Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Апреля 2013 в 03:04, лекция
Сейсмическая разведка (сейсморазведка) это один из важнейших видов геофизической разведки земных недр, который основан на изучении особенностей распространения в земной коре искусственно возбужденных упругих волн.
Вызванные взрывом или другим способом упругие волны, распространяются во всех направлениях от источника колебаний и проникают в толщу земных недр на большие глубины.
Упругие волны в процессе распространения отражаются и преломляются. И часть упругих колебаний возвращается к поверхности Земли, где регистрируются специальной, достаточно сложной аппаратурой.
Семестр 2
Лекция №15
Тема: Сущность сейсморазведки
Сейсмическая разведка (сейсморазведка) это один из важнейших видов геофизической разведки земных недр, который основан на изучении особенностей распространения в земной коре искусственно возбужденных упругих волн.
Вызванные взрывом или другим способом упругие волны, распространяются во всех направлениях от источника колебаний и проникают в толщу земных недр на большие глубины.
Упругие волны в процессе распространения отражаются и преломляются. И часть упругих колебаний возвращается к поверхности Земли, где регистрируются специальной, достаточно сложной аппаратурой.
Полученные данные подвергаются обработке с применением современной вычислительной техники. После обработки сейсмической информации определяется глубина залегания, форма и свойства тех слоев, на поверхности которых произошло отражение или преломление упругих волн.
Возможность использования сейсморазведки для решения геологических задач основана на том, что горные породы, как правило, имеют различные скорости распространения упругих волн.
Различие в скоростях распространения упругих волн и проявляется на границах геологических образований, и обуславливают процессы отражения и или преломления упругих волн. Таким образом, на границах слоев, где скорости меняются, могут образоваться отраженные, преломленные, рефрагированные, дифрагированные и другие волны. Регистрируя волны на земной поверхности, можно получить информацию о скоростном разрезе, а по нему судить о геологическом строении.
Существуют два основных метода сейсморазведки - метод отраженных волн (MOB) и метод преломленных волн (МПВ). Методы, использующие другие методы находят меньшее применение.
Метод отраженных волн основан на изучении особенностей распространения упругих волн, отразившихся от границы раздела двух геологических слоев, различающихся по упругим характеристикам.
Метод преломленных волн основан на регистрации преломленных упругих волн вдали от источника, скользящих вдоль кровли геологических образований.
Источником распространения упругих волн в сейсморазведке являются механические воздействия на горные породы. Эти воздействия стремятся изменить размеры и форму горных пород. Внутренние силы частиц горных пород противостоят внешним воздействием и стремятся возвратиться к своему первоначальному состоянию. Это свойство горных пород сопротивляться изменениям размеров или формы и возвращаться в первоначальное недеформированное состояние называться упругостью.
Связь между силой, действующей на единицу площади (напряжением) и изменением формы и размеров (относительной деформацией) описывается законом Гука.
При воздействии источника упругих волн на горные породы происходит передачи энергии и распространения ее во все стороны от него в виде сейсмической волны. В безграничном изотропном пространстве возникают два типа сейсмических волн: продольные и поперечные.
Продольные сейсмические волны являются наиболее быстрыми и приходят от источника к любой точке наблюдения первыми. Этим волнам присвоен индекс Р (первая буква слова prima - первый).
Поперечные сейсмические волны регистрируются вторыми и им присвоен индекс S (первая буква слова secunda - второй).
Основные положения геометрической сейсмики
Наиболее простым для понимания с основными понятиями теории сейсморазведки является сферический источник сейсмических волн.
Рассмотрим взрыв в небольшом объеме некоторого количества взрывчатого вещества.
От такого источника, действующего некоторое время Δt, во все стороны будет распространяться объемная сферическая волна. Если среда изотропная, т.е. V=const, то выделяются три зоны:
- внутренняя сфера (I) радиусом rВ, в которой возмущения, вызванные источником, уже прекратились;
- сферический слой (II) с внутренним радиусом rВ и толщиной Δr=VP·Δt, где частицы еще колеблются
- наружная область (III) с радиусом rH=rB+Δr, куда упругие колебания еще не дошли.
Поверхность, разграничивающая области I и II, называются задним фронтом, или тылом волны.
Поверхность наружной области называют передним фронтом волны.
Фронт и тыл волны распространяются в среде со скоростью v.
Таким образом, вокруг точки возбуждения колебаний образуется расширяющаяся область, где колебание частиц уже прекратилось, а в колебательный процесс вовлекаются частицы, все более удаленные от точки взрыва.
Поверхность фронта волны в какой-то конкретный момент времени называется изохроной. Совокупность изохрон одной волны составляет семейство изохрон. Линии, перпендикулярные к изохроне или фронту волны, называются сейсмическими лучами.
Вдоль лучей переносится энергия упругой волны. В однородной среде (v = const) лучи являются отрезками прямых линий, а изохроны имеют вид сферических поверхностей с центром в точке взрыва. В неоднородной среде (v≠const) лучи приобретают вид ломаных линий (кривых), а изохроны могут принимать сложную конфигурацию.
Распространение упругих волн в горных породах подчиняется принципам и законам геометрической оптики.
Так, законы распространения фронтов волн в упругой среде выводятся из принципов Гюйгенса— Френеля и Ферма.
Принцип Гюйгенса — каждая точка фронта волны является источником самостоятельных колебаний. Строя элементарные волновые фронты из центров, лежащих на заданной изохроне (тыл волны), можно определить положение соседней изохроны (фронта волны) как поверхности, огибающей элементарные фронты. Существует дополнение Френеля — принцип наложения или суперпозиции волн: если в среде распространяется одновременно несколько волн, то каждая из них движется независимо от других, а интенсивность суммарной волны определяется сложением (суперпозицией) интенсивностей элементарных волн. Учитывая принцип Френеля, при построении изохрон определенной волны можно пренебречь существованием в среде других волн.
