Физико–геологические основы сейсмометрии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

<<УНИВЕРСИТЕТ ДУБНА>>

Факультет: Естественных и инженер наук

Кафедра: Общей и прикладной геофизики

РЕФЕРАТ

По дисциплине Введение в геофизики

ТЕМА: Физико-геологические основы сейсмометрии

Выполнил: студент 1 курса, группы 17150

Факультета естественных инженерных наук

Закирьянов Фарид Ильдусович

Руководитель:

Каляшин Степан Валерьевич

Дубна 2018

Введение

Геофизическая разведка занимает лидирующие позиции в изучении земной коры и является наиболее прогрессивным типом поиска полезных ископаемых. Непрерывно ведутся работы по изучению недр Земли, ее поверхности, свойств горных пород, слагающих оболочку нашей планеты. Впечатляют и темпы совершения новых открытий, как в научном, так и в промышленном плане. И именно геофизика в последнее время стала одной из наиболее развивающихся наук, постоянно совершенствующейся и открывающей нам тайны происхождения Земли.

Существуют пять основных методов геофизического поиска: магниторазведка, гравиразведка, электроразведка, сейсморазведка и радиометрия. У каждого из них свои принципы и особенности, но все они являются производными одной необъятной науки - геофизики.

геофизический разведка ископаемый

1. Понятие сейсмического поля

На вещество Земли действуют различные физические, химические форму вещества, его объем и положение в пространстве. В любом случае энергия воздействия затрачивается на три вида процессов;

Механические перемещения массивов вещества (работу)

Неупругие процессы, приводящие к изменению структуры вещества или его разрушению(изменение внутренней энергии, которое выделяется в виде тепла)

Упругие волны, уносящие часть энергии от места воздействия и затухающие по мере распространения(эта энергия в конечном итоге также выделяется в виде тепла)

Поле упругих волн, <<трясений>> создаваемое различными процессами в толще земной материи и называется сейсмическим полем. Сразу стоит отметить различие в характере распространения воли в средах с различным фазовым состоянием. Твердые тела сопротивляются изменению своего объема (при растяжении сжатии) и формы (при кручении сдвиге отдельных его частей). То есть говорят что тведое тело обладают упругостью объема и упругостью формы. В этом смысле жидкости формы за счет того что частицы вещества не связаны между собой а спокойно проскальзывают друг относительно друга.

Упругие волны связанные с изменением объема вещества называют звуковыми или акустическими волнами. Для волн в жидкостях используют термин гидроакустичексие волны. Упругие волны в твердых геологических средах называют сейсмическими волнами. В их состав входят как акустические волны так и волны связанные с изменением формы тел.

Поле сейсмических волн в реальных условиях представляет собой сложную комбинацию волн, созданных различными источниками и прошедших по геологическим средам с различными физическими свойствами.

То есть структура сейсмического поля зависит от среды в которой оно создается. Это позволяет посредством наблюдения поля сейсмических волн и определения его характеристик узнавать физические и геологические свойства изучаемых сред. Геологические среды в первом приближении можно считать упругими. Поэтому для описания сейсмических волн исполбзуют теорию упругости - раздел механики сплошных сред изучающий деформации упругих твердых тел их поведение при статических и динамических нагрузках.

2. Упругие волны

Упругие возмущения, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразных средах, напр, волны, возникающие в земной коре при землетрясениях, звуковые и ультразвуковые волны в жидкостях, газах и твёрдых телах. При распространении У. в. в среде возникают механич. деформации сжатия и сдвига, к-рые переносятся волной из одной точки среды в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации в отсутствие потока вещества (исключая особые случаи, напр. акустические течения ).Всякая гармонич. У. в. характеризуется амплитудойколебат. смещения частиц среды и его направлением, колебат. скоростью частиц, перем. механич. напряжением и деформацией (к-рые в общем случае являются тензорными величинами), частотой колебаний частиц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны.

