Jak znaleźć ropę naftową? Sejsmika i fale sejsmiczne.

Matka Ziemia jest naszą planetą która oferuje nam ogrom zasobów abyśmy stopniowo mogli rozwijać naszą cywilizację. Jak korzystać z jej dobrodziejstw używając najnowszych technologii?

Sejsmika czyli użycie fal sejsmicznych jest najefektywniejszą metodą poszukiwań złóż ropy i gazu. Na czym polega ta dziedzina nauki i jak w zasadzie prowadzone są współczesne poszukiwania węglowodorów?

Cykl o poszukiwaniu złóż.

Ten wpis jest kolejnym z serii o budowie Ziemi i poszukiwaniu w niej złóż mineralnych. Na początku po krótce opisałem jak jest zbudowana Nasza planeta po czym nawiązałem do współczesnych metod poszukiwawczych. Dzisiaj dowiesz się czym w zasadzie jest sejsmika i dlaczego naukowcy na całym Świecie używają jej żeby zlokalizować potencjalne złoża ropy i gazu.

Fale sejsmiczne.

Czym są fale sejsmiczne? Jest to po prostu energia przemieszczająca się we wnętrzu Ziemi mająca charakter falowy (czyli jak większość znanych nam form energii porusza się w sposób falowy) powodująca określoną reakcję ziaren skalnych. Fale sejsmiczne używane w sejsmice mają częstotliwość 0-200 Hz. O co chodzi z tymi falami? Jakieś w morzu czy co?

Nasz świat ma naturę falową ( czuję to bardzo dobrze wracając do domu po sobocie 🙂 ) tzn. energia i materia porusza się za pomocą swoistych drgań wyglądających mniej więcej tak:

Ten ruch ma swoje właściwości takie jak częstotliwość i amplituda. Te dwie kluczowe właściwości są punktem wyjściowym do kolejnych analiz.

Omawiana energia penetrując warstwy skały wprawia w ruch ziarna skalne w charakterystyczny ruch. Rodzaj tego ruchu definiuje z jakiego typu falą sejsmiczną mamy do czynienia. Podstawowym rodzajem fali jest fala podłużna P gdzie cząstki gruntu zagęszczają się lub rozluźniają w kierunku rozchodzenia się energii/fali. Przykład widoczny jest na rysunku poniżej:

Czym jest sejsmika?

Jest to dziedzina nauki zajmująca się badaniem wnętrza Ziemi za pomocą fal sejsmicznych. Wiemy już mniej więcej czym jest fala P ale jak to się ma do poszukiwania złóż? Otóż fale P mają zdolność do penetracji warstw skalnych i robią to w sposób określony prawem Snelliusa. Wiemy, że we wnętrzu Ziemi znajdują się skały o różnych właściwościach fizycznych np. granit lub marmur (pozdrawiam fanów). W kontekście sejsmiki interesuje nas gęstość bo w gęstszych ośrodkach fale sejsmiczne mają tendencje do poruszania się szybciej. Jest to trochę podobne do roznoszenie się dźwięku w wodzie i powietrzu tzn. woda jest gęstsza od powietrza i np. delfiny mogą komunikować się na wiele kilometrów bo fala dźwiękowa rozchodzi się szybciej w gęstym ośrodku. U ludzi natomiast komunikacja jest utrudniona bo np. czasem nie słyszę co ktoś do mnie mówi z kuchni 10 metrów dalej 😛 Po prostu fala w powietrzu nie rozchodzi się jak powinna 🙂

Wracam do tego Snelliusa. O czym mówi jego prawo? Otóż każda fala przechodząc z jednego ośrodka do drugiego ulega załamaniu pod specyficznym kątem (refracted) który jest zależny od prędkości fali w danym ośrodku. Część energii która nie przeszła do kolejnego ośrodka ulega odbiciu i wraca ku powierzchni Ziemi (reflected). Wygląda to mniej więcej tak:

Kolejną ważną kwestią jest to ile energii zostanie odbite, a ile przejdzie dalej wgłąb. Jest to definiowane przez tzw. współczynniki odbicia (R) (Reflection coefficients). Te z kolei są zależna od impedancji akustycznej (I) która jest iloczynem gęstości i prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku. Matematycznie wyraża się to tak:

Takie są mniej więcej podstawy teoretyczne metody sejsmicznej i dla tego wpisu wystarczą one w zupełności. Do zapamiętania jest to, że fale rozchodzą się we wnętrzu Ziemi w określony sposób i jesteśmy w stanie monitorować przebieg tych fal. Należy pamiętać, że wszelkie nasze kalkulacje są tylko pewnego rodzaju aproksymacją bo z Naszą Matką Ziemią niczego nie możemy być pewni 🙂 Ciągle płata jakieś figle 🙂

Jak nagrywa się fale sejsmiczne?

