Reflektiranje seizmičkih valova: razlika između inačica

Budući da se obično promatraju i analiziraju jedino snimljene [[amplitud]]e reflektiranih seizmičkih valova, a ne i njihova energija, to je praktičnije refleksivnost granice dviju sredina ili slojeva definirati na temelju analize odnosa među amplitudama [[ulazn]]og i [[reflektiran]]og vala, odnosno izraziti u obliku koeficijenta reflektiranja, R, ([[koeficijent reflektiranja]]) koji je po definiciji jednak omjeru razlika akustičkih impedancija, z1 i z2, promatranih slojeva i njihova zbroja, tj.

 

 

Prema tom izrazu, predznak koeficijenta reflektiranja, R, ovisi o relativnim veličinama akustičkih impedancija sredina smještenih s jedne i druge strane granice, odnosno reflektora. Ako je gornja sredina na tom prikazu “mekša”, tj. ako ona ima manju akustičku impedanciju od donje sredine, razlika impedancija u brojniku gornjeg izraza je pozitivna, te se od te granice seizmički tlačni val reflektira kao tlačni val. Ako je, međutim, koeficijent reflektiranja negativan, polaritet tlačnog vala se nakon reflektiranja mijenja, odnosno reflektirani val se dalje nastavlja širiti kao vlačni val.

 

Drugi ekstremni slučaj čini reflektor, smješten na granici gornje, akustički veoma “tvrde”, i donje veoma “mekane” sredine, kad donja sredina praktički ne pruža nikakav otpor gibanju čestica. Brzina gibanja čestica će se zato u donjoj sredini u blizini reflektirajuće granice podvostručiti, a čestice u gornjoj sredini “razrijediti”. Izravna posljedica toga je nastanak vlačnih naprezanja u gornjoj sredini i promjena polariteta reflektiranog vala u odnosu na upadni val.

Ekstremno velike vrijednosti koeficijenata reflektiranja u prirodi se javljaju na površini tla, odnosno na granici zrak-zemlja (ili voda). Zrak ne pruža nikakav otpor slobodnom gibanju čestica izazvanom kratkotrajnim djelovanjem vanjske sile te je koeficijent reflektiranja u tom slučaju jednak jedinici. Predznak koeficijenta ovisi o smjeru dolaska seizmičkog vala na tu granicu. Val je pozitivan ako dolazi od površine tla, a negativan ako dolazi iz podzemlja (odnosno podmorja). Nailazak seizmičkog vala iz podzemlja ima za posljedicu pojavu dvostruko veće brzine gibanja čestica na površini tla (“u zraku”), praćenu zanemarivo malim povećanjem tlaka, te se na površini za registraciju nailazaka seizmičkih valova mogu uspješno rabiti jedino uređaji osjetljivi na promjene u brzini gibanja čestica, tj. geofoni, ali ne i hidrofoni osjetljivi na promjene tlaka.

Od pozitivnog reflektora, odnosno od granice s pozitivnim koeficijentom reflektiranja, seizmički tlačni val redovito reflektira kao tlačni val (s “pozitivnim” polaritetom), ali se pritom mijenja polaritet brzine gibanja čestica. Naime, čestice sredine nastavljaju se gibati u istom smjeru i nakon reflektiranja, unatoč promjeni smjera kretanja reflektiranog vala. To znači da je smjer gibanja čestica zapravo suprotan smjeru širenja reflektiranog vala.