Продольная волна - это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны Причиной возникновения продольной волны является деформация сжатия/растяжения, т.е. сопротивление среды изменению ее объема. В жидкостях или газах такая деформация сопровождается разрежением или уплотнением частиц среды. Продольные волны могут распространяться в любых средах - твердых, жидких и газообразных.Примерами продольных волн являются волны в упругом стержне или звуковые волны в газах

Рис.1.Продольные (а) и поперечные (б) механические волны

Поперечная волна - это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении, перпендикулярном распространению волны Причиной поперечной волны является деформация сдвига одного слоя среды относительно другого. При распространении поперечной волны в среде образуются гребни и впадины. Жидкости и газы, в отличие от твердых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоев, т.е. не оказывают сопротивления изменению формы. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердых телах.Примерами поперечных волн могут служить волны, бегущие по натянутой веревке или по струне.

. Поверхностные волны - это волны, которые распространяются вдоль границы раздела двух сред и приникают в эти среды на расстояние, меньшее длины волны. В поверхностных волнах вся энергия сосредоточена в узкой окрестности границы раздела, и состояние поверхности существенно влияет на их распространения. Именно поэтому поверхностные волны являются источником информации о состоянии поверхности. Более того, взаимодействие объемных и поверхностных волн может приводить к различным поверхностным эффектам, таким как генерация гармоник, вращение плоскости поляризации при отражении и так далее. Волны такого типа возникают при падении объемной волны из диэлектрика на поверхность металла что обуславливается некоторыми особеностями распространения волн в средах со своободнымизарядами,примерами которых являются металлы. При падении волны на такое вещество,свободные электроны колеблются под действием внешнего переменного поля волны. Ионы также испытывают действие поля,но поскольку их масса относительно велика,то в первом приблиении их считают неподвижными.

3. Отражение волн

Отражение волн, возвращение волн, падающих на границу раздела двух сред, в исходную среду. Происходит в результате переизлучения волн границей раздела сред (препятствием) с изменением направления распространения волн (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут служить неоднородности среды (как резкие в масштабе длины волны лл, так и плавные), сочленения волноводных систем и изменения их геометрии, непрозрачные тела. Обычно на границе раздела сред одновременно с О. в. происходит преломление волн.

При падении плоской монохроматической волны на плоскую (гладкую в масштабе лл) границу раздела однородных сред с разными свойствами происходит зеркальное О. в. Амплитуды, фазы и направления распространения отражённых и преломлённых (прошедших) волн (в анизотропных средах их может быть несколько) определяются из условий согласования волновых полей по разные стороны от границы. Такими условиями для электромагнитных волн являются непрерывность тангенциальных составляющих напряжённостей электрич. и магнитного полей, для акустических - равенство давления и нормальной составляющей гидродинамич. скорости. Требование непрерывности фазы приводит к универсальному закону: тангенциальные составляющие волновых векторов падающей, отражённой и преломлённой волн должны быть равны между собой (k||п=k||отр=k||прkп||=kотр||=kпр||). В случае изотропных неподвижных сред допустима лучевая трактовка закона О. в.: 1) падающий и отражённый лучи лежат в одной, нормальной к границе, плоскости; 2) угол отражения равен углу падения.

Интенсивность отражённой волны характеризуется коэф. отражения RR, равным отношению интенсивностей отражённой и падающей волн. Коэф. отражения существенно зависит от природы волн, свойств обеих сред, поляризации волн и угла падения. При определённых углах падения волн, поляризованных в плоскости падения, возможно безотражательное прохождение волн (см. Брюстера закон). При падении волны на среду с большей фазовой скоростью волн (из среды с бoмльшим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления) может наблюдаться полное внутреннее отражение. Преломлённая волна при полном внутр. отражении имеет вид поверхностной волны, экспоненциально прижатой к границе.

