Физические основы сейсморазведки.

 

Сейсмические волны возбуждаются взрывными или невзрывными (ударными, вибрационными) источниками. Волна – это процесс распространения в пространстве упругих напряжений и связанных с ними деформаций.

Деформация – это любое смещение частиц в теле (в геологической среде), вызванное внешней силой. После прекращения действия силы тело (среда) может быть частично разрушено (хрупкое тело); изменены его объем и форма, тело деформировано пластически (частицы сближены, смещены); или тело возращено в исходное состояние, т.е восстанавливает свой объем и форму (такое тело называется упругим).

Геологическая среда при взрыве может вести себя и как хрупкая, и как пластичная, и как упругая - все зависит от величины и времени приложения внешней силы. На рисунке 33 показано, что если в Землю каким-то образом поместить взрывной источник (например, пробурить относительное неглубокую – 10-15м – скважину, опустить на забой заряд в 1-2 тротиловые шашки, укупорить скважину буровым раствором или землей и взорвать этот заряд), то после возбуждения в области, примыкающей к месту взрыва будет наблюдаться такая картина. В области I, где находился заряд, и некоторой ее окрестности радиусом в 1-3 м порода будет разрушена и выброшена силой взрыва вместе с укупоркой на поверхность. Это область разрывных деформаций, где среда вела себя как хрупкое тело. В результате в этой области образовалась пустота (яма, камуфлет).

 

 

Рис.33. Деформации среды вблизи взрывного источника.

 

Следующая область II, окружающая первую, - зона пластических деформаций. Здесь порода изменена, сплошность ее и межчастичные связи нарушены, деформированы.

Наконец, вся остальная часть пространства –зона III – занята малыми (упругими) деформациями, которые перемещаются в этом пространстве с определенной скоростью, постепенно удаляясь от места взрыва и при этом ослабевая. Никаких изменений в среде после того, как эта упругая волна покинула ее, не произошло. Возбуждение колебаний в сейсморазведке должно быть организовано так, чтобы минимизировать затраты энергии на неупругие деформации и максимизировать ее часть, приходящуюся на упругие волны. Это один из важнейших моментов методики сейсморазведки, но речь об этом пойдет позднее.

Упругие волны бывают двух типов – объемные и поверхностные. Объемные называются так потому, что по мере своего распространения захватывают все новые объемы геологического пространства, двигаясь в глубь среды. Причем в любой момент времени t_i в этой среде всегда можно выделить три различные по отношению к волновому процессу области: первая, примыкающая к источнику, где колебания уже произошли и затухли, вторая – кольцевая – где они происходят в настоящий момент и третья – куда они еще не дошли (рис.34). Поверхности, разделяющие эти области, называются фронтами волн. Причем различают передний фронт и задний, или тыл волны. В однородной среде волновые фронты имеют сферическую форму, тогда как лучи, вдоль которых распространяются волны – прямолинейны. Лучи перпендикулярны волновым фронтам, они являются радиусами этих сфер. Объемные волны могут быть продольными (Р) и поперечными (S), то есть представлять собой процесс распространения деформации объема (Р) и сдвига, или формы (S).

 

 

 

Рис.34. Состояние среды в момент времени t₁ после взрыва.

 

Если источник взрыва, показанный на рис.34, является сосредоточенным, точечным (типа малой пульсирующей сферы), то все смещения частиц направлены по радиусам- лучам, так как все напряжения (нагрузки), ортогональны сферической поверхности – высвобождающаяся энергия взрыва расширяет среду, то есть на фронте волны всегда находится зона сжатия: частички под нагрузкой сближаются. Силы межчастичного взаимодействия обычно уподобляют упругим пружинкам, разделяющим шарики (частички среды). Поэтому, если в самые первые мгновения – момент высвобождения энергии взрыва – пружинки сжались и частички сблизились, то в следующее мгновение (когда нагрузка снята, взрыв уже произошел) пружинки разжимаются и частички удаляются друг от друга. То есть на смену зоне сжатия в колеблющейся деформируемой среде приходит зона растяжения, как это показано на рис.34. Таким образом, в зоне, в данный момент времени занятой колебаниями (волной), существуют как минимум три разные фазы колебательного процесса – две зоны сжатия и одна (их разделяющая) зона растяжения. И далее эти чередующиеся зоны сжатия и растяжения перемещаются в пространстве, удаляясь от источника до тех пор, пока не затухнут.

Чтобы представить процесс распространения сдвиговых деформаций, надо вообразить, что сосредоточенный сферический источник не пульсирует, а поворачивается влево и вправо на малый угол, так что все напряжения оказываются тангенциальными, касательными к поверхности поворачивающейся сферы. Тогда смещение частичек в момент поворота растянет пружинки в одну сторону (сторону поворота) перпендикулярно лучу, а в следующее мгновение окажутся повернутыми в обратную сторону более удаленные и так далее.

Еще проще можно представить себе процесс распространения упругих колебаний продольного и поперечного типа на примере вырезанного из упругой среды кубика или параллелепипеда, по верхней части которого нанесен вначале мгновенный удар под углом 90º (допустим, ладошкой) - и тогда вниз пойдет продольная волна, а затем опять таки всей ладошкой ударить горизонтально, по касательной (под углом 0º) к этой же верхней грани – вниз пойдет поперечная волна – как на рис.35.

 

 

Рис.35. Модель упругой среды.

 

В общем случае, когда удар направлен под каким-то углом, не равным ни нулю, ни 90º, возникнут и те, и другие волны, как это бывает при естественных землетрясениях или ненаправленных взрывах.

Возникшие волны двигаются с разной скоростью: продольные быстрее примерно в 1,5 раза. Величины скорости определяются так называемыми упругими коэффициентами и плотностью среды.

Попробуем уяснить смысл этих упругих коэффициентов, рассмотрев компоненты малой деформации на модельных примерах.