Отражение и преломление сейсмических волн.

Реальные среды являются не только поглощающими, но и слоистыми. Причем на границах раздела слоев, сложенных различными по минералогическому составу, а значит и по скорости распространения в них волн породами, эти волны испытывают преломление и отражение. В результате, энергия каждой падающей на границу волны перераспределяется между четырьмя вторичными волнами – двумя отраженными (монотипной и обменной) и двумя преломленными, проходящими дальше в следующие слои (также, монотипной и обменной). Монотипной называется волна, не меняющая своего типа (Р или S), а обменной – напротив, меняющая свой тип при встрече с границей раздела: пример, иллюстрирующий эту ситуацию, показан на рис.39

       
 
а
 
б
40.

 

 


 

 

Рис.39. Отражение, прохождение ( а ) и преломление (б ) сейсмических волн в случае резкой и гладкой (зеркальной) границы.

 

В качестве падающей волны здесь представлена продольная в виде луча Р1. Индекс 1 означает, что она распространяется в верхнем полупространстве (пласт 1). Здесь же в верхнем полупространстве показаны два отраженных луча – монотипный Р11 и обменный P1S1, а в нижнем два преломленных (проходящих) Р12 (монотипный) и P1S2 (обменный). На рисунке видно, что углы падения, отражения и преломления разных волн отличаются между собой. Здесь волны представлены отдельными лучами (перпендикулярными фронтам). Эти углы отсчитываются от нормали к границе. Нетрудно показать, что, скажем, угол падения α между лучом Р1 и нормалью к границе равен углу падения фронта волны Р1 на эту границу.

Соотношение, устанавливающее связь между углами падения, отражения и преломления и скоростями распространяющихся волн, называется законом Снеллиуса и записывается в виде

Здесь V* - так называемая кажущаяся скорость. Из этого соотношения следует, что угол отражения монотипной волны равен углу падения (то есть падающая и отраженная волны распространяются в одной и той же среде со скоростью Vp). В то же время угол отражения обменной волны Р1S1 меньше угла падения, поскольку Vs<Vp. При нормальном падении, то есть когда луч падающей волны перпендикулярен границе раздела (α=0) обменные волны не возникают. Такой случай близок тому, что наблюдается в практике сейсморазведки методом отраженных волн, где система возбуждения и регистрации волн настроены на использование монотипных волн продольного типа.

Отношение амплитуд и называют коэффициентами отражения, то есть эти величины позволяют оценить энергию отраженной волны в долях падающей. В теории показано, что при том же нормальном падении, коэффициент отражения равен

Произведение скорости на плотность Vσ называют акустической жесткостью (акустическим импедансом) или волновым сопротивлением. Таким образом, можно Котр определить как частное от деления разности акустических жесткостей контактирующих сред на их сумму. Это соотношение позволяет определить условие образования отраженных волн, как неравенство акустических жесткостей V1σ1 ≠ V2 σ2 или ( если учесть, что скорости изменяются намного сильнее, чем плотности) как V1 ≠ V2 , так как в случае их равенства из приведенного выражения следует, что Котр= 0, то есть отраженные волны не возникают. Граница раздела с резкими различиями Vσ называют резкими (жесткими), от них возникают наиболее сильные (интенсивные) отражения. Наиболее резкой в природе является граница Земля-воздух, то есть дневная поверхность. Котр от такой границы близок к единице, то есть почти вся энергия падающей волны расходуется на образование отраженной.

Другая резкая граница: ЗМС – коренные, то есть граница раздела рыхлой приповерхностной толщи, которую сейсморазведчики именуют зоной малых скоростей (ЗМС) и подстилающей ее толщей плотных коренных пород. Для этой границы Котр≈ 0,5. Все прочие границы, в том числе обычно разведуемые границы раздела слоев на глубинах 3-5 км (этот диапазон является основным в современной сейсморазведке на нефть и газ, поскольку вышележащие толщи, как правило, уже разведаны, а месторождения в них обнаружены и нередко исчерпаны) характеризуется меньшей отражательной способностью. Коэффициент отражения от них, как правило, колеблется в пределах 0,1-0,25. Волны от границ менее резких оказываются очень слабыми и, практически, не доходят до поверхности наблюдений, где установлены сейсмоприемники. Отношения и называют коэффициентами прохождения сейсмической энергии в глубь среды. Для случая нормального падения такой коэффициент .

Заметим, что при наклонном падении в среду с большей скоростью угол преломления больше угла падения. Именно такой случай показан на рис.40б. То есть, если V2 > V1, то преломленный луч проходящей вниз волны приближается к горизонтали, к преломляющей границе R. Это означает, что возможен такой случай, когда луч преломленной волны скользит вдоль границы, то есть угол преломления составит 90° (не пойдет вглубь среды). Этот случай будет соответствовать соотношению (из закона Снеллиуса)

 

, а поскольку Sin P12, то есть Sin 90° равен 1, получим, что Sin P1=

 

 

Такой угол падения называют критическим. При достижении критического угла преломленная волна перестает быть проходящей – она распространяется в прилегающем к границе слое 2 со скоростью двигаясь не поперек, а вдоль напластования пород. Такая скорость называется граничной и обозначается Vгр. Если представить себе, что граница действительно представляет собой поверхность раздела, плоскость, то частички среды, прилегающие к этой границе должны располагаться не только снизу, но и сверху, и они будут связаны между собой силами сцепления (межчастичного взаимодействия). Значит эти частички верхнего слоя также будут испытывать смещения и передавать их вышележащим. Это, в свою очередь, означает, что в верхнем слое будет распространяться упругая волна. Описанное явление, возникающее при падении волны под критическим углом называют явлением полного внутреннего отражения, а волну пошедшую вверх головной, или боковой или простопреломленной (в отличие от проходящей). Именно эти волны доходят в конце концов до поверхности наблюдений и могут быть зарегистрированы сейсмоприемниками. Угол, под которым волна Р12 выходит в верхнее полупространство согласно приведенному соотношению углов и скоростей должен быть равен iкр, если скорости V1 и V2 вдоль границы не меняются. Такой механизм возврата сейсмической энергии к поверхности Земли называют преломлением, и на регистрации этих волн основывается метод МПВ (метод преломленных волн). Из сказанного следует, что условием возникновения этих волн является не просто неравенство скоростей, как для отраженных, а условие более жесткое: V2 > V1.

Из приведенного рассмотрения ясно, что в реальных разрезах преломляющих границ меньше, чем отражающих. Наиболее резкими такими границами являются поверхность коренных пород под ЗМС и поверхность кристаллического фундамента. К сказанному необходимо добавить, что головные волны нельзя наблюдать вблизи пунктов возбуждения. Удаление вступлений головной волны от источника тем больше, чем больше угол iкр и глубина границы, на которой такая волна образуется. Наконец, головные волны являются более низкочастотными и потому метод преломленных волн характеризуется относительно низкой разрешающей способностью.

 






Дата добавления: 2017-01-26; просмотров: 4711; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.024 сек.