Скорость упругих колебаний в геологических средах

    4.1 Скорость упругих  колебаний в геологических  средах 

    4.1 Скорость распространения  волн и поглощение  в горных породах.

    Возможность использования сейсморазведки как  метода изучения геологического строения того или иного района базируется на том, что преломляющие и отражающие границы совпадают с геологическими границами, т. е. с границами стратиграфических горизонтов. Именно поэтому сведения о положении отражающих или преломляющих границ позволяют геологам и геофизикам судить о строении подземных толщ и об особенностях их структуры.

    Но  не только о структурных особенностях можно судить на основании данных сейсморазведки. Сведения о скоростях распространения упругих волн в преломляющих слоях, которые могут быть получены на основании годографов, позволяют иногда судить о литологическом составе пород, слагающих преломляющий горизонт. Вследствие этого в некоторых случаях оказывается возможным определить геологический возраст горизонта, или, как говорят геологи, «привязать» его стратиграфически. Таким образом, совокупность данных, полученных при сейсморазведке, позволяет составить представление о геологическом строении района и во многих случаях определить возраст пород, слагающих тот или иной горизонт.

          Cведения о скоростях распространения продольных волн, накопленные отечественной сейсморазведкой, настолько обширны, что позволяют сделать общие выводы о закономерностях в распределении скоростей. В таблице 4.1 приведены скорости распространения продольных и поперечных волн в различных породах и средах.

Таблица 4.1 Скорости в геологических средах

    Как показывают данные таблицы 4.1, многие породы, совершенно различные по составу, могут характеризоваться одной и той же величиной скорости. Тем не менее, во многих случаях, когда приблизительно известен геологический разрез изучаемого района, по величине скорости может быть точно определен состав пород, слагающих изучаемый горизонт. Например, известно, что в исследуемом районе верхняя часть разреза сложена песчано-глинистыми отложениями и лишь в средней части разреза находится слой известняка сантонского возраста. Определив положение преломляющего горизонта, характеризующегося скоростью  υ_p =3500-4500м/с, можно уверенно говорить о совпадении его с верхней границей известняков сантона. Такие случаи встречаются часто.

          Скорость распространения  волн в большой мере зависит от степени уплотнения пород, быстро возрастает модуль Юнга, вследствие чего происходит увеличение скорости. Особенно отчетливо это проявляется в самой верхней части разреза. Расположенные вблизи поверхности  земли породы, подвергаясь действию ветра, дождя, растений и т. п. обычно разрушаются-выветриваются.

          Частицы, составляющие верхний выветренный слой, слабо  связаны между собой, иначе говоря, степень уплотнения в этих поверхностных  слоях очень невелика. Вследствие этого даже такие породы, как сланцы или известняки, обнажаясь на поверхности земли, характеризуются ненормально низкими скоростями. Что же касается более рыхлых пород, то в поверхностном слое связь между отдельными частицами оказывается настолько слабой, частицы настолько разобщены, что скорость распространения упругих волн в такой среде бывает иногда меньшей, чем в воздухе. В таких рыхлых образованиях скорость сильно зависит от степени насыщенности породы влагой. Как правило, скорость в увлажненных рыхлых породах больше, чем в сухих. В слитных, весьма уплотненных породах величина скорости практически не зависит от степени увлажнения.

          Поскольку степень  уплотнения пород в большой мере зависит от испытываемой ими нагрузки, то естественно, что одни и те же породы, залегающие на разной глубине, характеризуются различной скоростью, причем тем большей, чем больше глубина залегания. Поэтому нередко в одном и том же пласте скорость оказывается в сводовой части структуры меньшей, чем в области прогиба этого же пласта. Такая закономерность заметно проявляется на структурах с большой амплитудой поднятий, где различие в нагрузках на своде и в синклинали особенно велико.

          Кроме того, следует  отметить, что более отчетливо  зависимость скорости от глубины  залегания проявляется в более  молодых и неглубоко залегающих пластах. Объясняется это, по-видимому, тем, что породы в глубоко залегающих и древних пластах так сильно уплотнены, что небольшие различия в величине нагрузки сказываются чрезвычайно слабо. Именно с зависимостью уплотнения пород от нагрузки связано различие в скоростях распространения волн в неодинаковых по возрасту (молодых и древних) породах, имеющих один и тот же петрографический состав. Большая глубина залегания и длительность нагрузок вызывают соответственно большое уплотнение древних пород по сравнению с молодыми. Кроме того, существенную роль играют процессы метаморфизма. Так, при горообразовательных процессах (образовании структур) породы испытывают большие дополнительные механические нагрузки, под влиянием которых происходит значительное уплотнение пород. Древние породы участвуют в большом числе этапов горообразования, поэтому они более уплотнены.

          Соответствие между  геологическими и сейсмическими  границами показано на рис. 25, где  изображены литологическая колонка  и скоростной разрез одной из скважин  в Саратовском Поволжье. Нижний слой 7 со скоростью 4,17 км/с соответствует терригенным отложениям среднего девона. Залегающие выше верхнедевонские известняки 6 характеризуются скоростью 6 км/с. Над ними располагаются известковые породы нижнего карбона 5, в которых равна 4,32 км/с. Терригенные отложения 4 верейского горизонта, имеющие скорость 2,7 км/с, перекрываются известняками верхнекаменноугольного возраста 3, в которых скорость около 4,15 км/с. Верхней части разреза наблюдаются небольшие скорости 1,6-1,8 км/с, соответствующие песчано-глинистым отложениям 1 и 2 мезозоя.

