Морская геофизика. Лекция 1

1. МОРСКАЯ ГЕОФИЗИКА

Смирнов Олег Евгеньевич
НМСУ «Горный», ФГУП «ВНИИОкеангеология»
[email protected]
1

2. ПЛАН НА СЕМЕСТР

-
17 лекций (каждую неделю в 4509)
8 лабораторных (через неделю в компьют. классе)
В конце семестра – экзамен.
Для допуска к экзамену необходимо:
- сдать все лабораторные работы;
- исправно посещать лекции (за пропущенные лекции придется
отвечать на вопросы).
2

3. ПРИМЕРНЫЙ ПЛАН ЗАНЯТИЙ

Сейсморазведка, сейсмоакустика, эхолот – 4 лекции
Гравиразведка – 2 лекции
Магниторазведка – 2 лекции
Электроразведка – 2 лекции
Термометрия – 1 лекция
Геологическое опробование – 2 лекции
Бурение – 1 лекция
Каротаж – 2 лекции
Допуск экзамену – 1 лекция
3

4. Сейсмические методы исследования в море

Лекция 1
4

5. 1. Упругие волны

6. Введение

Сейморазведка - геофизический метод исследования земной
коры, поисков и разведки полезных ископаемых, основанный
на изучении характера распространения упругих волн.
Источники возбуждения упругих волн:
- взрывы,
- невзрывные источники (вибраторы, кувалда, естественные
шумы),
- землетрясения.
Горные породы обладают различными скоростями
распространения упругих волн и плотностями: это вызывает
формирование на границах слоев и отдельных тел
отраженных, преломленных и обменных волн.
Сейсморазведка основана на изучении:
- кинематики волн – времени пробега волны от источника до
приемника;
- динамики волн – интенсивности, формы, частоты,
длительности колебаний.
Методика и техника сейсморазведки предназначены для
возбуждения упругих колебаний, улавливания колебаний
упругой волны, преобразования упругой волны в
энергетические импульсы, их усиления и фиксации на
сейсмограммах.
Обработка сейсмограмм – выделение различных типов волн,
определение времени их прихода.
Количественная интерпретация – расчет скорости
распространения упругих волн и их изменения в разрезе и
объеме; оценка глубины сейсмических границ, их падения и
простирания; построение сейсмогеологического разреза (с
использованием геологических данных).

7. Физико-геологические основы сейсморазведки

Физикогеологические
основы
сейсморазведки
А
S
)
Б)
S
• Упругие модули.
Геологические среды в первом приближении можно считать упругими.
Абсолютно-упругое тело – это тело, которое после прекращения действия
приложенной силы восстанавливает первоначальные форму и объем.
Деформация – изменение формы, объема, размеров тела под действием сил.
Основные деформации – растяжения и сдвига.
А) Если к концу закрепленного тела приложить растягивающую силу F
1. По закону Гука относительная деформация будет обратно
Dl F 1
пропорциональна F/S - напряжению:
l
S E
Закон Гука
где: l - длина тела, Dl - изменение длины, S – площадь поперечного сечения,
E - модуль Юнга.

8. Физико-геологические основы сейсморазведки

А) 2. Коэффициент Пуассона δ
выражает отношение
поперечной деформации к
продольной, где:
r – ширина тела до деформации;
Δr – изменение ширины тела в
результате деформации.
А)
S
Б)
S
Dr
r
коэффициен т Пуассона
Dl
l
Б) Если к поверхности закрепленного
тела приложить касательное
напряжение T, то
Модуль сдвига G – коэффициент
пропорциональности между
приложенным к телу касательным
напряжением T и углом сдвига Θ.
T G
Имеется связь между
этими тремя модулями:
G E
2( 1)

9. Сейсмическая волна

Колебания (волны)
Параметры волны:
длина волны (λ),
амплитуда волны (А),
скорость распространения (V),
частота колебаний (f).
V=f∙ λ
Почему «упругая» волна?
А – источник колебаний,
Б – область разрушения,
В – область остаточных
деформаций,
Г – область упругих колебаний.
Сейсмическая волна – это колебания частиц горных пород, при которых
энергия колебаний передается от одних частиц к другим.

10. Сейсмическая волна

Продольные и поперечные волны

11. Сейсмическая волна

Продольные и поперечные
волны
Скорости продольных волн Vp и скорости поперечных волн Vs выражаются через
упругие модули и, соответственно, зависят только от состава и состояния
вещества:
Vp
E (1 )
(1 )(1 2 )
Vp
Vs
Vs
2(1 )
E
2 (1 )
(1 2 )
Vp всегда больше Vs. Величина Vs/Vp изменяется у различных типов горных пород
от 0.3 до 0.6. Для плотных пород Vs/Vp=0.5-0.6
Продольные и поперечные волны распространяются от источника к приемнику
через весь объем породы – объемные волны.

12. Скорости в горных породах

13. Основные положения геометрической оптики

• Распространение упругих волн в
горных породах базируется на
принципах геометрической оптики.
• Волна движется с определенной
сейсмической скоростью V.
• Фронт волны – поверхность,
ограничивающая области, где
среда деформирована под
воздействием упругой волны и
область, куда волна еще не дошла.
Вблизи от источника фронт близок
по форме к сфере. На удалении его
можно считать плоским.
• Сейсмический луч – линия,
перпендикулярная фронту.
Луч
Фронт волны

14. Принципы Гюйгенса и Ферма.

