ở nông với tốc độ v = 1.500 ÷ 2.000m/s và f = 50Hz, khi đó độ phân giải Δh = 5 ÷ 10m. Ở chiều sâu lớn hơn, v = 5.000 ÷ 6.000m/s, tần số giảm f = 20Hz độ phân giải là 35 ÷ 75m. Hình ảnh khả năng xác định nóc và đáy lớp vát nhọn phụ thuộc độ phân giải thẳng đứng được minh họa trên hình 3.11. Trên mô hình một lớp vát nhọn có bề dày thay đổi 0-50ms. Trên lát cắt địa chấn, chỉ phân biệt được nóc và đáy khi bề dày lớn hơn độ phân giải thẳng đứng (30ms).

Độ phân giải ngang là khả năng phân biệt các đối tượng theo chiều ngang. Năng lượng sóng đến mặt quan sát không phải là một điểm mà từ một diện tích nhất định trên mặt phản xạ.

Hình 3.12 - Đới Fresnel thứ nhất

Diện tích đó gọi là đới Fresnel thứ nhất, nó được giới hạn bởi khoảng cách giữa hai mặt sóng cách nhau 1/4 bước sóng. Năng lượng của đới này đóng góp chủ yếu vào tín hiệu phản xạ so với các đới khác và độ phân giải ngang phụ thuộc vào diện tích đới này. Bán kính của đới này phụ thuộc vào khoảng cách đến nguồn và tần số. Với tần số cao thì đới này nhỏ và ngược lại. Trên hình 3.12 là hình ảnh đới Fresnel thứ nhất.

Sự suy giảm năng lượng sóng

Trong quá trình truyền sóng, năng lượng bị suy giảm do các nguyên nhân khác nhau:

Khi truyền sóng, mặt sóng mở rộng dần nên mật độ năng lượng trên mặt sóng giảm dẫn đến biên độ giảm theo khoảng cách đến nguồn.

- Trong môi trường không đồng nhất, sự tồn tại các mặt ranh giới có trở sóng khác nhau (ranh giới địa tầng, đứt gãy, ranh giới đá và chất lưu...) dẫn đến quá trình phản xạ và khúc xạ làm giảm năng lượng sóng.

- Trong môi trường địa chất, năng lượng sóng còn bị suy giảm do sự hấp thụ năng lượng của môi trường. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào thành phần thạch học và tính chất vật lý của đất đá. Với các loại đất đá khác nhau, cơ chế hấp thụ cũng khác nhau, hệ số hấp thụ tăng theo độ rỗng, độ nứt nẻ, độ bão hòa dầu khí... Hệ số hấp thụ cũng là một trong các tính chất vật lý của đất đá và có thể sử dụng để phân tích tài liệu. Trên hình 3.13 là hình ảnh sự suy giảm biên độ, tần số và mạch địa chấn theo thời gian.

Hình 3.13 - Hình ảnh sự suy giảm năng lượng theo thời gian trong quá trình truyền sóng a. Sự suy giảm biên độ; b. Sự suy giảm tần số; c. Sự biến đổi mạch địa chấn

Sóng có ích và nhiễu

Để giải quyết các nhiệm vụ địa chất, với mỗi phương pháp địa chấn thường sử dụng một loại sóng nhất định. Trong khi đó dưới tác dụng của nguồn phát, trong tập hợp các sóng ghi nhận được, ngoài sóng có ích còn tồn tại phông nhiễu phức tạp gây trở ngại cho việc phát hiện và theo dõi sóng có ích.

- Sóng có ích

Trong tập hợp các sóng xuất hiện ở điểm quan sát, chỉ những sóng liên hệ với đối tượng nghiên cứu và được sử dụng để phân tích gọi là sóng có ích. Trong phương pháp địa chấn phản xạ, sóng có ích là sóng phản xạ một lần từ các mặt ranh giới phản xạ.

Trong phương pháp tuyến địa chấn thẳng đứng, sóng có ích là sóng từ nguồn phát hoặc sóng phản từ các mặt ranh giới. Các sóng phản xạ có phổ tần số nằm trong khoảng ха 20-30Hz đến 60-80Hz. Dạng xung có dạng sin tắt dần gồm 3-5 pha cực đại và cực tiểu, kéo dài trong khoảng thời gian 50-70ms. Các xung sóng địa chấn có thể đối xứng hoặc không đối xứng.

