Типы сейсмических волн.

От пункта возбуждения во все стороны распространяются упругие волны. Вдоль земной поверхности идут поверхностные волны, а в глубь слоя распространяются прямые или падающие (продольная и поперечная) волны. На границах раздела сред с разными скоростями упругих волн за счет энергии падающей волны возникают отраженные и преломленные волны. При этом могут образоваться отраженные и преломленные волны как того же типа, что и падающая (монотипные, однотипные волны), так и другого типа (обменные волны).

Поскольку продольные волны обладают большими скоростями, чем поперечные (и поэтому к пунктам регистрации приходят первыми), а при возбуждении упругих волн взрывами и многими невзрывными источниками возникают в основном продольные волны, то в сейсморазведке они используются чаще. В дальнейшем речь будет идти в основном о продольных волнах, хотя все рассмотренные закономерности могут быть справедливы и для поперечных волн.

Отражение монотипных продольных сейсмических волн происходит на границах слоев с разными волновыми сопротивлениями (акустическими жесткостями \sigmaV), т.е. условие образования отраженной волны определяется неравенством , где - скорости распространения волн и плотности пород в первом и втором слоях, а угол падения равен углу отражения (рис. 15.1).

В жидкостях и газах частицы могут свободно перемещаться вдоль границы раздела двух полупространств. Два твердых полупространства контактируют друг с другом так, что при малых деформациях скольжение частиц одного полупространства по границе другого невозможно, частицы на границе находятся в сцеплении друг с другом. Это обстоятельство обусловливает появление в точке С не только отраженной продольной волны, одноименной с падающей, но и поперечной SV-волны, которую в этом случае называют обменной отраженной волной. Поперечная PS-волна образуется и в нижнем полупространстве, ее называют обменной проходящей волной. Таким образом, одна падающая продольная волна при встрече на своем пути границы, на которой скачком изменяется скорость продольных волн, порождает четыре волны — две продольные и две поперечные. Поперечная падающая волна в общем случае также породит четыре волны — две поперечные и две обменные продольные. Этим звуковые волны существенно отличаются от упругих — в жидкостях и газах граница раздела двух сред порождает только две продольные волны—отраженную и проходящую. Из преломленных волн для сейсморазведки особый интерес представляют волны, падающие под углом , называемым критическим или углом полного внутреннего отражения, когда угол преломления становится равным 90 . В этом случае вдоль границы раздела пойдет скользящая преломленная волна. Именно она, согласно принципу Гюйгенса, создает новые волны, называемые головными, которые изучаются в сейсмическом методе преломленных волн. При и формула для определения критического угла падения получит вид . Так как , то условием образования скользящей, а значит, и головной преломленной волны является .

Величину Z=σ·v называют акустической жесткостью для продольных или поперечных волн соответственно. Отражательная способность границы зависит только от перепада акустических жесткостей, а не просто скоростей. При Z1<Z2 коэффициент отражения становится отрицательным. Это означает, что импульсы падающей и отраженной волн соотносятся между собой как зеркально перевернутые относительно оси времени. Такой эффект называют обращением полярности — импульс отраженной волны приобретает отрицательную полярность относительно импульса падающей. Если скорость распространения упругой волны в среде возрастает с глубиной, то лучи проходящих волн искривляются и возвращаются на поверхность. Такие волны называются рефрагированными. На рис. 15.1, б показана рефрагированная волна, образующаяся в слоистой толще, перекрытой однородным слоем. Подобную форму лучей рефрагированных волн можно объяснить следующим образом (рис. 15.1, в). Если среду с непрерывно возрастающей с глубиной скоростью разбить на отдельные прослои с , то на границах между ними должны образоваться преломленные волны. Углы преломления в данном разрезе согласно закону отражения - преломления будут возрастать по мере углубления ( ) до тех пор, пока в точке максимального проникновения или поворота луча. Далее волна выйдет на поверхность наблюдений. Рассмотренными особенностями объясняется тот факт, что волны, входящие в подобную среду под меньшим углом падения, проникают глубже.

При распространении сейсмических волн в средах сложного строения (дайки, уступы, сбросы и т.п.) в зоне тени для проходящих волн могут возникать дифрагированные волны.

На границе воздух - земная поверхность образуются поверхностные волны Рэлея и Лява, которые быстро затухают с глубиной.

Кроме перечисленных полезных для глубинных исследований волн на записях наблюдаются различные волны-помехи (полно- и неполнократные отраженно-преломленные, звуковые, микросейсмы и т.п.).

Каждая из рассмотренных полезных волн может быть зарегистрирована самостоятельно, и поэтому их называют индивидуальными, однократными. Однако очень часто наблюдается их сложение. Обилие сейсмических волн (сотни), необходимость выделения и распознавания природы одной или десятка полезных волн среди сотен других, играющих роль волн-помех, представляют очень сложную техническую, методическую и интерпретационную проблему в сейсморазведке.

