Преломлённые волны в лабораторной сейсморазведке: физические свойства горных пород
Сейсморазведка методом преломлённых волн (метод преломлённой волны, метод преломлений, метод преломлённых волн, рефракционная сейсмика) основывается на регистрации волн, распространяющихся вдоль границы раздела двух сред с различными сейсмическими скоростями. Если вторая среда обладает большей скоростью, чем первая, то сейсмическая волна, достигнув границы, частично отражается, а частично преломляется и начинает распространяться вдоль этой границы, повторно излучаясь в вышележащие слои.
Основным физическим законом, лежащим в основе этого метода, является закон Снеллиуса, связывающий углы падения и преломления с волновыми скоростями в двух средах:
$$ \frac{\sin \theta_1}{V_1} = \frac{\sin \theta_2}{V_2} $$
где – θ1 — угол падения, – θ2 — угол преломления, – V1, V2 — скорости распространения волны в верхней и нижней средах соответственно.
При достижении критического угла волна полностью преломляется и начинает распространяться вдоль границы, возбуждая вторичные волны, поднимающиеся к поверхности. Эти волны и регистрируются сейсмоприборами.
Для воспроизведения условий преломлённой сейсморазведки в лаборатории применяются специально изготовленные физические модели разрезов, составленные из материалов с контрастными сейсмическими свойствами (например, пластмасса, стекло, металл, каучук). Геометрия модели тщательно подбирается таким образом, чтобы имитировать реальные геологические условия: горизонтальные или наклонные границы, нарушения, складки, линзы и т. д.
Импульс возбуждается механически — чаще всего ударом маятника, пневматического поршня или с использованием пьезоэлектрического преобразователя. Детекторы фиксируют прохождение продольных и поперечных волн, их временные характеристики, амплитуды, а также возможные дифракционные и отражённые компоненты.
Лабораторные методы позволяют моделировать:
Ключевым инструментом анализа служит временная кривая прибытия (time–distance curve) — зависимость времени регистрации волны от расстояния между источником и приёмником. Для преломлённых волн характерна линейная зависимость времени от расстояния после определённого критического удаления, что позволяет легко отличить их от прямых волн.
Уравнение для времени прихода преломлённой волны в двухслойной модели:
$$ T = T_i + \frac{X}{V_2} $$
где – T — время регистрации, – Ti — время пересечения оси ординат (интервал времени, необходимый для достижения границы и возбуждения преломлённой волны), – X — удаление от источника, – V2 — скорость в нижнем слое.
Из анализа углов наклона линейных участков можно определить скорости распространения волн в слоях. Точка пересечения линеек преломлённой и прямой волны даёт критическое расстояние, от которого возможна регистрация преломлённых волн.
Прямые лабораторные измерения скоростей распространения продольных (P) и поперечных (S) волн в образцах горных пород позволяют определить:
Коэффициент Пуассона:
$$ \nu = \frac{(V_P/V_S)^2 - 2}{2[(V_P/V_S)^2 - 1]} $$
Модуль Юнга:
E = ρVS2(3VP2 − 4VS2)/(VP2 − VS2)
Модуль сдвига:
G = ρVS2
Объёмный модуль упругости (К):
$$ K = \rho \left( V_P^2 - \frac{4}{3}V_S^2 \right) $$
где ρ — плотность материала.
Эти параметры важны не только для интерпретации полевых данных, но и для оценки инженерно-геологических свойств пород: прочности, трещиноватости, упругости.
Преломлённые волны чувствительны к структурным неоднородностям, в первую очередь — к трещинам, зонам выветривания и влагосодержанию. В лабораторных условиях это моделируется с помощью образцов с искусственными трещинами, регулируемой влажностью и различной степенью пористости.
Понижение скорости распространения волн в насыщенных и трещиноватых средах позволяет:
Моделирование преломлённой волны в трёх- и четырёхслойных моделях позволяет отработать интерпретационные схемы для сложных геологических разрезов, включая:
На практике используются точные измерения времени с погрешностью менее 1 мкс, что требует применения высокочастотных преобразователей (до сотен кГц) и оптических систем регистрации (например, лазерные виброметры, цифровые камеры с высокоскоростной съёмкой). Такие подходы позволяют реконструировать реальную картину распространения волнового поля и определить параметры среды с высокой степенью достоверности.
Анизотропные свойства горных пород, обусловленные трещиноватостью, слоистостью или ориентированной зернистой структурой, существенно влияют на распространение преломлённых волн. В лаборатории эффект анизотропии исследуется:
При наличии скоростной анизотропии наблюдается изменение времени прихода в зависимости от направления регистрации. Это позволяет получить дополнительную информацию о микроструктуре породы, её тектоническом напряжённом состоянии и ориентированной трещиноватости.
Лабораторные методы позволяют уточнить:
Кроме того, лабораторные исследования служат основой для калибровки численных моделей, используемых при интерпретации данных глубинной сейсморазведки, и дают возможность протестировать эффективность новых методик обработки (миграции, томографии, обратной задачи).
Использование лабораторных данных способствует точной привязке полевых наблюдений к физическим свойствам пород, что существенно повышает достоверность геофизических построений.