Celem sejsmiki jest otrzymanie rekordów (zapisów) sejsmicznych na podstawie których można stworzyć mapę wnętrza Ziemi. Jak tworzy się taki pojedynczy rekord?

Polega to na tym, że w ściśle określonym momencie uwalnia się energię do ośrodka (tzn. do wnętrza Ziemi), energia ta penetruje rozmaite warstwy skalne i wraca do odbiornika który cały czas nagrywa powracające fale. Wygląda to tak:

Każdy odbiornik (geofon) nagrywa jedną trasę sejsmiczną przy jednorazowym uwolnieniu energii (potocznie zwanym strzałem). Tak wygląda 5 tras sejsmicznych nagranych przez 5 osobnych odbiorników:

Na trasie sejsmicznej widać charakterystyczne “brzuszki” zwane eventami, każdy z nich odpowiada za oddzielną falę która powróciła do odbiornika. Te eventy mają 3 podstawowe właściwości:

  1. Czas przybycia – ile czasu minęło od strzału do rejestracji fali. Tego używa się potem do określenia głębokości reflektora (granicy między warstwami skalnymi).
  2. Amplituda – czyli jak duży jest ten “brzuszek”, jest zależny od współczynnika odbicia.
  3. Częstotliwość – ta jest zależna od źródła energii i głębokości. Im wyższa częstotliwość tym większa rozdzielczość czyli precyzja zapisu. Idealnym przypadkiem jest gdy mamy cały zapis sejsmiczny we wszystkich tzn. wysokich np. 80-200 Hz i niskich częstotliwościach 0-20 Hz jednak skały mają tendencję do tłumienia wysokich częstotliwości więc im niżej tym te “brzuszki” bardziej wydłużone w czasie (mają niższe częstotliwości).

Dlaczego sejsmika?

No dobra tłumaczysz tą sejsmikę ale dlaczego w sumie jest ona tak szeroko stosowana? Czym się różni od innych metod? Otóż różnic jest wiele ale powiedzmy, że są trzy kwestię w których sejsmika bije konkurencję bez kłopotów:

  1. Zasięg – sejsmika daje wiarygodne rezultaty w porywach do 15 km wgłąb Ziemi. Co więcej falami sejsmicznymi badane są nawet płaszcz i jądro Ziemi lecz ma to charakter raczej eksperymentalny i nie wiemy na 100% co tam tak naprawdę jest. Żadna metoda nie zbliża się do tego rezultatu.
  2. Obszar – badania można stosunkowo niskim kosztem prowadzić na dużą skalę.
  3. Precyzja – wspomniałem wcześniej o rozdzielczości czyli zdolności do precyzyjnego odwzorowania rzeczywistego układu skał. W sejsmice jest to zależne od częstotliwości fali i prędkości rozchodzenia się fal w danym ośrodku (hehe znowu) i wyraża się to tak:

Zakładając, że częstotliwość i prędkość fali na głębokości 1000m wynosi odpowiednio 3000m/s i 90Hz a na głębokości 6000m ok. 5000m/s i 20Hz daje nam to rozdzielczość rzędu odpowiednio ok. 15 m i 120 m. Jesteśmy w stanie rozróżnić struktury tej grubości. Wydaje się trochę słabo ale to i tak jest sukces 🙂 Taka technologia. Lepszej nie ma 🙂

Podsumowanie.

Projekt sejsmiczny to tysiące a nawet miliony tras sejsmicznych które złożone w jedną całość mogą dać na obraz wnętrza Ziemie służący do dalszej analizy w celu poszukiwania złóż… He he bla, bla, bla…

Mam nadzieję, że nie zanudziłem Was tą teorią 😛 Następnym razem trochę ciekawszych rzeczy bo opowiem jak wyglądają poszukiwania w terenie 🙂 Pozdrawiam wytrwałych!