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 V_Н была бы больше,  чем в верхней – V_В. В этом случае при падении волны на границу под углом i, подчиняющимся закону  sin i =V_В/V_Н, 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 V_В меньше, чем в нижней V_Н (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  (P_п) будет «бежать» вдоль земной поверхности со скоростью V_В и приходить в сейсмоприемники в моменты времени, пропорциональные расстоянию сейсмоприемников от пункта взрыва О (при этом, очевидно, коэффициент пропорциональности равен V_В). 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, В_СП, С_СП, … Ниже будет показано, что время  прихода отраженной волны в сейсмоприемники  (t_O, t_B,) 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  V_В/V_Н = sin i.  Тогда в точке С возникнет преломленная волна, луч P_г  которой далее будет двигаться вдоль границы равномерно, как и прямая волна, но со скоростью V_Н>V_В (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 V_Н больше, чем скорость распространения отраженной волны V_В. 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 V_Г.

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 С_СП и далее до точки D_СП 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 С_СП. 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.