Закономерности распространения упругих
волн в горных породах устанавливаются из
принципов геометрической оптики –
Гюйгенса и Ферма.
Принцип Гюйгенса: каждую точку фронта
волны
можно
рассматривать
как
самостоятельный источник колебаний. Т.е.
по фронту волны в некоторый момент
можно построить его положение в любой
другой
моменткак
огибающую
элементарных сферических фронтов с
центрами на исходном фронте.
Принцип Ферма: волна распространяется
между двумя точками по такому пути,
который требует наименьшего времени для
его
прохождения.
Отсюда
следует
прямолинейность распространения лучей в
изотропной среде с постоянной скоростью.

15. Принцип суперпозиции, принцип взаимности

• Принцип суперпозиции: при
интерференции (наложении)
нескольких упругих волн, их
распространение можно
изучать независимо для
каждой волны.
• Принцип взаимности: если
поменять местами источник и
приемник, то время прихода
сигнала, форма лучей и
характер колебаний частиц
геологической среды не
изменятся.

16. Принципы распространения сейсмических волн

Фронт волны
1 – тыл волны,
2 – зона сжатия,
3 – зона растяжения,
4 – фронт волны.
λ = VT длина волны
f = 1/T частота

17. Принципы распространения сейсмических волн

Процессы, влияющие на амплитуду:
- геометрическое расхождение;
- затухание в среде.
Два основных эффекта на границах геологических сред:
Отражение
Условие отражения: ρ1V1≠ρ2V2
Закон отражений (угол пад. = углу отраж.):
Преломление
Условие преломления: V1<V2
Закон преломлений (закон Снеллиуса):

18. Волны, используемые в сейсморазведке

P1- прямая (падающая волна). При
попадании продольной волны на
границу, она будет отражаться и
преломляться, создавая 4 типа
вторичных волн:
Верхняя среда
P11 - продольная отраженная волна
P1S1- поперечная отраженная волна
волна.
Нижняя среда
P12 - продольная проходящая волна
P1S2- поперечная проходящая волна
Волны, не меняющие свой тип на
границе – монотипные (P11 , P12 ).
Волны, меняющие свой тип на границе
– обменные (P1S1 , P1S2).

19. Принципы распространения сейсмических волн

Явление рефракции
Головные преломленные волны
1 – фронт падающей
волны,
2 – фронт проходящей
волны,
3 – фронт головной
преломленной волны,
4 – скользящая волна.
Годографы
Годограф – это график зависимости времени пробега сейсмических волн от расстояния
между их источником и приёмником.

20. 2. Аппаратура для сейсморазведки

21. Аппаратура для сейсморазведки

Аппаратурой в сейсморазведке является совокупность ИСТОЧНИКОВ и
ПРИЁМНИКОВ упругих колебаний под управлением сейсмостанции.
Источники
Источниками в сейсморазведке
могут служить:
- Взрывчатое вещество
- Сейсмические вибраторы
- Кувалда
При морских сейсмических работах обычно используются ПНЕВМОИСТОЧНИКИ

22. Аппаратура для сейсморазведки

Источники

23. Подбор параметров группы пневмоисточников

From http://www.ldeo.columbia.edu/res/fac/oma/sss/tuning.html
Подбор параметров группы
пневмоисточников
• Суммирование сигнала от нескольких пневмоисточников
позволяет получить более выраженный сигнал, похожий на
единичный импульс!

24. Сейсмографы

Аппаратура для сейсморазведки
Приёмники
Сейсмографы
• а) При смещении поверхности
Земли влево – рама сместится
влево – грузик в силу инерции
останется на месте – индикатор
покажет смещение.
• б) При смещении поверхности
Земли в вертикальном
измерении – рама сместится
вверх - индикатор на грузике
покажет вертикальное
смещение.

25.

Аппаратура для сейсморазведки
Приёмники
Электромагнитный
сейсмоприемник

26.

Аппаратура для сейсморазведки
Приёмники
Геофон

27. Сейсмографы и геофоны

Аппаратура для сейсморазведки
Приёмники
Сейсмографы и геофоны
• Сейсмограф используется в глобальной
сейсмологии и предназначен для измерения
очень слабых сигналов. Сейсмограф может
зафиксировать движение человека в
километре от прибора.
• Геофоны – используются в сейсморазведке –
компактнее, но менее чувствительны.
• Сейсмограф и геофон – сейсмоприемники.
• Для получения полной информации о
движении волны используются 3 приемника
(иногда компонуются в один прибор) .
Обеспечивается измерение вертикальной и
двух горизонтальных компонент смещений
поверхности Земли.

28.

Аппаратура для сейсморазведки
Приёмники
В море для регистрации
сейсмических волн
применяются гидрофоны.

29. Аппаратура для сейсморазведки

Приёмники
Индукционные сейсмоприёмники
применяют на суше, а также
устанавливают на морское дно
(донные регистраторы).
Обычно при морских работах в качестве приёмников используются ГИДРОФОНЫ
Пьезоэлектрический эффект
при изменении давления

30. ВИДЕОРОЛИКИ

30