KOLOKWIUM GEOFIZYKA - SEJSMOLOGIA I SEJSMIKA

Sejsmika-to metoda badania skorupy ziemskiej polegająca na wzbudzaniu (za pomocą materiałów wybuchowych lub specjalnych urządzeń), lub wykorzystywaniu powstałych naturalnie w wyniku trzęsienia Ziemi fal sejsmicznych i ich rejestracji za pomocą sejsmografów lub geofonów.Metoda ta wykorzystywana jest w geofizyce poszukiwawczej i w badaniu budowy Ziemi.

Fala to zaburzenie,które się rozprzestrzenia w ośrodku lub w przstrzeni.Fala nie przesuwa w istotny sposób punktów ośrodka-tym co się przemieszcza w fali to nie materia,ale enrgia.

Fale sprężyste to fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach sprężystych.

Fale sejsmiczne to fale sprężyste przenoszące drgania ze źródła (hipocentrum) poprzez ośrodek geologiczny.W najbliższym otoczeniu źródła ośrodek ulega odkształceniom trwałym.W większej odległości od źródła deformacje ośrodka są małe i można przyjąć, że ośrodek ulega odkształceniom sprężystym.

Rodzaje fal sejsmicznych:fale wgłębne (objętościowe) - rozchodzące się wewnątrz Ziemi,

fale podłużne P- najszybsze z fal sejsmicznych (5,4 km/s), które najwcześniej docierają do epicentrum; drgają w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fal; powodują ściskanie i rozciąganie skał, przez które przechodzą; mogą przenosić się również w płynach, w tym także w płynnymjądrze Ziemi,

fale poprzeczne S- około dwukrotnie wolniejsze od fal podłużnych (średnio 3,3 km/s); wywołują drgania w płaszczyźnie pionowej lub poziomej, w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fal; mogą przemieszczać się tylko w skałach (zobacz cień sejsmiczny)

fale powierzchniowe L - rozchodzą się po powierzchni Ziemi, od epicentrum trzęsienia; są najbardziej katastrofalne w skutkach,

fale Rayleigha - fale typu grawitacyjnego, ruch cząstek odbywa się po elipsie ustawionej pionowo prostopadłej do kierunku biegu fali,

fale Love'a - (powierzchniowa fala poprzeczna o polaryzacji poziomej) wywołują drgania poziome, prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal.

Podstawowe własności-całe badania sejsmiczne opierają się na kilku podstawowych własnościach takich jak:prędkość rozchodzenia się sprężystej fali podłużnej Vpi,prędkość rozchodzenia się sprężystej fali poprzecznej Vsi,prędkość rozchodzenia się fal przemiennych,gęstość,

moduły sprężystości(moduł Younga E,współczynnik Poissona v,moduł ścinania u,moduł ściśliwośi K,moduł sztywnośći G,stała Lamego lambda)

Moduł Younga E - moduł sprężystości liniowej (rozciąganie lub œciskanie liniowe),

Moduł ściśliwościci objętościowej K (wszechstronne ściskanie),

Moduł ścinania - moduł sprężystości poprzecznej moduł skręcania (skręcanie, naprężenia styczne),

Stała Lamego (wyrażona jako funkcja dwóch innych modułów sprężystościci),

Stała Poissona : względna zmiana przekroju podłużnego do względnej zmiany długości.

Prędkości fal-prędkość fal sprężystych jest podstawowym parametrem wykorzystywanym w sejsmice. Przy założeniu odkształceń sprężystych prędkość fal sejsmicznych jest określona przez dwa parametry:moduły sprężystości i gęstość.

-W cieczach i gazach μ=0−fale S się nie rozchodzą.-VP/VS-jest jedno znacznie określony przez współczynnik Poissona.-Dla większości skał krystalicznych ν≈0,25;-Wniosek:VP>VS-ZAWSZE!-VP jest funkcją trzech niezależnych parametrów(np.λ,μ,ρ),stąd jest niejednoznacznym wskaźnikiem litologii.VP/VSjest niezależny od gęstości,może być wykorzystany do wyznaczenia współczynnika Poissona,który lepiej identyfikuje litologię. Prędkość fal zależy od:-składu chemiczno-mineralogicznego,-wieku geologicznego,-głębokości zalegania,ciśnienia,gęstości,porowatości,rodzaju medium porowego i procentowego nasycenia przestrzeni porowej.

