Лекция 2 Сейсморазведка и сейсмология Общие вопросы

Лекция 2. Сейсморазведка и сейсмология. Общие вопросы

Определения o Сейсмология изучает волны, созданные землетрясениями – мгновенными смещениями глубинных слоев Земли, происходящими за счет различных тектонических процессов o Сейсморазведка также основана на изучении распространения в Земле упругих волн, но возбуждаемых искусственным путем на ее поверхности или вблизи нее – взрывом, ударом или вибрацией.

2. 1 Колебания и волны Скорость волны = Частота х Длина волны Частота = (Период)-1

Скорость, частота, длина волны смещение x=const время, t смещение l расстояние, x t=const T

Деформация – изменение формы и (или) размеров тела под действием напряжений Напряжение Область пластических деформаций Точка разрушения Область упругих деформаций Деформация Предел текучести В области упругих деформаций действует закон Гука: Напряжение пропорционально деформации: P=KD

Области различных деформаций (а) и схема смещения частиц в среде при импульсном возбуждении колебаний (б): А – источник колебаний (взрыв или вибратор), Б – область разрушения, В – область остаточных деформаций, Г – область упругих колебаний, 1 – тыл волны, 2 – зона сжатия, 3 – зона растяжения, 4 – фронт волны

Продольные и поперечные волны

Принципы геометрической сейсмики Принцип суперпозиции: Действие каждого сейсмического источника – - независимо. Принцип Гюйгенса: Каждую точку фронта волны можно рассматривать как новый источник колебаний Принцип Ферма: Время распространения луча – минимально Принцип взаимности: Взаимная замена источника и приемника не изменяет времени распространения упругой волны

Как графически изобразить волну? t 1 t 2 t 3 t 4

Что происходит с волнами на границе? т ф н ро

Законы отражения и преломления (Снеллиуса) V 1 – скорость до встречи с границей V 2 – скорость после встречи с границей

Пример:

Рефрагированная волна

Образование преломленной волны

2. 2 Землетрясения Землетрясение – колебания Земли, вызванные внезапным освобождением потенциальной энергией земных недр Колебания поверхности Причины колебаний Гипоцентр – область образования сейсмических волн; Эпицентр – ее проекция на дневную поверхность

Образование разрыва Приложение пары сил Возникновение напряжения Разрыв и землетрясение

Интенсивность землетрясений o Балльность o Сейсмический момент o Магнитуда

Балл Название Характеристика 1 Незаметное Отмечается только сейсмическими приборами 2 Оч. слабое Ощущается отдельными людьми 3 Слабое Ощущается небольшой частью населения 4 Умеренное Колебание предметов, посуды, оконных стекол 5 Довольно сильное Сотрясение зданий, колебание мебели, трещины в стеклах и штукатурке 6 Сильное Легкие повреждения зданий. Ощущается всеми. 7 Оч. сильное Трещины в стенах каменных домов 8 Разрушительное Трещины на крутых склонах. Сильное повреждение домов 9 Опустошительное Разрушение каменных домов 10 Уничтожающее Оползни и обвалы. Искривление ж. -д. рельсов 11 Катастрофа Широкие трещины в земле 12 Сильная катастрофа Огромных размеров изменения в почве. Многочисленные трещины, обвалы, оползни. Отклонение течения рек. Разрушение всех зданий

Сейсмический момент где µ - модуль упругости

Распределение афтершоков Паркфилдского землетрясения, 1966 эпицентры Проекции гипоцентров на плоскость разлома Определение положения и длины разрыва по эпицентрам и гипоцентрам

Разрывы при сильных и слабых землетрясениях

Магнитуда В основе – измерение максимального смещения грунта, при прохождении поверхностных волн в 100 км от гипоцентра А – максимальное смещение, выраженное в микронах (10 -6 м)

Использование первых вступлений для определения эпицентра

Принцип оценки глубины гипоцентра

Где происходят землетрясения? На карту нанесены эпицентры землетрясений и границы крупных плит

2. 3 Глобальная сейсмология. Скоростная модель Земли Какова модель Земли: состоит ли она o Из сферических оболочек? o Или в ней есть крупные латеральные неоднородности?

