Физические условия возникновения сейсмического поля

Сейсмический метод разведки (сейсморазведка) основан на свойстве горных пород упруго деформироваться под воздействием внешних сил, возбуждаемых взрывами, и передавать упругую энергию от точки (частицы) к точке (частице) посредством упругих или сейсмических волн. Сейсмические волны распространяются в различных физико-геологических средах с разной скоростью, отражаясь и преломляясь на границах сред с разными упругими свойствами. Суть сейсморазведки заключается в следующем.

На профиле изучения сейсмогеологического строения последовательно расстанавливаются сейсмические приемники (рис. 1.1). В точке начала профиля в скважине на глубине 20−50 м закладывают взрывчатое вещество и взрывают его. При взрыве за пределами зоны разрушения частицы среды упруго деформируются, образуя сейсмические волны. Распространяясь в среде, волны, достигнув какую-нибудь границу раздела среды с разными упругими свойствами, отражаются (и преломляются) от нее и последовательно, смещаясь во времени, приходят в датчики сейсмоприемников. Здесь они преобразуются в электрические колебания-сигналы (импульсы), напоминающие затухающую во времени синусоиду. Сигналы записываются на какие-либо носители (фотобумагу, дискету и т. п.) с протяжкой во времени. Записанные сейсмические сигналы выносятся на плоскость в координатах: по оси ординат — время прихода импульса волн, а по оси абсцисс — точки с расположением сейсмоприемников вдоль профиля (рис. 2).

Такой график, фотоблок, несущий информацию о наблюденном на данном профиле сейсмическом поле, называют сейсмограммой. Если теперь последовательно соединить точки сигналов с одной и той же фазой, то получим график, называемый годографом сейсмической волны от данной границы раздела (рис.2). Если в геологической среде несколько границ, различных по упругим свойствам, то и годографов будет по числу границ. Поле сейсмических сигналов и годографы являются главными характеристиками сейсмического поля, несущего информацию, прежде всего, о структуре конкретных границ раздела сред, о скоростях распространения сейсмических волн, а через них — об упругих свойствах среды и соответственно о вещественном составе геологической среды.

Разберемся теперь с условиями возникновения сейсмических волн. Под упругим телом понимают такое тело, которое под воздействием внешних сил изменяет свой объем и форму, но восстанавливает их прежнее положение после прекращения воздействия. Это означает, что упругое тело обладает некоей внутренней силой, сопротивляющейся внешним давлениям. Эту силу называют напряжением. Связь между величиной деформаций и напряжений упругого тела описывается линейным соотношением, называемым законом Гука (а упругое тело называют телом Гука). Существуют два вида деформаций — объема и формы. Так, если, скажем, кубик сжимать равномерно со всех сторон, то его объем уменьшается, но форма останется прежней — кубик (деформация объема, сжатия — растяжения). Если же нижнюю грань закрепить, а вдоль верхней грани приложить усилие, то форма кубика изменится — в вертикальном сечении будет параллелограмм (деформация сдвига), но численно объем сохранится.

В упругом теле передача энергии деформации, возникшей при внешних воздействиях, осуществляется последовательно от точки (частицы среды) приложения силы к другим частицам тела. Процесс такой передачи энергии образует движение (распространение) в пространстве тела упругой или сейсмической волны. Скорость передачи энергии в среде, т. е. скорость распространения сейсмических волн в среде, зависит от ее упругих свойств. С другой стороны, полученная некоей частицей энергия от соседней частицы постепенно со временем затухает. Картина этого явления записывается в виде затухающих электрических колебаний в сейсмоприемниках; соответствующую кривую называют записью или трассой (см. рис. 1.2).