Законы зеркального О. в. приближённо выполняются для плавно искривлённых (в масштабе лл) границ раздела плавно неоднородных сред при условии, что размеры шероховатостей границы много меньше длины волны. Если размеры неровностей границы сравнимы с длиной волны, то возможны два случая. При хаотич. расположении неровностей имеет место диффузное О. в. (стохастич. рассеяние волн). Так, напр., окружающие нас предметы мы видим в диффузно отражённом свете. При периодич. расположении неровностей (отражательные дифракционные решётки), кроме отражённой в зеркальном направлении волны, возникает дискретный набор «побочных» волн, направления распространения которых зависят от лл, что используется в анализаторах спектра. В трёхмерных периодич. структурах (напр., в кристаллах) О. в. реализуется только при определённых соотношениях между длиной волны и углом падения (см. Брэгга - Вульфа условия).О. в. от движущихся объектов происходит со смещением частоты (см. Доплера эффект); угол отражения при этом не равен углу падения (угловая аберрация).В плавно неоднородных средах истинное О. в. экспоненциально малoм. Однако рефракция волн может приводить к явлениям, сходным с О. в., напр. к отражению радиоволн от ионосферы, миражам (оптическим и акустическим).О. в. лежит в основе мн. природных явлений, технич. устройств и систем (волноводы, резонаторы, гидролокаторы, радиолокаторы и др.). В некоторых случаях О. в. приводит к вредным последствиям: повышению уровня шумов, гиперреверберации звука в залах, слепящим бликам, искажению ТВ-изображений. Для борьбы с паразитным О. в. применяются поглощающие покрытия и согласующие элементы (напр., четвертьволновые плёнки на объективах оптич. приборов)

4. Преломление волн

Преломление волн (рефракция волн) - изменение направления распространения волны в неоднородной среде, обусловленное зависимостью фазовой скорости волны от координат. П. в. может рассматриваться как отдельное (независимое от дифракции волн.)явление только в рамках применимости лучевого описания волновых процессов (см. Геометрическая оптика, Геометрическая акустика). Соответственно различают П. в. на плоской или плавно изогнутой (в масштабе длин волн) границе раздела однородных сред и П. в. в плавно неоднородной (в масштабе длины волны) среде (иногда термин "рефракция" относят только к этому случаю).

При преломлении плоской монохроматич. волны на плоской границе раздела двух однородных непоглощающих сред направления распространения падающей и преломлённой волн связаны соотношением=(Снеллязаконпреломления), где - углы падения и преломления, т. е. углы между направлениями фазовых скоростейи нормалью к границе.

В изотропных средах величина не зависит от угла падения и наз. относит. показателем преломления двух сред; для эл--магн. волн вводят абс. показатель преломления как отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости в среде. При> 1 не существует действит. углов, удовлетворяющих закону П. в., и преломлённая волна отсутствует - явление полного внутреннего отражения. Однако и в этом случае закон П.в. формально выполняется при комплексных значениях угла преломления, к-рым соответствуют бегущие вдоль границы и экспоненциально спадающие при удалении от неё моды. На границе раздела анизотропных сред, в к-рых величина фазовой скорости зависит от направления распространения, одной падающей могут соответствовать неск. преломлённых волн, групповые скоростик-рых направлены от границы в глубь среды (угол преломления при этом может быть тупым). П. в. на резких границах раздела сред сопровождается (за редким исключением) отражением волн. Соотношение амплитуд падающей, преломлённой и отражённых волн зависит от природы и поляризации волн и в эл--магн. случае определяется Френеля формулами. На эффекте П. в. основан принцип действия большинства оптич. устройств (микроскопов, телескопов, спектрографов, фотоаппаратов, световодов и др.). Рефракцией объясняются мн. явления природы: миражи, звуковые каналы в океане и атмосфере, сверхдальняя радиосвязь и др.