Rabi li se za registraciju seizmičkih nailazaka na promjene tlaka osjetljiv hidrofon unutar sredine kroz koju se šire seizmički valovi, nailazak seizmičkog vala reflektiranog od pozitivnog reflektora bit će također pozitivan. Ako se u bušotini umjesto hidrofona osjetljivog na promjene tlaka upotrebljava geofon osjetljiv na promjene brzine gibanja čestica, registrirani seizmički nailazak reflektiran od pozitivnog reflektora imat će suprotan polaritet. To znači da se predznak koeficijenta reflektiranja, primjenljiv za praćenje promjena u amplitudama tlačnog vala registriranih hidrofonima, mijenja ako se radi o promatranju promjena u brzinama gibanja čestica registriranih pomoću geofona. U posljednjem slučaju izraz za koeficijent reflektiranja glasi:

(4-35)

Za izračunavanje koeficijenata reflektiranja obično se koristi izraz (4-34), te je u tom smislu pozitivan reflektor granica dviju sredina na koju dolazi seizmički tlačni val iz “mekše” sredine, odnosno iz sredine s manjim akustičkim impedancijama. Ako se radi o obratnoj situaciji, mijenja se jedino predznak, ali ne i apsolutna vrijednost koeficijenta reflektiranja. U TABLICI 4-2 navedeni su neki koeficijenti reflektiranja izračunati prema izrazu (4-34).

Za najveći broj reflektirajućih granica vrijednosti koeficijenata reflektiranja obično iznose oko +/- 0,05, dok granice među stijenama s izrazito velikim razlikama u akustičkim impedancijama imaju koeficijent reflektiranja i do +/- 0,3. Izrazito velik koeficijent reflektiranja od +/- 0,5 zabilježen je na granici šejla i ugljena, a najveći mogući koeficijent reflektiranja od +/- 1 karakterističan je za granicu zrak-zemlja (ili voda). Morsko dno, koje čine vrlo “tvrde” stijene temeljnog gorja, može imati koeficijent reflektiranja i do +/- 0,8. Praktična posljedica toga je da se gotovo sva energija seizmičkog vala, inicirana u morskoj sredini, u tom slučaju reflektira od morskog dna, a da se tek njezin manji dio nastavlja širiti podzemljem ispod morskog dna. Seizmički val se potpuno reflektira na granici dviju sredina jedino ako druga sredina pruža beskonačno velik otpor gibanju čestica, tj. ako je njezin koeficijent reflektiranja jednak +1.

U prirodi se redovito dio energije vala prenosi u drugu sredinu. Omjer amplituda tog i izvornog seizmičkog vala je koeficijent prijenosa, T, definiran kao:

(4-36)

Kao što je pokazano na sl.4-27, svaka granica među različitim slojevima u podzemlju reflektor je na kojem se jedan dio energije seizmičkog tlačnog vala reflektira, a drugi dio prenosi u dublje slojeve. Na svakom od tih reflektora koeficijent prijenosa, T, jednak je vrijednosti koeficijenta reflektiranja, R, uvećanoj za 1, što zapravo znači da je amplituda prenesenog tlačnog vala veća od amplitude ulaznog tlačnog vala, te je zbroj amplituda reflektiranog i prenesenog vala redovito veći od amplitude ulaznog vala. Budući da energija tlačnog vala prenesenog u drugi sloj, sukladno zakonu o očuvanju energije, ne može biti veća od energije ulaznog tlačnog vala, objašnjenje tog prividnog paradoksa treba potražiti u činjenici da se u tom slučaju seizmički val širi u slojevima različitih akustičkih impedancija. Tako će prelazak tlačnog vala iz “mekšeg” u “tvrđi” materijal za posljedicu imati porast amplitude tlačnog vala uz istovremeno smanjenje brzine gibanja čestica, odnosno smanjenje veličine njihova pomaka u “tvrđem” materijalu. Drugim riječima, koeficijent prijenosa za seizmički val koji dolazi iz “mekšeg” materijala jednak je 1+R ako se promatra amplituda tlaka, odnosno 1-R, ako se promatra amplituda funkcije koja opisuje brzinu gibanja čestica.

Promjena smjera kretanja vala rezultira promjenom predznaka te će koeficijent prijenosa za seizmički val koji se širi prema dolje, 1+R, postati 1-R, ako val promijeni smjer širenja. Amplituda reflektiranog seizmičkog vala proporcionalna je, prema tome, produktu svih koeficijenata prijenosa duž oba smjera širenja vala i koeficijenta reflektiranja vala od najdublje smještene granice R, tj

(4-37)