Геофізичні методи дослідження земної кори
Основними пружними параметрами гірських порід прийнято вважати швидкості поздовжніх () і поперечних () хвиль і їх поглинання (), які визначаються пружними модулями () і щільністю () (див. 4.1, 4.2).
Швидкості поширення пружних хвиль є певним діагностичним ознакою гірської породи. Методи їх визначення діляться на лабораторні (вимірювання на зразках), свердловини (сейсмічні і акустичні спостереження в свердловинах), польові (розрахунок швидкості в результаті інтерпретації даних сейсморозвідки).
Швидкості поширення хвиль визначаються складом, будовою і станом гірських порід, які, в свою чергу, залежать від гранулометричного і мінерального складу твердих частинок, глибини залягання, віку порід, ступеня метаморфізму, щільності, пористості, тріщинуватості, зруйнованості, вивітрені, водонасиченому, нафтогазонасиченості і інших факторів.
Найменшими швидкостями () мають пухкі сухі піски (0,5 - 1 км / с), нафта (
1,5 км / с), глини (1,3 - 3 км / с), вугілля (1,8 - 3,5 км / с). Великі швидкості (3 - 6 км / с) у скельних осадових порід (вапняки, мармур, доломіт, сіль і ін.). Найбільші (4 - 7 км / с) - у вивержених і метаморфічних порід.
Всі інші фактори, які роблять породу більш масивною, зцементованою, консолідованої - наприклад, водонасиченому, замерзання, ступінь метаморфізму - роблять більше. Зі збільшенням роздробленості, тріщинуватості, пухкості, пористості (при заповненні пір повітрям або газом) зменшується. Нефтенасищенной породи по мало відрізняються від водонасичених. Для сильно рассланцованних порід характерно відмінність швидкостей в різних напрямках (анізотропія): у них швидкість на 10 - 20% більше уздовж, ніж навхрест нашарування. Чим більше абсолютний вік порід () і глибина залягання (), тим більше швидкість. Для осадових порід відома наступна емпірична формула залежності швидкості від цих чинників, де - коефіцієнт пропорційності.
Т а б л і ц а 4.1
Найменування породи або середовища
У таблиці 4.1 наведені приклади величин швидкостей поздовжніх хвиль в деяких породах і середовищах, які свідчать про великий інтервалі їх зміни для кожної породи і можливості однаковою швидкості у різних порід.
Швидкості поширення поперечних хвиль () менше, ніж поздовжніх (). Ставлення змінюється для різних порід: від 1,3 - 1,6 (для високопористих газонасичених), до 1,5 - 2 (для зцементованих скельних або водонефтенасищенних) до 2 - 3 (для пухких погано зцементованих типу л "ессов, пісків, глин ). Цим ставленням визначається коефіцієнт Пуассона ().
Крім швидкостей поширення пружних хвиль, якими визначається кінематика хвиль, важливим сейсмічним властивістю гірських порід є ступінь поглинання ними сейсмічної енергії, що визначає динамічні характеристики хвиль, і перш за все їх інтенсивність і дальність поширення. Поглинання викликається втратами пружної енергії за рахунок необоротних процесів в середовищі внаслідок її неідеальної пружності. З цієї причини амплітуда, наприклад, плоскою гармонійної хвилі експоненціально зменшується з відстанню х, тобто . де - амплітуда параметр; - коефіцієнт поглинання.
Коефіцієнт поглинання. різний для різних порід, зростає з ростом пористості, тріщинуватості порід, зі зменшенням глибини їх залягання і водонасиченому. В середньому у вивержених, метаморфічних і зцементованих осадових порід = 10 -5 - 10 -3 (1 / м), у пухких осадових = 10 -3 - 0,5 (1 / м).
У зв'язку з різною будовою шаруватих сейсмічних середовищ і кордонів у сейсморазведке використовуються наступні швидкості (або типи швидкостей) поширення пружних хвиль (і).
- Справжня швидкість - це швидкість хвилі в малому обсязі породи. Вона визначається шляхом ультразвукових вимірювань на зразках.
- Пластова швидкість - це середня швидкість поширення пружних хвиль в кожному пласті досліджуваного геологічного розрізу.
- Інтервальна швидкість є окремим випадком середньої швидкості для заданого інтервалу глибин.
- Середня швидкість в пачці пластів - це швидкість, яка визначається за формулою
де - потужності окремих пластів даної шаруватого середовища; - часи пробігу в кожному пласті, виміряні вздовж променя, перпендикулярного шаруватості.
Пластова, середня і интервальная швидкості визначаються за сейсмічними спостереженнями в свердловинах.На зміну сейсмоелектріческіх властивостей гірських порід заснований сейсмоелектріческій метод, що знаходиться на стику сейсморозвідки та електророзвідки. До сейсмоелектріческім властивостей відносять різні п'єзоелектричні модулі. У мінералах з асиметричною будовою кристалів (кварц, турмалін, сфалерит, нефелін та ін.) Під дією пружної деформації () на гранях виникають електричні заряди (). Вони пов'язані співвідношенням, де - п'єзоелектричні модулі.
П'єзоелектричні модулі в залежності від виду, напряму деформації і напрямки поляризації для кожного мінералу-пьезоелектрика змінюються в багато разів. Діюча сила може мати 9 складових, де, тобто існує 9 компонент тензора механічних напружень, або деформацій. Пояснюється це тим, що на кожну з трьох граней кристала, які збігаються з координатними площинами, може діяти сила, що має три складові, спрямовані вздовж осей координат. У зв'язку з цим п'єзоелектричний модуль кристала може визначатися як цими дев'ятьма механічними тензорами, так і трьома складовими вектора поляризації, що збігаються з осями координат. Таким чином, кожен кристал може описуватися 27 п'єзоелектричними модулями (, де). Крім модуля d, є інші п'єзоелектричні модулі, пов'язані з d через модуль Юнга, діелектричну проникність і інші константи. Максимальні п'єзоелектричні модулі, вимірювані в кулонах на ньютон (кл / н), рівні: у кварцу від 0,6 * 10 -3 до 2 * 10 -3. у турмаліну від 0,3 * 10 -3 до 3 * 10 -3. у нефелина від 0,5 * 10 -3 до 2 * 10 -3. У більшості мінералів не перевищує 10 -5 кл / г.
Кварцсодержащіх породи, особливо якщо в них є гірський кришталь, відрізняються найбільшими п'єзоелектричними модулями, хоча вони в десятки і сотні разів менше, ніж модулі монокристалла кварцу. У міру убування від 10 -3 до 10 -6 кл / н ці породи можна розташувати в такий порядок: жильний кварц, кварцові ядра пегматитових жил, кварцити, граніти, гнейси, пісковики. Пояснюється це тим, що в вивержених породах в процесі їх освіти мінерали більш закономірно орієнтуються щодо кристалографічних осей, в той час як в осадових породах зерна кварцу займають безладне положення.
Сейсмоелектріческій ефект обумовлений Електрокінетичні процесами влагосодержащих порід. Він визначається їх мінеральним складом, структурою і текстурою, а в основному пористістю, вологістю, складом і концентрацією розчинених у воді солей. Зі збільшенням пористості і зв'язаної вологи зростає, а зі збільшенням вільної вологи або мало змінюється, або зменшується. Крім перерахованих геолого-гідрогеологічних факторів вони залежать від електричних і пружних властивостей цих порід. В цілому п'єзоелектричні модулі влагосодержащих порід змінюються від 10 -6 до 10 -4 кл / г.