          Скорости распространения поперечных волн υ_s изменяются в еще большем относительном диапазоне и также зависят от перечисленных выше факторов. В большинстве горных пород отношение 

n =

составляет приблизительно 1,7-2. В глинистых водонасыщенных породах и плывунах это отношение может значительно возрастать, достигая значений 7 10, вследствие резкого уменьшения скорости породах.

          Декременты поглощения продольных θ_p и поперечных θ_s волн имеют одинаковые по порядку величин значения. В крепких, консолидированных породах, декремент поглощения имеет величину менее 0,01; в поверхностных частях разреза он взрастает до 0,1 и более.

    Рисунок 4.1.1 Сейсмогеологический разрез ( по данным А.И.Хромого) 
 

    4.2 Зона малых скоростей (ЗМС).

    Верхняя часть разреза (ВЧР). В большинстве районов под почвенным слоем залегают рыхлые, слабо сцементированные отложения. Такие отложения, если только они не полностью насыщенны водой, характеризуются очень малыми значениями скорости (см. табл. 4.1) и образуют зону малых скоростей, которая отличается сильным поглощающим действием, особенно по отношению к высоким частотам. Мощность ЗМС изменяется в широких пределах от нуля до 80 100 м. Обычно она составляет 8 15 м. Нижняя граница ЗМС часто совпадает с уровнем грунтовых вод, что объясняется резким увеличением скорости в полностью водонасыщенных рыхлых породах. В районах развития вечной мерзлоты ЗМС отсутствует.

          Зона малых скоростей  существенным образом сказывается на распространении сейсмических волн. Вследствие большого различия в скоростях в ЗМС и в подстилающих ее породах происходит сильное преломление лучей глубинных волн, и вблизи поверхности лучи можно считать вертикальными. Поэтому продольные волны создают на поверхности земли преимущественно вертикальные смещения почвы, а поперечные волны - горизонтальные смещения.

          Различие в свойствах  ЗМС вдоль сейсмического профиля  приводит к различному запаздыванию волны при ее прохождении сквозь ЗМС. Поэтому это искажающее влияние должно быть учтено при обработке сейсмических материалов.

          Сильные поглощающие  свойства ЗМС приводят к низкой сейсмической эффективности взрывов в ней. Поэтому стремятся помещать заряды ниже ЗМС, для чего бурят специальные  взрывные скважины. Поглощающие свойства ЗМС сильно сказываются на волнах, распространяющихся преимущественно в ней. Поэтому во многих случаях наблюдается быстрое ослабление прямой и поверхностных волн по мере удаления от пункта взрыва. Отраженные и преломленные волны, приходящие снизу, проходят в ЗМС сравнительно небольшой путь, но при значительной мощности ЗМС и они могут быть сильно ослаблены, вследствие действия поглощения. Наиболее сильное поглощение наблюдается в самой верхней части ЗМС – почвенном слое. Для устранения его влияния приемники сейсмических колебаний устанавливают в неглубокие ямки.

          При морской и  речной сейсморазведке может проявляться  сходное с влиянием ЗМС действие слоя донных осадков.

          Кроме ЗМС часто  особо рассматривают верхнюю  часть разреза (ВЧР), с существованием которой связаны многие особенности волновой картины, наблюдаемой на поверхности. К ВЧР относят толщу отложений мощностью 200-400м, в которой скорость изменяется довольно значительно и обнаруживается сравнительно большое поглощение. Большая дифференцированность по скоростям слоев, слагающих ВЧР, приводит к возникновению множества сильных отражающих границ, на которых могут образовываться многочисленные и разнообразные регулярные волны – помехи. 

          4.3 Условия применения  сейсморазведки.

    Сейсмические методы разведки в настоящее время применяются преимущественно для решения различных задач структурной геологии. С помощью сейсморазведки решаются вопросы, относящиеся как к области региональной геологии, так и имеющие непосредственное поисковое и разведочное значение.

          При поисках и  разведке полезных ископаемых основными  объектами исследования являются различные  формы складчатости. В задачу сейсморазведки в этом случае может входить: обнаружение и изучение антиклиналей, куполовидных поднятий, сбросов, угловых несогласий, исследование взаимной связи между различными структурами, прослеживание стратиграфических горизонтов, установленных бурением и т. п. Сейсмические методы часто служат для детальной разведки структур и подготовки их к разведочному бурению.

          Использование сейсморазведки для выяснения вопросов, относящихся  к региональной геологии, дает возможность  проводить районирование крупных геологических объектов (платформы, депрессии и т. п.), выделять зоны относительного подъема и погружения осадочной толщи, изучать глубину залегания и форму кровли докембрийского или палеозойского фундамента и т.п.

          Сейсмические методы могут быть также использованы для  решения задач инженерной геологии: определения  глубины залегания  коренных пород, формы их поверхности, а также исследования некоторых их физических параметров.

          Основные методы полевой сейсморазведки – метод  отраженных волн и метод преломленных волн – при решении различных  задач неравноценны. Первый из них  позволяет хорошо решать структурные  задачи при глубине залегания структур от 200-400м до 5-7 км и определять скорости в толще, покрывающей границу, знание которых необходимо для интерпретации сейсмических наблюдений. Метод преломленных волн также может давать надежные сведения о геометрической форме поверхности раздела. Однако он не позволяет надежно определять скорости в толще, покрывающей преломляющую границу, знание которых необходимо для интерпретации.