1.5. Поверхностные волны

В однородной безграничной среде, как было рассмотрено выше, могут распространяться продольные и поперечные волны. Они распространяются по всему объему среды и поэтому называются объемными волнами.

При наличии поверхности, которая разделяет пространство на два полупространства – нижнее, заполненное однородной упругой средой, и верхнее – воздухом, то вдоль границы раздела «земля-воздух» распространяется поверхностная волна Релея. При распространении волны Релея одновременно происходят деформации и объема и формы. По этой причине траектории движения частиц представляют эллипсы, у которых отношение горизонтальной и вертикальной осей приблизительно равно 0,7. Такие волны очень быстро затухают с глубиной, т.е. они фактически распространяются вдоль некоторого слоя, прилегающего к границе «земля-воздух», причем амплитуды смещения убывают с глубиной примерно по экспоненциальному закону. Скорость распространения волны Релея примерно равна V, где V - скорость поперечной волны в нижнем полупространстве.

В сейсморазведке поверхностные волны релеевского типа являются помехами, которые мешают регистрировать отраженные и другие полезные волны (рис.1.11). Их интенсивность, если не принять ряд специальных мер (группирование сейсмоприемников, частотную фильтрацию, процедуры обработки и т.д.), может во много раз превышать интенсивность полезных волн. Поэтому изучение их характеристик необходимо для успешной борьбы с ними.

Рис. 1.11. Типичный пример записи сейсмограммы МОВ: 1 – цуг колебаний волн помех релеевского типа; 2 – отраженные волны

Другим типом поверхностных волн являются волны Лява. Она может возникнуть, когда на упругом полупространстве лежит тонкий слой, скорость поперечной волны в котором V значительно меньше скорости V в упругом полупространстве (V« V). Волны Лява представляют суммарные колебания, образованные сложением смещений поперечной волны, многократно отразившейся от верхней и нижней границ тонкого пласта. Скорость этих волн зависит от частоты (длины) волны и изменяется в пределах: от 0.9 V - для очень коротких волн до 0,9 V- для очень длинных волн. По мере распространения волны в нижний пласт её амплитуда быстро убывает. Как и волна Релея относится к помехам.

При взрывах в шурфах и скважинах в воздухе возникают и распространяются звуковые волны. Они являются продольными волнами и характеризуются скоростью около 340 .

1.6. Распространение сейсмических волн

в не абсолютно упругих средах

Все реальные среды можно рассматривать как абсолютно упругие, только в некотором приближении, позволяющем более или менее точно описать изменения параметров волны при прохождении сравнительно небольших расстояний. Экспериментальные исследования процесса распространения упругих волн на большие расстояния от источника показали их более сильное ослабление, чем это вытекает из расчетов, основанных на формулах для абсолютно упругих сред. Изменение интенсивности волн сопровождается изменением формы трассы записи. Эти явления могут быть объяснены, если предположить существование некоторого механизма поглощения энергии сейсмических волн путем перехода её в другие виды, например в тепловую. Среды, в которых происходит такое преобразование энергии упругих колебаний, принято называть поглощающими.

Эффект поглощения амплитуды сейсмической волны описывается зависимостью: А(r)= A, (1.20)

где A(r) – амплитуда волны в расчетной точке; A - амплитуда волны в точке возбуждения; r - расстояние от источника до расчетной точки; - амплитудный коэффициент поглощения;- круговая частота колебаний. Из этой формулы видно, что коэффициент, определяющий интенсивность ослабления волны с расстоянием, зависит от частоты. Разные теории приводят к различным формам этой зависимости.

Согласно теории вязкого трения: ,где - коэффициент поглощения, зависящий от свойств упругой среды. Единицы измерения-.

Теория упругого последействия приводит к линейной зависимости коэффициента от частоты:() =, где- постоянная поглощения.

В настоящее время отсутствуют устоявшиеся взгляды на эти вопросы. Однако практика подтверждает, что в большинстве случаев для горных пород зависимость коэффициента поглощения от частоты близка к зависимости на рисунке 1.12, промежуточной между двумя выше названными. Во всех случаях коэффициент поглощения является возрастающей функцией частоты.

Рис.1.12. Обобщенные экспериментальные данные о зависимости коэффициента поглощения для пород различного литологического состава от частоты.

Области частот, используемые при: 1 – сейсмологии; 2 – глубинных сейсмических зондированиях; 3, 4. 5 – низко-, средне- и высокочастотной сейсмораз-ке; 6 – лабораторных исследованиях.

Графики, проведенные в соответствии с теорией: 7 – вязкого трения; 8 – упругого последействия; 9 – осреднения

Из графиков следует, что по мере увеличения коэффициента поглощения происходит избирательное ослабление частоты волны (сначала низкие, затем средние и высокие частоты). Это обстоятельство приводит к изменению формы записи волны по мере её удаления от источника.