5. Дифракция волн

Дифракция волн- в первоначальном узком смысле - огибание волнами препятствий, в современном, более широком - любые отклонения при распространении волн от законов геометрической оптики. К Д. в. фактически относят все эффекты, возникающие при взаимодействии волн с объектом любых размеров, даже малых по сравнению с длиной падающей волны , когда сопоставление с лучевым приближением совершенно не показательно. При таком общем толковании Д. в. тесно переплетается с явлениями распространения и рассеяния волн в неоднородных средах.

Первая волновая трактовка Д. в. дана T. Юнгом (Th.Young, 1800), вторая - О. Френелем (A. Fresnel, 1815).В картине волнового поля, возникающей за препятствием, Юнг усматривал сочетание собственно Д. в. и интерференции. Для объяснения Д. в., помимо обычных законов распространения волн в направлении лучей, он ввёл принцип поперечной передачи амплитуды колебаний непосредственно вдоль волновых фронтов, указав, что скорость этой передачи пропорциональна длине волны и перепаду амплитуд на фронте.

Согласно Юнгу, возникновение дифрагиров. волны имеет локальный характер и происходит в нек-рой окрестности границы тени за краем препятствия (рис. 1). Аналогичная дифрагиров. волна образуется и в освещённой области, так что в целом формируется поле цилиндрич. волны, как бы испускаемой краем препятствия. Интерференция между дифрагиров. волной и не заслонённой препятствием частью падающей волны объясняет появление на экране В' интерференц. полос выше границы геом. тени BB' и отсутствие их в нижней части.

Рис.2. Схема дифракции волн от края экрана по Юнгу

Френель отказался от локального юнговского подхода и предложил свой интегр. метод, опирающийся на сформулированный ранее (1690) принцип Гюйгенса (см. Гюйгенса - Френеля принцип ).Согласно Френелю, дифракц. поле может быть представлено как результат интерференции фиктивных вторичных источников (рис. 2), распределённых по всей не закрытой препятствием части фронта падающей волны и имеющих амплитуду и фазу, пропорциональные таковым у этой волны. Френель ввёл разбиение поверхности, занятой вторичными источниками, на полуволновые зоны (т. н. Френеля зоны; рис. 3). Характер Д. в. зависит от того, сколько зон укладывается в отверстии, или от значения фре-нелевского (волнового) параметра р, равного отношению размера первой зоны Френеля к радиусу а отверстия (где z - координата точки наблюдения). Различают следующие характерные области Д. в., отвечающие разным значениям р:геометрооптическую, или прожекторную, область ; область дифракции Френеля р~1; область дифракции Фраунгофера . При фиксиров. радиусе отверстия а и длине падающей волны выделенные области последовательно проходятся по мере удаления точки наблюдения от отверстия (т. е. с увеличением z). B первой, прилегающей к отверстию области поперечное (в плоскости z=const) распределение амплитуды повторяет (исключая малую окрестность =а, т. е. распределение амплитуды на самом отверстии (отсюда термин "прожекторная область") и отвечает приближению геом. оптики (отсюда термин "геометрооптическая область"). Во второй зоне поперечное распределение амплитуды существенно искажается. Начиная с этих расстояний волновой пучок, о к-ром может идти речь, становится относительно быстро расширяющимся из-за Д. в. Наконец, в третьей, удалённой области пространства дифракц поле представляет собой расходящуюся сферич. волну с локально плоской структурой, но обладающую определ направленностью.T. о., наиб. отчётливо дифракц. явления начинают проявляться во френелевской области, т. е. с расстояний

Рис.3. Схема дифракции волн от края экрана по Френелю. 10

6. Упругие свойства горных пород

Упругость- свойство горной породы изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения этих воздействий.

Упругие свойства горных пород проявляются только при кратковременном внешнем воздействии.

Для каждого вида приложенных нагрузок существует свой коэффициент пропорциональности между напряжениями и упругими деформациями: он является параметром породы, оценивающим ее упругие свойства.

