Условия образования отраженных и преломленных волн
Содержание:
↑ Условия образования отраженных и преломленных волн
В сейсморазведке геологическая среда характеризуется такими упругими константами, как модуль продольного растяжения (модуль Юнга), модуль поперечного сжатия (модуль Пуассона), а также скоростью распространения упругих колебаний, волновым сопротивлением, равным произведению скорости сейсмических волн на плотность среды. В теории упругих волн рассматривают волны, падающие на какую-либо поверхность раздела сред с разными упругими свойствами, отраженные от нее волны и проходящие в нижнюю среду волны. На рис. 3.3 показано соотношение сейсмических лучей и фронтов этих волн.
В теории сейсморазведки доказывается, что условием возникновения отраженных волн является: граница должна разделять среды с различным волновым сопротивлением; при этом угол падения волны равен углу отражения. Это следует из принципа Ферма: точка отражения волны от границы должна быть расположена так, чтобы время пробега луча от точки возбуждения до точки приема было бы минимальным.
Для возникновения преломленных волн необходимо, чтобы в нижней среде скорость распространения упругих колебаний VН была бы больше, чем в верхней – VВ. В этом случае при падении волны на границу под углом i, подчиняющимся закону sin i =VВ/VН, фронт проходящей волны будет перпендикулярен к границе раздела сред. В оптике такой угол называют критическим углом или углом полного внутреннего отражения. В сейсморазведке такая волна называется преломленной, ее луч «бежит» вдоль границы раздела сред.
↑ Соотношение различных типов сейсмических волн
Владея изложенными выше понятиями о сейсмических волнах и условиях их возникновения, рассмотрим соотношение различных типов волн на простейшем примере: геологическая среда разделена одной плоской горизонтальной границей на однородные области с различным волновым сопротивлением (чтобы могли образоваться отраженные волны) и различными значениями скоростей распространения сейсмических волн: скорость в верхней области VВ меньше, чем в нижней VН (чтобы могли возникнуть преломленные волны). Пусть в точке O на земной поверхности находится источник сейсмических колебаний (пункт взрыва), а на остальной части профиля (вдоль оси абсцисс) расставлены сейсмические приемники: теоретически бесконечно близко друг к другу – континуально, рис. 3.4.
Рис. 3.3. Образование отраженных и преломленных волн
После взрыва в верхней среде из точки взрыва во все стороны будут распространяться сейсмические лучи (волны). Один из лучей (Pп) будет «бежать» вдоль земной поверхности со скоростью VВ и приходить в сейсмоприемники в моменты времени, пропорциональные расстоянию сейсмоприемников от пункта взрыва О (при этом, очевидно, коэффициент пропорциональности равен VВ). Годограф этой волны, называемый в сейсморазведке прямой волной, представляет собой прямую линию (рис. 3.4).
Другие лучи станут последовательно достигать глубинной границы в точках А, В, С, D, E, … , и, отражаясь в них от границы, приходить в сейсмоприемники соответственно в точки О, ВСП, ССП, … Ниже будет показано, что время прихода отраженной волны в сейсмоприемники (tO, tB,) увеличивается нелинейно, поэтому годограф будет криволинейным (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Фронты и годографы прямой, отраженной и преломленной волн для двухслойной среды
Cейсмические лучи, падая на границу раздела сред, будут отражаться с постепенно возрастающим углом. Пусть в точке С угол отражения станет равным критическому углу i, соответствующему соотношению VВ/VН = sin i. Тогда в точке С возникнет преломленная волна, луч Pг которой далее будет двигаться вдоль границы равномерно, как и прямая волна, но со скоростью VН>VВ (см. рис. 3.4). При этом первая информация о преломленной волне зафиксируется сейсмоприемником в точке С и время ее прихода будет равно времени прихода в этой же точке отраженной волны (см. точку F). Но далее по профилю уже в сейсмоприемнике D и следующих за ним преломленная волна будет приходить раньше отраженной, так как скорость ее распространения VН больше, чем скорость распространения отраженной волны VВ. Более того, начиная с некоторой точки, преломленная волна будет регистрироваться раньше и отраженной и прямой волны.
Образованная подобным образом преломленная волна в сейсморазведке называется головной. Граница, на которой она возникает, называется преломляющей. Но в геологической среде помимо преломляющих границ могут существовать маломощные пласты с большей скоростью, чем во вмещающей среде. Такие пласты также могут создавать преломленные волны, но с существенно меньшей интенсивностью. Нередко трудно узнать, преломленная волна скользит вдоль преломляющей границы или вдоль пласта небольшой мощности. В этой ситуации скорость скользящей преломленной волны называют граничной скоростью и обозначают VГ.
Не все отражающие границы являются преломляющими и наоборот (у них разные условия образования). Прямые продольные волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности, в сейсморазведке, как правило, не представляют практического интереса.
Анализируя соотношение годографов, приведенных на рис. 3.4, четко видим, что от сейсмоприемника ССП и далее до точки DСП годографы отраженных и преломленных волн близко расположены друг к другу и практически выделить на этом участке профиля отраженные волны затруднительно. Зато они очень хорошо прослеживаются на начальном участке профиля от пункта взрыва О до сейсмоприемника ССП. В том случае, когда скорость сейсмических волн изменяется с глубиной градиентно, возникают криволинейные лучи: волны, обладающие криволинейными сейсмическими лучами, называют рефрагированными.
Помимо рассмотренных полезных типов сейсмических волн сейсмоприемниками регистрируются и волны-помехи, не имеющие отношения к структуре сейсмогеологической среды. Это – поверхностная волна, распространяющаяся вдоль поверхности почв с небольшой скоростью; микросейсмы, вызванные различными техногенными причинами и такими природными явлениями, как ветер, дождь, морской прибой и др.; звуковые волны, возникающие при взрыве; нерегулярные волны, связанные с рассеянием упругой энергии из-за мелких неоднородностей в геологической среде и т. п.
Волны же, отраженные и преломленные, отчетливо прослеживающиеся в среде на больших расстояниях, называются опорными (маркирующими), а соответствующие границы – опорными сейсмическими горизонтами.
НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