Далее, поскольку в возбужденном упругом теле возникают два вида деформацииобъема и формы, то образуются два типа сейсмических волн: продольные, обусловленные деформацией объема, и поперечные, создаваемые деформациями формы (сдвиговыми деформациями). При этом продольные волны распространяются из-за смещения частиц среды вдоль направления волны за счет образования зон сжатия и растяжения, а поперечные — в результате скольжения частиц относительно друг друга по плоскостям, перпендикулярным направлению движения волны. Теоретически для большинства горных пород скорость продольных волн приблизительно в 1,7 раза больше скорости поперечных волн. В сейсморазведке продольные и поперечные волны объединяют единым понятием — объемные волны. В отличие от них вдоль земной поверхности распространяются поверхностные волны со специфическим типом колебания частиц. В сейсморазведке они, как правило, не используются.

Распространение сейсмических волн в среде характеризуется сейсмическим лучом, показывающим направление движения волны, и поверхностями, перпендикулярными лучам. Колебание частиц в данный момент времени рассматривают в некоей области, ограниченной двумя такими поверхностями: внешнюю (относительно источника волн) называют фронтом волны (или передним фронтом), внутреннюю — тылом волны (или задним фронтом). Фронт и тыл волны перемещаются в пространстве, удаляясь от точки взрыва. Для более глубокого понимания понятий фронт и тыл волны рассмотрим произвольную частицу среды — М. До прихода в эту точку фронта волны частица М находится в покое. Как только фронт волны в момент t0 пересечет точку М, т. е. произойдет вступление волны, частица М начнет колебаться по типу затухающей «синусоиды». Это колебание прекратится, когда через точку М в момент t1=t0+t пройдет тыл волны.

Если в некоторой в общем случае неоднородной по упругим свойствам среде известно положение фронта в момент t1, то, используя принцип Гюйгенса о независимости процесса колебания каждой частицы среды от соседних частиц на малых промежутках времени, поверхность соседнего фронта в момент t2=t1+t получают как огибающую точек Mi (t2), удаленных от соответствующих точек Mi (t1) исходного фронта на расстояниях ri=Vit, отложенных вдоль сейсмических лучей (здесь Vi скорость распространения сейсмической волны в точке Mi).

В однородной среде фронт волны имеет сферическую форму. При значительном удалении от пункта взрыва фронт волны на небольшом участке можно принять плоским. Это обстоятельство широко используется в сейсморазведке (часто рассматриваются плоские волны). Вид записей импульсов (трасс) сейсмических волн будет одинаковым для однородных сред. Если же среда неоднородна по упругим свойствам, то скорости распространения в ней сейсмических волн будут различны, а колебания частиц (импульсы) будут иметь разную форму. Чтобы сопоставить два каких-либо таких импульса, возбужденных разными или одинаковыми средами, и решить вопрос о степени их сходства и различия, применят методику спектрального разложения наблюденных импульсов (разложения периодических функций в ряд Фурье). Суть его в том, что данный импульс как периодическую функцию времени представляют системный синусоид (косинусоид) с заранее зафиксированным набором частот. Затем строятся два графика. Первый в координатах: по оси абсцисс — частоты, по оси ординат — амплитуды синусоид; такой график называют линейчатым спектром амплитуд. Второй — на оси ординат откладывают значения фаз синусоид; его называют линейчатым спектром фаз. Спектральное представление непериодических импульсов сейсмических волн приводит к построению непрерывных спектров импульсов и фаз.

В сейсморазведке значительное внимание уделяется изучению в конкретном геологическом регионе спектрального состава различных типов сейсмических волн (отраженных, преломленных, поверхностных, а также микросейсмических, вызванных ветром, дождем, техногенными факторами) с целью выбора наиболее надежно фиксируемых волн.

Геологическая среда, разумеется, не является ни однородной, ни абсолютно упругой (как это требует закон Гука). Поэтому в геологической среде энергия сейсмических волн быстро убывает в силу трения между частицами среды. Происходит рассеивание волн при прохождении через объекты, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Часть энергии расходуется на образование отраженных и преломленных волн. Все это и тому подобное выражается в уменьшении амплитуд сейсмических волн с глубиной. Сопоставление продольных и поперечных волн в этом аспекте выигрывают продольные волны: они меньше затухают, имеют большую интенсивность и легко возбуждаются. Поэтому в сейсморазведке главным образом используются продольные волны.