Способ поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом
METHOD OF SEARCHING FOR MINERAL RESOURCES ON THE SHELF OF SEAS COATED BY ICE

Изобретение относится к области поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом, к пассивным сейсмоакустическим методам уточнения геологических моделей строения отдельных участков дна северных морей и может быть использовано для осуществления мониторинга состояния геологической среды при разработке шельфовых и глубоководных месторождений полезных ископаемых, для локализации крупных неоднородных образований, таких как различного рода заиленные объекты, вулканические структуры в морском дне и т.п.
Известен способ проведения 3D подводно-подледной сейсмоакустической разведки с использованием подводного судна, в котором геофизическую 3D подводно-подледную разведку предложено осуществлять посредством перемещения вблизи дна исследуемой морской акватории излучателя акустического сигнала, установленного на подводном судне, а сигналы, рассеянные неоднородностями среды, принимать с помощью донных автономно работающих сейсмоакустических приемников (см. патент РФ №2485554).
Недостатком данного способа является использование активного излучения с подводного судна, что требует дополнительных, по сравнению с пассивными методами мониторинга, энергозатрат для проведения глубинного зондирования и, как следствие, ограничивает время функционирования судна, в том числе и в случае наличия сложных ледовых условий.
Известен способ морской сейсмической разведки, где для получения сейсмического изображения при поисках залежей нефти и газа на акваториях арктических морей, покрытых паковыми льдами, предложено использовать источник упругих колебаний и многоканальное приемное устройство, которое фиксируют на дрейфующей льдине и размещают в водном слое под льдиной вертикально по двум взаимно ортогональным направлениям (см. патент РФ №2076342).
Недостатком данного способа является то, что используют активные излучатели, что приводит к высокой стоимости эксперимента, определяемой, в первую очередь, стоимостью самих излучателей, затратами на их энергообеспечение и на их доставку в нужную географическую точку. Кроме этого, мощный акустический сигнал оказывает пагубное влияние на морских обитателей, что приводит к серьезным экологическим последствиям подобной разведки. А также измерения проводятся локально, непосредственно в месте нахождения измерительных модулей, что не позволяет эффективно использовать для мониторинга обширных арктических акваторий и нефтегазовых провинций.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ поиска углеводородов на шельфе северных морей, включающий регистрацию сейсмических волн на исследуемом участке шельфа, проведение расчета спектрально-временных характеристик, анализ временных записей сигналов и их спектров на каждом измеряемом участке на наличие сейсмической помехи и исключение этих интервалов записей из дальнейшего рассмотрения, учет суточных вариаций микросейсмического волнового поля, анализируют сейсмические сигналы, однородные по мощности, определение спектра дисперсий спектральных линий и по увеличению амплитуды спектральных линий в спектре дисперсии судят о наличии залежи углеводородов. Используют сейсмогидроакустические приемные системы с нулевой плавучестью и располагают их в водном слое над поверхностью дна, осуществляют регистрацию и анализ амплитудного спектра составляющих колебательной скорости по трем осям координат и гидроакустического давления, при этом выделяют и анализируют активную и реактивную части спектра мощности микросейсмических волн, по которым затем определяют вертикальный разрез структуры морского дна, наличие и глубину залегания углеводородов (см. патент РФ №2517780).
Недостатком данного способа является низкая точность регистрации помеховых сигналов, создаваемых ледовой пластиной, в том числе изгибно-гравитационных волновых процессов, что затрудняет разделение полезного сигнала и шума, при установке сейсмометров на дно в ледовых условиях. А также необходимость всплытия приемных модулей для передачи накопленной и обработанной информации, что затруднительно при наличии сплошного ледового покрова. Наличие ледового покрова также снижает точность определения пространственных координат используемых подводных аппаратов, что ограничивает точность проводимого зондирования среды.
Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения поиска месторождений полезных ископаемых в условиях покрытого льдом моря с высокой эффективностью.
Техническим результатом является повышение точности и достоверности поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом, за счет регистрации всех типов полезных сигналов, внешних шумов различной природы как антропогенного, так и естественного характера, гидроакустических помех, шумов ледового покрова, в том числе изгибно-гравитационных волновых процессов, связанных с колебаниями ледовой пластины, также упрощение способа и уменьшение затрат.
