Типы волн используемых в сейсморазведке

Если в геологической среде создать источник упругих (сейсмических) колебаний, то от него, соответственно, по всевозможным направлениям будут расходиться сейсмические волны. Последние принято разделять на волны полезные, к которым относятся отраженные и преломленные (головные), и второстепенные: дифрагированные, интерференционные и боковые.

Если выделить распространяющуюся от источника единичную, падающую под углом α продольную волну, то в среде, где есть границы раздела, между которыми находятся слои отличающиеся по акустической жесткости А (произведение скорости υ на плотность δ, то есть А= υ* δ), образуется еще четыре волны: Р₁S₁ – отраженная поперечная, P₁P₁ – отраженная продольная волна, P₁P₂ – проходящая продольная волна, P₁S₂ – проходящая поперечная волна (рис. 76).

 

Рис. 76. Образование различных типов волн на границе двух твердых сред

a и α΄- углы падения и отражения волны

 

Волна не поменявшая свой тип называется монотонной, а поменявшая обменной.

Если в среде существует граница (границы) разделяющая среды, где нижележащий слой имеет скорость v₂ большую, чем у вышележащих слоев, скорость которых v₁, то при падении лучей (сейсмических волн) на такую границу создаются головные (преломлённые) волны. Они образуются только на определенном удалении от источника, когда возникает скользящая вдоль границы волна при угле падения α, равному некоему критическому углу i:

(66)

Головной волны параллельны друг другу (рис. 77).

Рис. 77. Схема образования головных волн

 

Скорость распространения головных волн больше, чем падающих и отраженных, поскольку υ₂ > υ₁. Эти волны имеют и значительно бо'льшую амплитуду. Однако, приведенная картина не означает, что на рассматриваемой границе нет других волн. Соответственно присутствуют и отраженные и второстепенные волны.

Для P₁P₁ волн принцип Ферма΄ приводит к закону Снеллиуса, который утверждает, что луч отраженной волны лежит в плоскости падения, направлен вверх от границы и угол α' между этим углом и нормалью всегда равен углу α (см. рис. 65).

Второстепенные волны возникают, как правило, на сложных геологических границах, которые имеют неровности и характеризуются прерывистостью. В тех случаях, когда размеры «шероховатости» меньше длины волны λ, возможно образование дифрагированных волн то есть волн с изгибами фронтов. В результате получается «радужная» картина, которая соответственно осложняет общую картину основных типов сейсмических волн.

Другой тип второстепенных волн - это интерференционные волны. Они представляют собой сложение когерентных (совпадающих по фазе) волн. В результате получается картина чередования полос волн большой и малой амплитуд то есть обычная интерференционная картина.

Особый вид второстепенных волн - боковые волны, возникающие в пределах границ, где раздела существуют малые отражающие площадки. Создается эффект бликов волновой ряби на поверхность водоема.

К волнам-помехам относят поверхностные волны, особый вид которых связан с границей «свободной поверхности» земля-воздух. Основная из этих волн - волна Релея, которая распространяется вдоль земной поверхности по эллипсоидной траектории, вертикальной к поверхности и имеет скорость меньшую, чем у поперечных объемных волн.

Краткая характеристика скорости распространения упругих волн

Дифференциация пород геологических разрезов по скорости распространения упругих волн предопределяет способность этих волн к отражению, преломлению, дифракции и.т.д. на границах разделов сред.

Твердая фаза.

Для основных породообразующих минералов тенденция изменения скорости распространения упругих волн несколько иная, чем у плотности и определяется удельным весом, физико-механическими характеристиками и строением кристаллической решетки (рис.78).

Рис. 78. Тенденция изменения скорости распространения упругих волн в твердой фазе

Жидкая фаза.

Вода и нефть имеют относительно малые значения скорости распространения упругих волн:

υ_воды=1,5 км/с, υ_нефти=1,35 км/с.

Это значит, что высокопористые породы, заполненные водой или нефтью, будут иметь более низкие значения скорости по отношению к преобразованным (окаменелым и, следовательно, низкопористым) породам.

 

Газовая фаза.

Скорость распространения упругих волн в воздухе и природных газах еще ниже, чем в воде и нефти и составляет:

υ_возд <0,8 км/с, υ_метана <0,7 км/с.

 

Кристаллические породы.

Скорость распространения упругих волн в кристаллических породах увеличивается у магматических от кислых к ультраосновным, а у метаморфических по мере роста степени метаморфизма. Для обеих групп графики изменения однотипны (рис. 79).

Осадочные породы.

В одноимённых стадиях преобразования тенденция изменения показателя u_р соответствует таковой для твердой фазы. То есть, наблюдается последовательное увеличение скорости распространения упругих волн от пород углистой группы к породам рудной группы.

 

Рис. 79. Тенденция изменения скорости распространения упругих волн

У кристаллических пород

 

На различных стадиях эпигенетических преобразований более значительные изменения u_р происходят у терригенных пород (рис. 80).

Рис. 80. Тенденция изменения скорости распространения упругих волн в

осадочных терригенных породах, в зависимости от стадий их преобразования