Распространение упругих волн в горных породах

В сейсмометоде используются поля распространения упругих волн, создаваемые специальным взрывом или ударом либо генератором упругих колебаний. Иногда регистрируются естественные упругие поля – образующиеся, например, при спонтанном изменении механического состояния (разгрузке) горного массива вблизи выработок.

При небольших механических нагрузках Землю и слагающие ее геологические объекты, можно рассматривать как упругую среду. Поэтому на определенных расстояниях от области достаточно резкого механического воздействия на горную породу в ней возникают упругие колебания, распространяющиеся во всех направлениях. Они последовательно передаются от одной частицы горных пород к другой все дальше от источника колебаний. Такие колебания называют упругими волнами.

При этом в продольной волне (Р) смещение частиц среды происходит по направлению распространения волны (вперед-назад), а в поперечной (S) – в перпендикулярном направлении.

Интенсивность Р-волн обычно больше, поэтому они используются шире, однако S-волны имеют меньшую скорость и их использование повышает разрешающую способность сейсмометода.

P-волны связаны с попеременными уплотнениями и растяжениями среды и поэтому возможны в твердых, жидких и газообразных средах. S-волны, связанные с попеременными сдвиговыми деформациями, возможны только в твердых телах, где частицы жестко скреплены между собой.

Максимальную величину отклонения частиц породы от положения равновесия при прохождении упругой волны называют амплитудой волны (А). Чем больше энергии несет упругая волна, тем больше амплитуда ее колебаний. Относительное изменение (уменьшение) амплитуды волны по направлению ее распространения характеризует затухание упругих колебаний (α=А₂ / А₁).

Количество периодических (реверсивных) смещений частиц в единицу времени определяет частоту упругих колебаний (f).

В сейсмометоде используют волны с частотами от 2 до 200...500 Гц. Повышение частоты упругих колебаний позволяет получить большую детальность исследования, понижение частоты обеспечивает большую глубинность исследований, но снижает их детальность.

Поверхность, ограничивающая в каждый момент времени область распространения упругого возмущения горной породы, называют фронтом волны.

Скорость распространения упругой волны практически не зависит от частоты колебаний, а определяется составом слагающих породу минералов, пористостью, влажностью и строением породы. Ее величина возрастает от рыхлых осадочных пород к монолитным и далее к кислым магматическим, метаморфическим и основным магматическим породам (таблица 6).

Скоростные характеристики горных пород могут определяться, как в естественном залегании пород на поверхности земли (в обнажениях) или в скважинах, так и на образцах в лаборатории (ультразвуковым методом).