Образование продольных и поперечных сейсмических волн

Статья СЕЙСМОРАЗВЕДКА

В сейсмической разведке (сокращенно сейсморазведке) с помощью взрывов или невзрывных источников (ударов, вибраций и т. п.) возбуждают в земле упругие (сейсмические) волны. В процессе своего распространения они претерпевают отражение и преломление на границах геологических напластований с различными упругими свойствами. Отраженные и преломленные волны регистрируют с помощью специальной высокочувствительной сейсмической аппаратуры. В результате обработки интерпретации записей сейсмических колебаний получают информацию о глубине залегания и конфигурации границ геологических напластований, на которых произошло отражение и преломление сейсмических волн. Характеристики сейсмических волн (частотный состав, интенсивность и др.) зависят также от вещественного состава горных пород, в том числе от их нефтегазонасыщенности. Это позволяет при благоприятных условиях использовать данные сейсморазведки для прямого выявления в недрах Земли нефтегазовых залежей (прямые поиски).

ФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Образование продольных и поперечных сейсмических волн

Упругие деформации и напряжения. В сейсморазведке геологические среды рассматривают как непрерывную совокупность отдельных частичек, т. е. в виде «непрерывных» или «сплошных». Если к какому-либо объему среды приложена сила, то частички смещаются. После прекращения действия сил возможны два варианта состояния среды: а) смещения частичек оказались весьма большими и силы взаимодействия уже не могут их вернуть в прежнее положение, т. е. произошло разрушение или уплотнение структуры горной породы; б) смещения оказались достаточно малыми и под действием сил сцепления частички вернулись в прежнее положение, т. е. среда восстановиласвоюпервоначальную структуру.

Любое смещение частиц под действием приложенных сил, связанное с изменением объема или его формы, называется деформацией. Если произошли необратимые нарушения, то деформации называют не упругим и; в противном случае деформации называются упругими. Сейсмические волны переносят упругие деформации, и поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.

Упругие деформации разделяются на деформации растяжения или сжатия и деформации сдвига. В результате деформаций растяжения и сжатия изменяется первоначальный объем породы, и поэтому их также называют деформациями объема.

Деформации сдвига возникают, когда сила действует по касательной к внешней грани бруса. Как и в первом случае, частички будут перемещаться в направлении действия приложенной силы, но в результате сил сцепления между ними смещения будут передаваться соседним слоям перпендикулярно к направлению действия приложенной силы. Причем из-за внутреннего трения частичек смещения будут тем меньше, чем дальше от внешней грани, к которой приложена сила, находится слой. Таккаксдвиг сопровождается изменением формы тела, то деформации сдвига называют также деформациями формы.

Способность сред передавать деформации в виде упругих волн определяется связями между упругими деформациями ивызвавшими их напряжениями. Напряжением называется сила, действующая на единицу некоторой поверхности:

, где F_s—равнодействующая сил, приложенных к поверхности S.

Экспериментально установлено, что между упругими деформациями и напряжениями существует линейная зависимость, т. е. деформации прямо пропорциональны напряжениям (закон Гука):

Коэффициент Е характеризует сопротивление горной породы расширению или сжатию и называется модулем Юнга. Отношение относительного утонения к относительному удлинению n, называется коэффициентом Пуассона. Модуль сдвига m, характеризует сопротивление горной породы изменению формы.

Модули Юнга Е, сдвига m и коэффициента Пуассона n связаны соотношением

Модуль Юнга Е для осадочных пород составляет (0,03—9)´10¹¹ дин/см²[в СИ (0,03—9)´10¹⁰ Н/м²], для кристаллических пород (3—16)´10¹¹ дин/см² [в СИ—(3—16)´10¹⁰ Н/м²]; коэффициент Пуассона n для осадочных пород равен 0,18—0,50, для кристаллических пород 0,19—0,38; модуль сдвига m, составляет примерно половину величины модуля Юнга.

Продольная и поперечная сейсмические волны. Механизм образования упругих сейсмических волн схематически можно представить в следующем виде. Непосредственно вблизи источника возбуждения происходит разрушение горных пород; эта область называется областью разрушения. Следующая область среды, в которой напряжения оказываются еще достаточно большими, а вызванные ими смещения частиц приводят к нарушению структуры среды (уплотнение среды), называется областью остаточных деформаций. При некотором удалении от источника напряжения и деформации в среде становятся настолько малыми, что можно говорить об области упругих деформаций. В ней, охватывая во времени все новые и новые участки среды, в общем случае распространяются сейсмические волны двух типов — продольные и поперечные. Продольная сейсмическая волна распространяется в виде деформаций расширения и сжатия, а поперечная волна—в виде деформаций сдвига. Продольные волны обозначаются буквой Р, поперечные—буквой S. Эти обозначения были даны в сейсмологии, поскольку на сейсмограммах землетрясений продольные волны регистрировались первыми (латинское слово «prima»), а поперечные волны—за ними (вторые—«secunda»).

Смещения в продольной волне происходят в направлении ее распространения, а в поперечной волне—в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Поверхность, разделяющая область возмущения (где смещения не равны нулю) от области покоя (в которой смещения равны нулю), называется фронтом волны.

Вектор смещений поперечной волны имеет определенную ориентировку. Это явление называется поляризацией поперечной волны. Если вектор смещений в процессе распространения поперечной волны не меняет своей ориентировки, то волна называется плоско- или линейнополяризованной. Примером плоскополяризованных волн являются поперечные отраженные волны. Вектор смещений в плоскополяризованной волне можно разложить на горизонтальные компоненты Х и У.

Деформации сдвига, а следовательно, поперечные волны не возникают в газах и невязких жидкостях; в таких средах распространяются только продольные сейсмические волны.

Скорости v_р и v_s распространения продольной и поперечной волн выражаются через упругие параметры среды—модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона n и плотность среды s следующими формулами:

Отношение скоростей поперечной и продольной волн v_s/v_p в зависимости от литологического состава горных пород, глубины их залегания и некоторых других факторов изменяется от 0,10 до 0,67.