Prędkości fal sejsmicznych w skałach

Zależnośćprędkościodporowatości:Zależnośćprędkościodgęstości:Zależnośćprędkościodnasyceniagazem:Uwaga:niewielka ilość gazu wprzestrzeni porowej powoduje bardzo duży spadek prędkości!

ZasadaHuygens'a

Każdypunktośrodka,doktóregodotarłoczołofalimożnauważaćzaźródłonowejfalikulistej(falielementarnej).Obwiedniawszystkichfalelementarnychstanowiczołonowejfali.

Zasada Fermata -zasada najmniejszego czasu:

Przebiegfalimiędzydwomapunktamiodbywasiępotakiejdrodze,poktórejczasprzejściabędzienajkrótszy.

Prawo Snelliusa Prawoodbicia:Kątodbicia=kątpadania.

Promień padający, normalna do powierzchni i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie (płaszczyźniepadania).

Prawo Snelliusa  Prawo załamania fal, zwane zwyczajowo prawem Snelliusa - sinus kąta padania do sinusa kąta odbicia jest wielkością stałą, równą współczynnikowi załamania w ośrodku drugim względem pierwszego lub równa jest stosunkowi prędkości rozchodzenia się fali w danych ośrodkach. Promień padający, załamany i normalna do granicy ośrodków znajdują się w tej samej płaszczyźnie.

Całkowite wewnętrzne odbicieGdy V2> V1to istnieje taki kąt padania, zwany kątem krytycznym αC, że kąt załamania γ= 90°.Sejsmika refleksyjna a refrakcyjnaSejsmika refleksyjna to sejsmika wykorzystująca fale odbite.Sejsmika refrakcyjna to sejsmika wykorzystująca fale załamane pod kątem 90 stopni.Hodograf to wykres przedstawiający zależność czasu przebiegu fal sejsmicznych od odległości pomiędzy punktem wzbudzenia fal a punktem obserwacji.Hodograf fali odbitej to hiperbola. Hodograf fali refrakcyjnej to linia prosta, rozpoczynająca się w punkcie xcrit(patrz rysunek).Źródła fal sprężystychW sejsmice lądowej:Źródła eksplozywne: ładunki wybuchowe -sejsmika poszukiwawcza.Młot i metalowa płyta -sejsmika inżynierska.Metoda Vibroseis(wibratory)sejsmikaposzukiwawcza.ŹródłafalsprężystychW sejsmice morskiej:Działa powietrzne(airgun).Boomery.Sparkery.OdbiornikiGeofony-sejsmika lądowa.Streamer-sejsmika morska: kable z hydrofonami, rozwijane za statkiem, rejestrujące zmiany ciśnienia wody wywołane przyjściem fali sejsmicznej.Sejsmika refleksyjnaSejsmika refleksyjna(odbiciowa)to jedna z geofizycznych metod pomiarowych,pozwalająca na uzyskanie obrazus truktur geologicznych dzięki analizie odbić(refleksów)sztucznie wywołanej fali sejsmicznej od granic warstw geologicznych.Pomiar polega na emisji fali sejsmicznej przez źródło sejsmiczne w punkcie wzbudzenia a następnie rejestracji sygnałów przez czujniki drgań umieszczone na powierzchni ziemi w punktach odbioru.Sejsmiczne badania refleksyjne stały się od początku lat 80 tych głównym narzędziem badawczymZiemi.Hodograf fali odbitejHodografem fali refleksyjnej jest hiperbola.Krzywizna hodografu jest funkcją prędkości i głębokości do granicy odbijającej.Fala podłużna-zmiana objętości,ośrodka.Fala poprzeczna-zmiana kształtu(postaci).Moduły sprężystości:1)Naprężenia,odkształcenia górotworu.2)Tensor naprężeń.3)Moduły sprężystości.Opis zjawiska:Model fizyczny(wzgl.wł.fizyczne zjawiska),Model matematyczny(m.ciągły/m.dyskretny),Model numeryczny(m.dyskretny).Cechy górotworu:1)Anizotropowy.2)Niejednorodny.3)Nieciągły(np.sieć spękań)4)Nieliniowo-odkształcany(innymi słowy niesprężysty).Rodzaj odkształcenia:1)Sprężyste(odwracalne).2)Plastyczne(trwałe,nieodwracalne).3)Liniowe(zmiana długości)4)Postaciowe(zmiana kształtu)Fala S.5)Objętościowe(zmiana objętości) Fala P.Źródła siły zewnętrznej:siła cieżkości..2)Ciśnienie wody,wiatru.3)Zmiany temperatury.4)Ciężar nadkłądu.5)Działania pola elektromagnetycznego.Przemieszczenia:Jednokierunkowe,względne.

