Геофизические методы исследования земной коры

---

10.4. Основы теории сейсмоэлектрического метода

Сущность сейсмоэлектрического метода сводится к возбуждению упругих волн с помощью взрывов или невзрывных источников и изучению как упругих волн, так и электромагнитных импульсов.

Сейсмоэлектрические явления, на которых этот метод основан, объясняются, по крайней мере, двумя факторами: пьезоэлектрическим эффектом (ПЭЭФ) кристаллических горных пород и сейсмоэлектрическим эффектом (СЭЭФ) осадочных пород.

10.4.1. Пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект представляет собой электрическую поляризацию, т.е. определенную ориентировку полярных молекул при механическом воздействии на вещество. Пьезоэлектрическая поляризация наблюдается как в монокристаллах некоторых диэлектриков (реже - полупроводников), так и в поликристаллических средах, какими являются горные породы.

10.4.2. Сейсмоэлектрический эффект.

Сейсмоэлектрический эффект изучен значительно хуже, чем пьезоэлектрический, и наблюдается при прохождении сейсмических волн через осадочные влагосодержащие породы. Под действием упругой волны происходит смещение подвижной части двойных электрических слоев, существующих на твердых частицах этих пород. В результате создаются электрические потенциалы, природа которых примерно такая же, как и у потенциалов фильтрации (см. 7.2). Объясняется это тем, что интенсивность фильтрационного и сейсмоэлектрического полей пропорциональна разности давлений на концах капилляра. В первом случае оно постоянно и пропорционально скорости движения подземных вод через капилляры, а во втором - переменно и синхронно изменяется с прохождением упругой волны, меняющей давление на концах капилляров. Количественно сейсмоэлектрический эффект принято характеризовать пьезоэлектрическим модулем (см. 10.2.4).

11. Аппаратура и методика сейсморазведки

11.1. Особенности устройства сейсморазведочной аппаратуры

11.1.1. Общая характеристика аппаратуры для сейсморазведки.

Для проведения сейсморазведки используются сложные комплекты аппаратуры, включающие:

1. источники возбуждения упругих волн (взрывные и невзрывные);
2. устройства, воспринимающие упругие колебания и преобразующие их в электрические сигналы (сейсмоприемники или геофоны при наземных работах, пьезоприемники и гидрофоны при работах на акваториях);
3. сейсмостанции, включающие многоканальные усилители и регистраторы (аналоговые или цифровые);
4. компьютеры для обработки информации;
5. вспомогательное оборудование (буровые станки, автомобили для транспортировки приемных установок, провода и прочее).

О технической сложности проблем, стоящих перед сейсморазведочной аппаратурой, свидетельствуют такие факторы, как необходимость:

1. изучать глубины от нескольких метров до сотен километров, что требует применения разных источников возбуждения упругих волн - от удара молотком до мощных взрывов;
2. регистрировать смещения почвы амплитудой от 10^-6 до долей миллиметра, что создает перепад в интенсивности сигналов в миллионы раз и требует применения электронных усилителей с коэффициентами усиления и динамическим диапазоном, составляющими 10⁶ - 10⁷;
3. одновременной фиксации множества волн либо в нескольких точках вокруг источника, либо в сотнях пунктов от него, для чего нужны многоканальные идентичные приемные установки;
4. обрабатывать очень большое количество информации, что оказалось возможным лишь благодаря компьютерам, встроенным в современные станции, с последующей переинтерпретацией материалов на больших ЭВМ.

11.1.2. Источники упругих волн.

Для возбуждения упругих волн на земной поверхности, в неглубоких (до 50 м) скважинах или в водоемах используются различные источники. Простейшими являются удары молотком, кувалдой или падающим грузом по земной поверхности. Долгое время основным способом создания упругих волн являлся подрыв взрывчатых веществ (ВВ) типа тротил, аммонит, порох весом от 100 г до сотен килограмм в скважинах, водоемах. Подрыв ВВ осуществляется с помощью электродетонаторов и специальной взрывной машинки, подающей в них высоковольтный электрический импульс.

Ввиду сложности организации и проведения взрывных работ, а также их экологического вреда в последнее время используются разного рода невзрывные источники с импульсным (10^-3 - 10^-1 с) или квазинепрерывным (2 - 20 с) возбуждением. К импульсным относится установка газовой детонации, в которой используется газовзрывная смесь (например, пропан и кислород), находящаяся в цилиндре с подвижным поршнем. Цилиндр монтируется под грузовиком. При сгорании смеси поршень ударяет вниз, а удар вверх сдерживается массой грузовика. В вибраторах, предназначенных для возбуждения квазинепрерывных упругих колебаний, в аналогичный цилиндр, как в гидравлический домкрат, нагнетается масло. При резком изменении объема масла платформа и грузовик своей массой ударяют по земной поверхности.

В электроискровых источниках упругое поле создается электрическим разрядом в воде от электрической энергии, накопленной от какого-нибудь источника в конденсаторах. Под воздействием электровзрыва окружающая его жидкость образует перегретый пар или парогазовую полость давления, которая в окружающей жидкости создает упругую волну.

В пневматической пушке в воду под высоким давлением выбрасывается воздух, накапливаемый в специальной камере. Существуют и другие источники.

11.1.3. Каналы записи и воспроизведения.

1. Назначение сейсморазведочной аппаратуры. Основное назначение сейсморазведочной аппаратуры - измерить время прихода упругих волн определенного типа, для чего необходимо знать момент возбуждения колебаний, воспринять смещения почвы под воздействием упругих волн, выделить полезные волны на фоне волн-помех, автоматически зарегистрировать их и оценить амплитуды.