Технический результат достигается в способе поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом, включающем площадную расстановку на исследуемой территории с заданным шагом измерительных пунктов, каждый из которых состоит из установленного в толще ледового покрова сейсмоприемника и расположенного в толще воды под сейсмоприемником гидроакустического векторного приемника, регистрацию на каждом измерительном пункте сейсмоакустических и гидроакустических сигналов от шумовых источников в течение определенного времени с последующим выделением поверхностной сейсмической волны из сейсмоакустического сигнала путем сравнения сейсмоакустических и гидроакустических сигналов с последующей фильтрацией сейсмоакустического сигнала от гидроакустических помех и шумов ледового покрова, вычисление взаимно-корреляционной функции отфильтрованных поверхностных сейсмических волн для каждой пары сейсмоприемников, определение времени распространения поверхностной сейсмической волны по положению максимума взаимно-корреляционной функции, построение экспериментальных карт скорости поверхностной сейсмической волны для разных ее частот ƒ, моделирование карт скорости поверхностной сейсмической волны для тех же частот ƒ путем построения математических моделей исследуемой геологической среды с разным распределением значений упругих параметров по глубине с последующим сравнением модельных карт скорости поверхностной сейсмической волны с полученными экспериментальными картами скорости поверхностной сейсмической волны, выбор математической модели исследуемой геологической среды, для которой модельные карты скорости поверхностной сейсмической волны идентичны полученным экспериментальным картам скорости поверхностной сейсмической волны и суждение о наличии полезных ископаемых по значению упругих параметров выбранной математической модели исследуемой геологической среды.
Площадная установка в толще ледового покрова сейсмоприемников позволяет регистрировать все типы полезных сигналов, внешние шумы различной природы как антропогенного, так и естественного характера, гидроакустические помехи, шумы ледового покрова, в том числе изгибно-гравитационные волновые процессы, связанные с колебаниями ледовой пластины, кроме того, фиксировать положения сейсмоприемников в географических координатах с высокой точностью при помощи спутниковой системы позиционирования, что повышает достоверность поиска полезных ископаемых, а также позволяет надежно выставить абсолютное горизонтальное положение каждого сейсмоприемника по уровню и сориентировать его по сторонам света, что приводит к более точному измерению вертикальной и горизонтальной компонент сейсмоакустического сигнала. Значительно упрощается техническая часть выполнения поиска полезных ископаемых, так как в отличие от применяемых сегодня донных и морских приемников использование специализированных судов не требуется. К тому же приводит к построению трехмерной математической модели среды, что позволяет более обоснованно, по сравнению с анализом разреза вдоль профиля, принимать решение о наличии полезных ископаемых.
Установка гидроакустического векторного приемника в толще воды под сейсмоприемником позволяет получать дополнительную информацию о волновом поле в измерительной точке и определять таким образом направление и тип гидроакустической помехи, что приводит к повышению соотношения полезный сигнал/шум.
Регистрация на каждом измерительном пункте сейсмоакустического и гидроакустического сигналов от шумовых источников в течение определенного времени с последующим вычислением взаимно-корреляционной функции поверхностных сейсмических волн для каждой пары сейсмоприемников, определением времени распространения поверхностной сейсмической волны по положению максимума взаимно-корреляционной функции приводит к равномерному освещению исследуемой территории сейсмическими трассами с различных направлений в совокупности с использованием всей волновой формы сигнала для определения времен распространения и усреднением шумовых сигналов за достаточно длительное время, что приводит к повышению точности и достоверности выделения перспективных для добычи полезных ископаемых участков морского дна.
Моделирование карт скорости поверхностной сейсмической волны путем построения математических моделей исследуемой геологической среды с разным распределением значений упругих параметров по глубине с последующим сравнением модельных карт скорости поверхностной сейсмической волны с полученными экспериментальными картами скорости поверхностной сейсмической волны обеспечивает точное определение упругих параметров (скорость продольных волн, скорость поперечных волн, плотность) геологической среды в случае предположения о слоистой структуре изучаемого региона. Кроме того, выполнение математического моделирования позволяет выполнять оценку разрешения метода и по глубине, и в горизонтальной плоскости, что повышает достоверность способа.
Способ поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом, поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид системы для осуществления способа поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом, на фиг. 2(a) - пример использования способа поиска полезных ископаемых в акватории Карского моря, где треугольниками отображены измерительные пункты. На фиг. 2(б) - характерный вид взаимно-корреляционной функции двух сейсмоприемников, установленных в толще ледового покрова, где вертикальные линии указывают на время распространения поверхностной волны. На фиг. 3(а-г) - примеры экспериментальных карт поверхностных волн для разных частот, на фиг. 3(д) - модель распределения упругих параметров среды по глубине.
Способ поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом, осуществляется следующим образом.