Сейсмический луч, распространяющийся от источника колебаний во все стороны, попадает на границу двух сред с разными физическими свойствами (v1≠ v2). Здесь он отражается и преломляется.
Принцип Ферма (принцип наименьшего времени): упругая волна движется между двумя точками по пути, требующему наименьшего времени для его прохождения, т. е. по лучу.
Сейсмический луч, распространяющийся от источника колебаний во все стороны, попадает на границу двух сред с разными физическими свойствами (v1≠ v2). Здесь он отражается и преломляется. Основным законом геометрической сейсмики является закон преломления — отражения, включающий два основных положения:
, т.е
или угол α равен углу β – это закон отражения.
или - это закон преломления.
Типы сейсмических волн
Пусть на земной поверхности расположен источник колебаний – назовем его пункт взрыва. От него на поверхность раздела двух сред падают лучи прямой волны.
В точке падения луча возникают отраженная и преломленная волны. Каждый падающий луч вызывает отраженную волну со скоростью v1. Эта отраженная волна регистрируется на поверхности и в точке возбуждения колебаний, и на некотором удалении от пункта взрыва.
Там где граница раздела проходит преломленная волна со скоростью v2, которая на поверхности не может быть зарегистрирована. Однако в определенной геологической ситуации возникает момент, когда угол преломления β становится равным 90° и преломленная волна идет по границе раздела. Это волну называют скользящая (граничная) волна. Ее скорость распространения также равна скорости преломленной волны v2.
По принципу Гюйгенса—Френеля, скользящая волна сама является источником элементарных колебаний. Именно они достигают поверхности и регистрируются. Эти волны, порожденные скользящей или граничной волной, называются головными. Скорость распространения головных волн на поверхности равна скорости движения скользящей волны, а следовательно, и скорости преломленной волны v2.
Таким образом, зарегистрировав на поверхности головную волну, рассчитывается скорость распространения преломленной волны.
Когда возникает скользящая и вслед за ней головная волны. Для этого необходимо, чтобы угол преломления был равен 90° (sin β=1). Следовательно, по закону преломления . Получается, угол падения прямой волны α должен быть меньше 90°, иначе прямой луч не попадет на границу раздела.
Отсюда sin α<l, тогда и отношение , а это возможно когда v2>v1. Таким образом, скорость распространения упругих волн в подстилающем слое больше скорости распространения их в верхнем слое. Угол падения прямой волны, при котором угол β равен 90°, называется углом полного внутреннего отражения.
Многослойный геологический разрез бывает представлен слоями, в которых скорость распространения упругой волны возрастает с глубиной. Тогда лучи проходящих через слои преломленных волн могут искривиться и выйти на поверхность. Такие волны называются рефрагированными.
Если волна попадает на геологический объект, который имеет свойства (скорость, плотность) отличающие от вмещающей среды, и при этом обладает небольшими по сравнению с длиной волны размерами, то наблюдается эффект рассеивания волн - дифракция. Согласно принципу Гюйгенса—Френеля, такой геологический объект сам становится источником вторичных волн, которые как бы отражаются от него во все стороны и создают эффект рассеивания или огибания падающей волной встреченного объекта. В этом случае регистрируемые волны называются дифрагированными, или волнами огибания. Дифракция волн характерна для районов развития дайковых тел, разломов, сбросов, рудных тел и т. д.
В сейсморазведке изучают в основном продольные отраженные и преломленные волны.
Это объясняется тем, что скорость продольных волн больше скорости поперечных. Скорости продольных волн имеют большую энергией и, следовательно, проникают на большую глубину. Продольные волны возникают практически при любых условиях возбуждения взрывными или невзрывными источниками, в то время как для поперечных волн требуются источники, использующие горизонтально направленное воздействие на среду. Тем не менее, в последние годы получает распространение комплексное использование методов продольных и поперечных волн для извлечения из сейсморазведочных данных максимума информации и получения всех возможных физико-механических характеристик пород.
В сейсморазведке различают монотипные и обменные волны. Если от продольной падающей волны получаются отраженные и преломленные продольные волны (т. е. того же типа, что и падающие), то регистрируемые волны называются монотипными. Если тип волны меняется (от продольных волн получились отраженные или преломленные поперечные волны и наоборот), то регистрируемые волны называются обменными.
Помимо названных волн существуют волны-помехи:
От влияния этих волн на запись полезных колебаний приходится избавляться различными способами.
Распространение упругих волн обычно наблюдают на земной поверхности вдоль профилей. С этой целью на пикетах профиля расставляют специальные приборы-сейсмоприемники, позволяющие фиксировать колебания почвы под ними. Сейсмоприемники улавливают колебания, вызванные одной или несколькими, следующими друг за другом волнами, и позволяют произвести записи этих колебаний. Записи колебаний от одного источника возбуждения сводят в сейсмограмму.
По форме записи на сейсмограмме выделяют колебания, обусловленные одной волной, и определяют время прихода этой волны к каждому сейсмоприемнику. Затем строят график зависимости времени прихода волны t от расстояния сейсмоприемников до пункта взрывах.
Такой график называется годографом. Для построения годографа по горизонтальной оси откладывают расстояние х, а по вертикальной оси — время прихода волны t к каждому сейсмоприемнику. Через полученную систему точек проводят кривую.
Годограф прямой волны, распространяющейся вдоль профиля наблюдений, представляет собой два отрезка прямых, исходящих из начала координат под определенным углом ψ. Уравнением годографа прямой волны служит уравнение отрезка прямой, в котором параметрами являются время V, расстояние x и скорость волны v1.