Распространение волн при малых (D 1) и больших (D 2) центральных углах Постоянному значению центрального угла отвечает постоянное время пробега волны, следовательно…. (луковица или булочка с изюмом)?

Как скорость изменяется с глубиной? o Чем больше расстояние, которое проходят волны (чем больше центральный угол Δ), тем реальное время их пробега меньше, чем рассчитанное для однородной Земли. o Это означает, что Земля неоднородна. o Поскольку более длинные лучи проникают глубже в недра Земли, отсюда следует, что скорости сейсмических волн в Земле растут с глубиной. Зависимость времени прихода волны от расстояния называется годографом

Вывод: + скорость растет с глубиной

Распространение волн в слоистой сферической и плоской Земле

Распространение волн в слоистой сферической Земле o Идея моделирования распространения лучей (прямая задача сейсмологии) o Обратная задача?

Скоростная модель Земли Гутенберга (CMB) Si Fe+Ni Fe+S Ol -> Sp Sp -> Ilm Py -> Gran -> Per

Скоростная модель Земли: влияние астеносферы Зона пониженных скоростей (английская аббревиатура LVZ – low velocity zone) и отождествляется с астеносферой – ослабленной оболочкой верхней мантии, испытывающей частичное плавление

Типы сейсмических волн, проходящих сквозь Землю o PKP=P’ – прошел через ядро o PP – отражение от дн. поверхности o PS –” o PPP – “ - дважды o Pc. S – отражение от ядра o Pc. P - дважды

Траектории лучей, проходящих Те сквозь Землю не в ая Влияние внутреннего ядра зо на P- во лн

Теневые зоны P и S волн

2. 4 Сейсмическая томография: идея метода

Более реальный пример:

Скоростные срезы на глубинах 150 и 700 км

Сейсмотомографические изображения погружающихся краев океанских плит (слэбов)

Сейсмическая томография позволяет выявить в недрах Земли слабые скоростные неоднородности, не имеющие резких границ.

2. 5 Скорость и затухание упругих волн Общая характеристика

Средние значения скорости продольных волн в некоторых породах, газах и жидкостях

Влияние минерального состава

Влияние текстуры и состояния породы o Пористость o Водонасыщение o Геостатическое давление и глубина

Затухание сейсмических волн o Геометрическое расхождение энергии o Потери энергии

Геометрическое расхождение энергии: r E – первоначальная энергия источника E/(4 pr 2) –энергия на единицу площади сейсмического фронта E~1/r 2 Амплитуда колебаний: A~E 1/2~1/r

Потери энергии Поглощение энергии за счет тепловых потерь выражается коэффициентом поглощения a. Это-доля энергии, потерянная при прохождении волной единицы длины A=A 0 e-ax A 0 - исходная амплитуда в некоторой точке, А – амплитуда на расстоянии x от нее; a зависит от частоты (длины волны), чем больше длина волны (меньше частота), тем меньше a

2. 6 Годографы сейсмических волн o Прямая o Отраженная o Преломленная

Годографы сейсмических волн t Отраженная волна x/v 1 x/v 2+t 0 Преломленная волна Прямая волна x Qкр v 1 z v 2

2. 7 Источники сейсмических волн Эхолоты A=A 0 e-ax Морские источники a(f) Падающий груз Взрывы в скважинах Вибросейс Взрывы в карьерах Землетрясения 10 -2 10 -1 1 10 102 Частота (Гц) 103 104 105

Специальный источник: вибросейс Замечание о взаимной корреляции Сдвиг влево Сдвиг вправо Взаимная корреляция двух одинаковых записей - автокорреляция

Взаимная корреляция с целью выделения сигнала известной формы Запись колебаний Эталонный сигнал Функция взаимной корреляции S 1 S 2 S 3 Положение сигналов на записи

Функция взаимной корреляции трассы и сигнала вибросейса

2. 8 Принцип действия сейсмоприемника Гаситель колебаний масло горизонтальный вертикальный

Электромагнитный сейсмоприемник

2. 9 Регистрация сейсмических волн - сейсмостанция Мультиплексор Усилители Сейсмоприемники АЦП Обратная связь Фильтры Усилитель Компьютер Форматтер