К параметрам, характеризущим упругие свойства горных пород, следует относить:

- предел упругости , Па;

- модуль упругости(модуль Юнга) Е, Па;

- модуль сдвигаG, Па;

- модуль всестороннего сжатияК, Па;

- коэффициент Пуассона, ед.

В лабораторных условиях упругие параметры горной породы можно установить при нагружении образцов на гидравлических прессах. Для этого исследуемые образцы должны иметь соотношение высоты (h) к диаметру (d) - . Такое требование позволяет обеспечить равномерное одноосное напряженное состояние в средней части образца при его сжатии.

В начале испытаний, определяют предел прочности образца на одноосное сжатие (). Запись деформаций осуществляют с помощью проволочных тензометров, индуктивных датчиков часового типа и т.п. Обычно датчики располагают с 4-х сторон образца, а их показания усредняют. Испытания проводят в режиме многократного нагружения и разгрузки.

На рисунке 4 представлен типичный график деформирования горной породы для определения упругих параметров.

Рисунок 5.3 - Типичный график деформирования образца горной породы.

С помощью графика можно установить величиныи, а по выражению

(5.2)

определить модуль упругости.

По относительным изменениям линейных размеров в направлениях перпендикулярном и параллельном приложению нагрузки на образец определяют коэффициент Пуассона.

Таким образом, определив экспериментально на образцах пород характеристики Е и , можно расчетным путем определить значения остальных параметров.

Упругие свойства пород зависят от величины и рода прилагаемой нагрузки. С увеличением нагрузки при растяжении породы модуль упругости уменьшается, при сжатии - увеличивается. При сжатии порода уплотняется, увеличивается площадь контактов зерен, соответственно уменьшается способность породы к дальнейшей деформации и, следовательно, возрастает модуль упругости.

Коэффициенты поперечных деформаций н горных пород теоретически могут изменяться в пределах от 0 до 0,5. Для большинства пород они колеблются в интервале значений от 0,14 до 0,35.

Минимальные значения н имеют некоторые биотитовые и известковые сланцы, опал, гнейсы (0,01-0,08), максимальные - некоторые дуниты, амфиболиты (0,4-0,46).Для горных пород Донбасса значения коэффициента Пуассона находятся в следующих пределах: алевролит - 0,10,49; аргиллит - 0,080,44; песчаник - 0,10,37; известняк - 0,130,44

7. Продольные и поперечные волны

Итак, при воздействии источника упругих волн на горные породы происходит процесс передачи энергии и распространения её во все стороны в виде сейсмической волны. Теория распространения упругих волн утверждает, что в безграничном изотропном пространстве могут возникать и распространяться два независимых типа сейсмической волны:

* в виде передачи деформаций I рода, связанные с деформацией объема - продольные волны, им присвоен индекс Р (первая буква латинских слов «prima» - первая), поскольку они являются наиболее быстрыми и приходят от источника к любой точке наблюдения первыми;

* в виде передачи деформаций II рода, связанные с деформацией формы (сдвига) - поперечные волны - типа S (первая буква слова «secunda» - вторая). На записях регистрируются вторыми.

Продольные и поперечные волны распространяются по всему объему среды, поэтому называются объемными.

Продольная волна, представляет собой чередование зон сжатия и растяжения (рис. 5.а). Частицы среды совершают колебания относительно своего первоначального положения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Продольные волны могут возникать в газообразных, жидких и твердых средах.

При распространении поперечной волны, происходит скольжение слоев упругой среды друг относительно друга (рис.5.б), а частицы совершают колебания в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны.

Рис. 5. Схема распространения продольных (а) и поперечных (б) волн

Поскольку смещение поперечной волны определяется двумя компонентами: - вектор смещения иV - скорость, то результирующее смещение это - некоторый вектор, который имеет направление, причем довольно часто, меняющееся по мере распространения волны. Поэтому говорят о поляризации поперечных волн. Если вектор в процессе движения волны не меняет направление, то волна плоско или линейно поляризованная, но могут быть сложные виды поляризации - эллиптические и др.