- Nhiễu

Tập hợp các sóng không liên hệ với đối tượng nghiên cứu hoặc không sử dụng để phân tích được gọi là nhiễu. Có thể chia ra nhiễu có quy luật và không quy luật:

Nhiễu có quy luật là loại nhiễu liên quan đến nguồn phát mà hình dạng, biên độ, pha... không thay đổi hoặc thay đổi từ từ dọc tuyến khảo sát, có thể theo dõi trên những đoạn tuyến như sóng mặt, sóng âm, sóng phản xạ nhiều lần, sóng tán xạ...

- Sóng mặt: Tồn tại ở ranh giới, có phổ tần số thấp hơn sóng phản xạ (20-30Hz), tốc độ biểu kiến nhỏ (200-1.000m/s), biên độ dao động lớn hơn sóng có ích, tắt dần nhanh theo khoảng cách.

- Sóng âm: Hình thành khi nổ mìn trong không khí hoặc các hố nông, trong các hố khoan lấp đầy đất hoặc nước, chúng có tốc độ 330-340m/s, tần số cao hơn sóng có ích (50-100Hz), sóng có biên độ lớn.

- Sóng tán xạ được hình thành khi môi trường có các bất đồng nhất với kích thước nhỏ hơn bước sóng như các đới vát nhọn, nứt nẻ, đứt gãy, mặt gồ ghề... Trên lát cắt địa chấn trường sóng tán xạ biểu hiện dưới dạng hypebol có đỉnh tại các điểm gây ra tán xạ. Sự tồn tại của chúng làm ảnh hưởng đến nhận dạng sóng có ích và cần phải hạn chế chúng trong quá trình xử lý số liệu.

- Sóng phản xạ nhiều lần (PXNL) là loại sóng phản xạ nhiều hơn một lần từ các mặt ranh giới khác nhau, đây là loại nhiễu gây trở ngại chủ yếu cho việc ghi nhận sóng có ích. Trong môi trường phân lớp, các mặt ranh giới có hệ số phản xạ lớn thường là nguyên nhân gây ra sóng PXNL. Đây cũng là sóng phản xạ nhưng lặp lại nhiều lần trên các mặt ranh giới khác nhau nên dễ nhầm lẫn và việc nhận biết và loại trừ chúng rất khó khăn. Loại sóng này có chu kỳ lặp khá phức tạp và có biên độ khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm các mặt phản xạ có liên quan.

- Sóng trực tiếp: Hình thành khi sóng truyền trực tiếp từ nguồn đến máy thu.

- Sóng sườn: 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, tốc độ biểu kiến (v*) thay đổi phụ thuộc vị trí đặt tuyến.

- Sóng đáy: Tương tự như sóng mặt khi quan sát trên đất liền, chúng thường xuất hiện khi đáy biển nâng, đáy bùn, v* nhỏ (khoảng 1000m/s) tần thấp (10-20Hz).

Nhiễu không có quy luật (ngẫu nhiên) 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 được trong những đoạn tuyến dài. Nhiễu ngẫu nhiên gồm nhiễu nguồn và vi địa chấn.

- Nhiễu nguồn: Liên hệ với nguồn phát và hình thành do kết quả cộng các dao động phức tạp trong môi trường.

- Nhiễu vi địa chấn xuất hiện do những nguyên nhân không liên quan đến nguồn phát như mưa gió, các hoạt động khác của con người và tự nhiên. Do không liên quan đến nguồn nên không suy giảm theo thời gian và ảnh hưởng đến ghi nhận sóng có ích ở thời gian lớn.

Với đặc điểm phức tạp của các loại nhiễu và ảnh hưởng của chúng đến việc phát hiện, theo dõi sóng có ích, nên nhiệm vụ rất quan trọng của thăm dò địa chấn là cần nhận biết và hạn chế chúng.

Theo Minh giải địa chấn trong thăm dò và khai thác dầu khí

Đặc điểm địa chất liên quan đến tiềm năng dầu khí ở Việt Nam

Các bể trầm tích liên quan đến tiềm năng dầu khí - Phần 1

Các bể trầm tích liên quan đến tiềm năng dầu khí - Phần 2

Khái quát về thăm dò địa chấn, các loại sóng đàn hồi