Производят площадную расстановку на исследуемой территории с заданным шагом измерительных пунктов. Каждый измерительный пункт состоит из установленного в толще ледового покрова сейсмоприемника и расположенного в толще воды под сейсмоприемником гидроакустического векторного приемника. На каждом измерительном пункте регистрируют сейсмоакустические и гидроакустические сигналы от шумовых источников в течение определенного времени. После чего выделяют поверхностную сейсмическую волну из сейсмоакустического сигнала путем сравнения сейсмоакустических и гидроакустических сигналов, отфильтровывают сейсмоакустический сигнал от гидроакустических помех и шумов ледового покрова. Затем вычисляют взаимно-корреляционную функцию отфильтрованных поверхностных сейсмических волн для каждой пары сейсмоприемников. Определение времени распространения поверхностной сейсмической волны проводят по положению максимума взаимно-корреляционной функции. Строят экспериментальные карты скорости поверхностной сейсмической волны для разных ее частот ƒ, моделируют карты скорости поверхностной сейсмической волны для тех же частот ƒ путем построения математических моделей исследуемой геологической среды с разным распределением значений упругих параметров по глубине и сравнивают модельные карты скорости поверхностной сейсмической волны с полученными экспериментальными картами скорости поверхностной сейсмической волны. Выбирают математическую модель исследуемой геологической среды, для которой модельные карты скорости поверхностной сейсмической волны идентичны полученным экспериментальным картам скорости поверхностной сейсмической волны. После чего выносят суждение о наличии полезных ископаемых по значению упругих параметров выбранной математической модели исследуемой геологической среды.
Конкретный пример осуществления способа поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом.
Для поиска месторождений нефти и газа в акватории Карского моря использовалась расстановка, состоящая из 8 измерительных пунктов, равномерно распределенных по окружности диаметром 60 километров (фиг. 2а), каждый из которых включал установленный в ледовом покрове сейсмоприемник и расположенный в толще воды векторный приемник. Для точной установки в заданную географическую точку и временной синхронизации измерительных пунктов применялась спутниковая система позиционирования. Горизонтальные компоненты каждого сейсмоприемника ориентировались по сторонам света север - юг, а вертикальная компонента выставлялась строго по уровню. Каждый векторный приемник устанавливался таким образом, чтобы направления всех трех его осей совпадали с направлением осей сейсмоприемника. Исследуемый регион, который охватывает окружность, пересекает 28 трасс, образованных каждой парой измерительных пунктов (фиг. 2а). Регистрация и запись шумовых сейсмоакустических и гидроакустических сигналов осуществлялась в течение одного месяца на каждом из 8 пунктов, после чего данные собирались и передавались в центр сбора информации. Для каждого из 8 пунктов выполнялось выделение поверхностной сейсмической волны из сейсмоакустического сигнала путем сравнения сейсмоакустических и гидроакустических сигналов с последующей фильтрацией сейсмоакустического сигнала от гидроакустических помех и шумов ледового покрова. Затем вычислялась суточная взаимно-корреляционная функция отфильтрованных поверхностных сейсмических волн для 28 пар сейсмоприемников, после чего суточные взаимно-корреляционные функции усреднялись за весь временной период, равный одному месяцу, и по положению максимума взаимно-корреляционной функции (фиг. 2б), для четырех диапазонов частот, с центральными частотами ƒ=0,1; 0,15; 0,2 и 0,25 Гц, определялось время распространения поверхностной сейсмической волны для каждой пары. На основе полученных данных выполнялось построение экспериментальных карт скорости поверхностной сейсмической волны методом лучевой томографии (фиг. 3а-г). При моделировании карт скорости поверхностной сейсмической волны для тех же частот ƒ выполнялось построение математических моделей исследуемой геологической среды до глубины 12 км, включающей 35 слоев, в которых скорость продольных волн изменялась для большого количества различных моделей в диапазоне 2,0-7,1 км/с, а скорость поперечных волн - 1,1-4,4 км/с с шагом 0,1 км/с. Модельные карты скорости поверхностной сейсмической волны сравнивались с полученными экспериментальными картами скорости поверхностной сейсмической волны. После чего была выбрана математическая модель исследуемой геологической среды, для которой модельные карты скорости поверхностной сейсмической волны идентичны полученным экспериментальным картам скорости поверхностной сейсмической волны (фиг. 3д). По пониженным значениям скоростей поперечных волн, принимающих значения меньше 3,8 км/с (фиг. 3д - темный цвет), выбранной математической модели было принято решение о наличии и местоположении полезных ископаемых в исследуемой геологической среде.
Предлагаемый способ поиска полезных ископаемых на шельфе морей, покрытых льдом, существенно упрощает техническую сторону поиска полезных ископаемых на покрытом льдом морском шельфе, приводит к анализу более широкого информационного поля, кроме того, является экологически безопасным благодаря использованию естественного шумового фона в качестве источника информации о среде. Позволяет выполнять трехмерные исследования при гораздо меньших экономических затратах в крайне сложных ледовых условиях.