Odkształcenie sprężyste, odwracalne, zanika po ustaniu działania sił zewnętrznych Energia - magazynowana i odzyskiwana w czasie powrotu

Odkształcenie niesprężyste, nieodwracalne, nie zanika po ustaniu sił zewnętrznych Energia - ulega rozproszeniu i zamianie na energię cieplną.

Prawo Hooke'a - prawo mechaniki określające zależność odkształcenia od naprężenia. Głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej na nie siły jest proporcjonalne do tej siły. Współczynnik między siłą a odkształceniem jest często nazywany współczynnikiem (modułem) sprężystości.

Podstawowe właściwości elektryczne skał i minerałów:Elektryczna odporność właściwa p lub przewodność elektryczna właściwa q,przenikalność elektryczna E,moduł piezoelektryczności d,aktywność elektromechaniczna A,wzbudzona aktywność elektrochemiczna.

Prawo Ohma-natężenie prądu I przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do oporu R przewodnika. I=U/R.Opór elektryczny przewodnika R jest wprost proporcjonalny do jego długości I,odwrotnie proporcjonalny do pola powierzchni przekroju poprzecznego S oraz zalezy od rodzaju materiału, z którego jest wykonany.Zalezność tę ujmuje współczynnik proporcjonalności zwany oporem właściwym.

Miernik:terrametr(potencjomierz+amperomierz w środku).

Ogniska wstrząsu-obszar górotworu,stanowiący źródło fal sejsmicznych.Wewnątrz tego obszaru zachodzą wszelkie deformacje niesprężyste w momencie powstania wstrząsu, na zewnątrz zaś rozchodzą się w górotworze jedynie fale sejsmiczne.

Aktywność sejsmiczna-wielkość,która określa sejsmiczność górotworui jest zdefiniowana jako liczba wstrząsów w jednostce czasu np.:liczba wstrząsów/dzień,liczba wstrząsów/tydzień.

Energia sejsmiczna-energia fal sejsmicznych wypromieniowanych przez powierzchnię źródła.

Magnituda wstrząsu M-bezwymiarowa miara,umożliwiająca porównywanie wstrząsów lub trzęsień ziemi oryginalnie zdefiniowana przez Richtera jako logarytm dziesiętny ze stosunku maksymalnej amplitudy przemieszczenia A do maksymalnej amplitudy przemieszczenia wstrząsu wzorcowego A0.Delta-odległość stanowiska od epicentrum wstrząsu. Przyjmuje się standartową odległość od epicentrum zwykle 100 km (wg. Richtera).Maksymalna magnituda trzęsień ziemi ML<9,0;dla wstrząsów górniczych ML<5,2.

Tłumienie górotworu-część spadku gęstości energii (amplitudy) fali w miarę wzrostu odległości od źródłą, niezależna od geometrii frontu fali.Tłumienie fal sejsmicznych zależy od niesp®ężystych własności górotworu.Stosowanymi miarami tłumienie są:liniowy współczynnik tłumienia,dekrement tłumienia i współczynnik dobroci.

Wejście fali-początek ciągu falowego,zaznaczający się na zapisie nagłym wzrostem energii fal.

Rejonizacja ogniska wstrzasu- metoda przybliżonego wyznaczenia obszaru ogniska, wykorzystująca fakt, że do czujników położonych najbliżej ogniska fala sejsmiczna dociera najszybciej. Odpowiednio rozmieszczając czujniki wokół ogniska i określając kolejność wejścia fali, wyznacza się rejon, w którym znajduje się ogniska wstrząsu.

Ryzyko wstrząsu-prawdopodobieństwo wystąpienia wstrząsu,którego energia sejsmiczna (lub magnituda) przekroczy zadaną wartość progową.

Ryzyko zagrożenia sejsmicznego-prawdopodobieństwo przekroczenia w danym punkcie progowych wielkości maksymalnych przyśpieszeń drgań sejsmicznych.

---