Реальные геологические среды очень сложны с точки зрения скоростного разреза и особенностей распространения в них монотипных упругих волн. Упрощенными физико-геологическими моделями (ФГМ) сейсмических сред являются следующие.

В однородной изотропной среде скорость распространения упругой волны в каждой точке неизменна по величине и направлению. В однородной анизотропной среде скорость распространения упругих волн по разным направлениям различна. В однороднослоистых средах скорость остается постоянной лишь в каждом слое и скачком меняется на их границах. В градиентных средах скорость распространения волн является непрерывной функцией координат. Чаще всего наблюдается увеличение скорости с глубиной (среды с вертикальным градиентом скорости). В двуxмернонеоднородных средах скорость меняется и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях, а в трехмерных - по трем направлениям.

Таким образом, в сейсморазведке чаще всего используются модели слоистых сред, состоящих из слоев, в каждом из которых скорость или постоянна, или меняется непрерывно, а на границах слоев - меняется скачком.

Для образования тех или иных волн большую роль играют форма и качество сейсмических границ между слоями. На резких границах скорости и акустические жесткости меняются более, чем на 25 %, на нерезких отличия меньше. С геометрической точки зрения сейсмические границы бывают гладкими, на которых неровности по размерам значительно меньше длины упругой волны, и шероховатыми - с неровностями, сравнимыми с длиной волны.

Отраженные от каждой границы волны проходят путь от источника до точки отражения и от этой точки к земной поверхности, т.е. дважды пробегают толщу, заключенную между земной поверхностью и отражающей границей (рис.1.12). Каждому лучу падающей на границу волны соответствуют свой луч отраженной волны и своя длина этого пути. Если отраженные от одной и той же границы волны принимать на различных расстояниях от источника, то время прихода этих волн будет, очевидно, зависеть от положения границы в толще пород, скорости в этих породах и расстояния между источником и приемником. График зависимости времени прихода отраженной волны от расстояния источник — приемник называют годографом отраженной волныдля соответствующей отражающей границы. Годограф можно построить, экспериментально изучая времена прихода отраженных волн на различных расстояниях от источника. Если отражающая граница локально плоская, то годограф отраженной волны приобретает простой вид и по нему легко определить скорость волн в покрывающей границу толще и положение границы в разрезе. В частности, при x=0, t(x)=t₀(x) можно в каждой точке земной поверхности, где возбуждались колебания, найти эхо глубину — расстояние между соответствующей точкой земной поверхности и отражающей границей по нормали к границе:

2 t0 v h ⋅ = (1.22)

где h — эхо глубина; v— скорость в толще, покрывающей границу. Зная h в различных точках земной поверхности, можно найти и положение отражающей границы. Для этого достаточно найти геометрическое место точек, соответствующих постоянному значению эхо глубины. Очевидно, что геометрическим местом точек отражения является сфера с радиусом R = h. Поверхность, огибающая систему таких сфер, дает положение отражающей границы. Годограф волны, отраженной от кровли пласта или пачки слоев, содержит информацию о скорости в толще, залегающей выше кровли. Годограф волны, отраженной от подошвы пласта или пачки слоев, содержит информацию о той же толще и дополни- тельно о скорости в пласте или пачке слоев. Совместное исследование соседних пар годографов может, следовательно, дать сведения о скорости в пласте или пачке слоев. На этом и основывается изучение распределения скорости по глубине и в плане.

Рис. 15.2 Траектории лучей отраженных и преломленных волн.

О — источник; А — приемник

Преломленные волны, проходящие часть своего пути вдоль преломляющей границы со скоростью волн в подстилающих эту границу породах, восполняют этот недостаток отраженных волн (см. рис.1.13). Принимая преломленные волны на земной поверхности и измеряя время их прихода в зависимости от расстояния от источника до приемника, можно получить годограф преломленных волн. Как видно из рис.1.13, годограф преломленных волн несет информацию только о скорости волн в породах под преломляющей границей. Если в изучаемой толще имеются границы, на которых скорость волн скачкообразно возрастает, превышая каждое из предшествующих значений, то на таких границах будут образовываться преломленные волны, несущие информацию о скоростях в породах, подстилающих соответствующую преломляющую границу. Отраженные и преломленные волны при их совместном использовании в ряде случаев значительно расширяют возможности сейсморазведки. Однако различия в кинематических и динамических характеристиках этих волн привели к тому, что методы, основанные на их использовании, с самого начала своего существования развивались раздельно. Использование отраженных волн лежит в основе метода отраженных волн (MOB), головных преломленных — в основе метода преломленных волн (МПВ).