Незначительные смещения почвы, обязанные приходу упругой волны, воспринимаются сейсмоприемником или пьезоприемником, предназначенным для преобразования механических колебаний в электрические сигналы. Эти очень слабые сигналы подаются по проводам или радиоканалу в электронный усилитель, откуда поступают в регистрирующее устройство. Совокупность сейсмоприемника (пьезоприемника), усилителя и регистрирующего устройства носит название сейсмического канала, или канала записи. В разных сейсмостанциях бывают от 1 до 1000 каналов. В комплекте аппаратуры с магнитной регистрацией, кроме канала записи, имеется канал воспроизведения, который служит для преобразования записи в видимую форму. Канал воспроизведения включает воспроизводящее (считывающее) устройство, усилитель воспроизведения, регистрирующее устройство.

2. Сейсмоприемники и пьезоприемники. Для восприятия упругих колебаний почвы и преобразования их в регистрируемые электрические сигналы используются электродинамические сейсмоприемники (геофоны). Они состоят из магнита, в зазорах которого на пружинах подвешена алюминиевая катушка с проводом. При смещении магнита под воздействием упругой волны катушка по инерции остается на месте, но относительно магнита перемещается. В результате в ней индуцируются электрические сигналы, пропорциональные скорости смещения почвы.

Для морских работ используются пьезоприемники (гидрофоны). Их работа основана на пьезоэлектрическом эффекте, т.е. возникновении э.д.с. на гранях некоторых кристаллов (например, титаната бария) при приложении к ним давления. Упругая волна, распространяясь в воде, изменяет давление, приложенное к сейсмоприемнику, и на его выходе появляются электрические потенциалы. Сейсмо- и пьезоприемники подключаются к сейсмическим косам - жгуту проводов (по два на приемник), а те к блоку усилителей.

3. Усилитель. Для усиления электрических сигналов, полученных в сейсмоприемнике или воспроизводящем устройстве, применяются электронные усилители, увеличивающие сигналы в 10⁶ - 10⁷ раз. Кроме усиления, важная функция усилителя - производить частотную фильтрацию (усиливать колебания определенных частот, а колебания других частот подавлять). Для этого имеется набор нескольких фильтраций. Характер фильтрации определяется частотными характеристиками усилителей. Третья операция, которая может осуществляться с помощью усилителя, - это программная (ПРУ) или автоматическая (АРУ) регулировка усиления. Такая регулировка необходима для расширения динамического диапазона сейсмического канала. Она служит для большего усиления малых сигналов и малого усиления больших сигналов с тем, чтобы в целом запись на сейсмограммах характеризовалась одинаковым уровнем амплитуд. В сейсмостанции монтируются блоки одинаковых усилителей по числу каналов.

4. Регистрирующие устройства. Для выделения полезных сейсмических волн необходимо видеть форму принятых сейсмических сигналов. Поэтому главное назначение сейсмических станций - записать изменение величины сигнала во времени. Это осуществляется с помощью регистраторов с разверткой, непрерывно фиксирующих величину сигнала во времени. При прямой регистрации носителем записи служит фотографическая, обычная или электротермическая бумага. Более применима воспроизводимая запись, которая осуществляется на магнитной пленке. Скорость регистрации 30 - 50 см/с. С помощью специального маркирующего устройства через 0,01 с подаются марки времени. В результате прямой регистрации в каналах записи или воспроизведения получаются сейсмограммы. На них записываются колебания, поступившие с усилителей, а также марки времени и отметка момента возбуждения упругих волн, чтобы определить время их прихода от пункта возбуждения до сейсмоприемников.

Воспроизводимая запись на магнитной пленке осуществляется с помощью магнитного регистратора, представляющего собой многоканальный магнитофон. Регистрирующими устройствами в нем являются магнитные головки. Такие же магнитные головки используются в качестве считывающих устройств каналов воспроизведения.

В магнитном регистраторе, кроме блока магнитных головок по числу каналов в станции, имеется лентопротяжный механизм и маркирующее устройство. В результате записи получаются магнитограммы. Преимущества магнитной записи перед прямой в том, что ее можно многократно воспроизводить, вводя в запись дополнительную фильтрацию, суммирование сигналов и другие преобразования. Это позволяет получить из полевых материалов больше полезной информации.

Прямая и воспроизводимая запись являются аналоговым способом представления данных, когда развертка сигналов во времени дается в видимой форме. В современных сейсмостанциях применяется в основном цифровая регистрация. В этом случае сигнал с определенным шагом дискретизации измеряется и кодируется в виде цифры в двоичном коде, а затем записывается на магнитную ленту. Преимущества цифровой магнитной записи перед аналоговой в том, что в запись практически не вносятся искажения и ее можно обрабатывать с помощью ЭВМ. Это позволяет автоматизировать процесс обработки и интерпретации сейсмической информации.

Применяя регистраторы (графопостроители, плоттеры), цифровой сигнал можно воспроизвести и записать в видимой форме способом отклонения (график зависимости величины напряжения от времени, как это изображено на рис. 4.10) или способом переменной плотности (когда напряжение управляет плотностью потемнения записывающей ленты, т.е. чем больше напряжение на каком-то интервале времени, тем темнее на нем пятно).

Рис. 4.10. Общий вид сейсмограммы: - оси синфазности ряда волн

Назад| Вперед

Публикации с ключевыми словами: геофизика - Земля - земная кора Публикации со словами: геофизика - Земля - земная кора
См. также: Земля из межпланетного пространства Заход Земли с "Ориона" Противосумеречные лучи и фестиваль планет Восход Земли: видео Ударный кратер Маникуаган: вид из космоса Земля и Луна: вид с другой стороны Снежная буря 1938 года в Верхнем Мичигане Все публикации на ту же тему >>