Скорости распространения продольных - V и поперечных - V волн зависят от упругих констант и плотности - среды:

V=, (1.11)

V=. (1.12)

Особенностью поперечной волны является то, что в жидких и газообразных средах она не распространяется, так как , то и скоростьV.

Отношение скоростей показывает, что продольные волны распространяются быстрее поперечных.

Для большинства горных пород0,18 ч 0,4 поэтому , поэтому продольная волн и называетсяпервая, а поперечнаявторая.

8. Поглощение сейсмических волн

Поглощение сейсмических волн в земной коре и верхней мантии - одна из фундаментальных характеристик распространения сейсмических волн, позволяющая делать заключения о составе и физическом состоянии вещества в недрах Земли. Региональные характеристики поглощения необходимо знать для расчета искусственных акселерограмм и оценки параметров колебаний земной поверхности при возможных сильных землетрясениях.

Как отмечалось в обзорной работе [AkiandIrikura, 1991], "сообщество пользователей карт сейсмического районирования разнообразно, и требуемые параметры сильных движений также разнообразны. Непрактично готовить многоцелевые карты районирования для удовлетворения всех их нужд. Нам представляется следующая процедура в будущем. Поскольку любой параметр может быть получен из акселерограмм, мы должны рассчитывать акселерограммы для заданных пар источник - приемник с использованием современных методов на основе современных знаний об очагах землетрясений, параметрах пути распространения и локальных условиях в точке приема".

Акселерограммы рассчитываются на основе предварительно определенных региональных характеристик излучения и распространения сейсмических волн [Boore, 2003]. Как правило, изучение этих характеристик начинается с оцениваниярегионального частотно-зависимого поглощения, т.е. добротности среды, Q(f), по записям слабых движений (см., например [Chenetal., 1989]).

Оценив характеристики поглощения, можно методами решения обратных задач по записям сильных землетрясений попытаться определить или уточнить другие характеристики излучения и распространения сейсмических волн, в частности, параметр напряжений, очаговые спектры, геометрическое расхождение, усиление в коре, параметр ослабления высокочастотных компонент (каппа), а также построить модели поведения грунта на разных станциях (см. например [PavlenkoandWen, 2008]). Таким образом, имеющиеся записи сильных землетрясений в данном регионе будут использованы для оценки параметров колебаний поверхности при возможных будущих землетрясениях и послужат целям снижения ущерба от землетрясений в будущем.

Для оценивания поглощения сейсмических волн на частотах выше 1 Гц требуется отделить эффекты поглощения от эффектов излучения очага и локальных эффектов в окрестности очага и точки приема, также влияющих на форму колебаний на поверхности. Для этого выбираются записи землетрясений с глубокими очагами с одной сейсмостанции, что дает возможность использовать прямые объемные волны и таким образом минимизировать число локальных эффектов.

В настоящей работе для оценки Q использован так называемый метод "нормализации по коде", разработанный и описанный в работах [AkiandChouet, 1975; Rautianetal., 1978; Aki, 1980]; этот метод не требует предположений ни о частотной зависимости Q(f), ни о форме очагового спектра. Добротность Q оценивается независимо для нескольких частот, при этом для получения информации об очаговых спектрах используются кода-волны.

Заключение

В данной работе были рассмотрены основы сейсмической разведки ее цели и задачи, а также традиционные и современные методы разведки и используемое в работе оборудование. На сегодняшний день сейсмическая разведка продолжает развиваться и остается одной из самых востребованных отраслей науки и производства, без которой невозможно представить поиск и добычу целого ряда полезных ископаемых, а также предотвращение таких стихийных бедствий как землетрясения и наводнения.

Размещено на Allbest.ru