Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Giải bài toán thuận địa chấn với mô hình các ranh giới phẳng nghiêng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tìm hiểu thuật toán và xây dựng chương trình để tính toán thời gian truyền sóng phản xạ từ vị trí phát dao động đến các ranh giới phân chia giữa các lớp và trở lại các máy thu đặt trên mặt đất. Các ranh giới phản xạ trong thực tế rất đa dạng với đủ độ phức tạp khác nhau. Trong luận văn này, bài toán thuận đƣợc giới hạn cho trường hợp ranh giới phẳng ngang hoặc nghiêng so với mặt quan sát.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Giải bài toán thuận địa chấn với mô hình các ranh giới phẳng nghiêng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Đình Nhƣ GIẢI BÀI TOÁN THUẬN ĐỊA CHẤN VỚI MÔ HÌNH CÁC RANH GIỚI PHẲNG NGHIÊNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Đình Nhƣ GIẢI BÀI TOÁN THUẬN ĐỊA CHẤN VỚI MÔ HÌNH CÁC RANH GIỚI PHẲNG NGHIÊNG Chuyên ngành: Vật lý địa cầu Mã số: 60.44.0111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Đức Vinh Hà Nội – 2015
LỜI CẢM ƠN Luận văn khoa học này đƣợc hoàn thành tại bộ môn Vật lý địa cầu thuộc khoa Vật lý trƣờng Đại học khoa học tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Đức Vinh. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo hƣớng dẫn, ngƣời đã tận tình chỉ dẫn dạy bảo học viên trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Học viên xin cảm ơn Ban lãnh đạo trƣờng Đại học khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội, Các thầy cô Khoa vật lý, các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Lý Địa Cầu, phòng Sau đại học trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để học viên có thể nghiên cứu và thực hiện luận văn này. Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh chị khóa cao học 2013-2015 và bạn bè, ngƣời thân đã cổ vũ tinh thần, khích lệ học viên trong quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù học viên đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn, nhƣng do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm, thời gian nên không tránh khỏi những thiếu sót. Học viên mong nhận đƣợc sự thông cảm và những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để học viên có thể hiểu sâu sắc hơn vấn đề mình đang nghiên cứu. Học viên xin chân thành cám ơn ! Hà Nội, Tháng 12 năm 2015 Học viên Nguyễn Đình Nhƣ
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 ................................................................................................................3 MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐỊA CHẤN .................................3 1.1. Cơ sở vật lý phƣơng pháp thăm dò địa chấn............................................................... 3 1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi .................................................................................. 3 1.1.2. Sự truyền sóng địa chấn trong môi trƣờng địa chất ............................................. 5 1.1.3. Phát sóng địa chấn ............................................................................................. 10 1.2. Trƣờng thời gian ....................................................................................................... 12 1.3. Sơ lƣợc về xử lý số liệu trong địa chấn .................................................................... 15 1.4. Ứng dụng các phƣơng pháp địa chấn thăm dò.......................................................... 16 CHƢƠNG 2 ..............................................................................................................19 BÀI TOÁN THUẬN ĐỊA CHẤN PHẢN XẠ CHO MÔI TRƢỜNG .....................19 CÁC RANH GIỚI PHẲNG NGANG HOẶC NGHIÊNG .......................................19 2.1. Bài toán thuận địa chấn thăm dò ............................................................................... 19 2.2. Bài toán thuận động hình trong địa chấn phản xạ..................................................... 21 2.2.1. Mô hình 2 lớp có 1 ranh giới phẳng ngang hay nghiêng ................................... 21 2.2.2. Mô hình nhiều ranh giới phẳng ngang song song .............................................. 23 2.2.3. Mô hình nhiều ranh giới phẳng nghiêng song song .......................................... 23 2.3. Mô hình nhiều ranh giới phẳng ngang hoặc nghiêng ............................................... 24 CHƢƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ................................................29 3.1. Mô hình 1 ranh giới .................................................................................................. 29 3.1.1. Mô hình 1 ranh giới phẳng ngang ...................................................................... 29 3.1.2. Mô hình 1 ranh giới phẳng nghiêng ................................................................... 31 3.2. Mô hình 2 ranh giới .................................................................................................. 32 3.2.1. Mô hình 2 ranh giới phẳng ngang ..................................................................... 32 3.2.2. Mô hình 2 ranh giới phẳng, nghiêng, song song............................................... 34 3.2.3. Mô hình 2 ranh giới phẳng nghiêng khác nhau ................................................ 36 3.2.4. Mô hình 2 ranh giới: 1 mặt phẳng ngang và 1 mặt phẳng nghiêng ................... 38 3.3. Mô hình 3 ranh giới phẳng........................................................................................ 40 3.3.1. Mô hình 3 ranh giới phẳng ngang và song song ................................................ 40 3.3.2. Mô hình 3 ranh giới phẳng nghiêng và song song ............................................. 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48
DANH MỤC BIỂU BẢNG Trang Bảng 1.1: Vận tốc truyền sóng trong một số môi trƣờng 7 Bảng 3.1: Kết quả tính cho 1 ranh giới phằng ngang 29 Bảng 3.2: Kết quả tính cho 1 ranh giới phẳng nghiêng 31 Bảng 3.3: Kết quả tính cho 2 ranh giới phẳng ngang 33 Bảng 3.4: Thông số tính cho 2 ranh giới phẳng, nghiêng, song song 35 Bảng 3.5: Kết quả tính cho 2 ranh giới nghiêng khác nhau 37 Bảng 3.6: Kết quả tính cho 2 ranh giới: 1 ranh giới ngang, và 1 ranh giới 39 nghiêng Bảng 3.7: Kết quả tính cho mô hình 3 ranh giới phẳng, ngang, song song 41 Bảng 3.8: Kết quả tính cho mô hình 3 ranh giới phẳng, nghiêng, song song 43 Bảng 3.9: So sánh các kết quả tính với độ chính xác khác nhau cho ranh 45 giới thứ 1 Bảng 3.10: So sánh các kết quả tính với độ chính xác khác nhau cho ranh 45 giới thứ 2
DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 : Quá trình truyền sóng của sóng dọc (a) và sóng ngang (b). 5 Hình 1.2: Sự phụ thuộc tốc độ VP vào mật độ của các loại đất đá khác nhau. 8 Hình 1.3: Mối quan hệ giữa tốc độ và độ rỗng. 9 Hình 1.4: Hình ảnh nổ mìn 11 Hình 1.5: Mặt đẳng thời và tia 13 Hình 2.1: Mô tả tia sóng, mặt sóng và biểu đồ thời khoảng sóng trực tiếp 20 Hình 2.2: Mô hình 2 lớp với ranh giới phản xạ phẳng nghiêng 22 Hình 2.3: Mô hình nhiều ranh giới phẳng ngang song song 23 Hình 2.4: Mô hình nhiều ranh giới phẳng nghiêng song song 24 Hình 2.5: Mô hình các ranh giới phẳng ngang hoặc nghiêng 25 Hình 2.6: Mô tả góc giữa hai đƣờng thẳng 26 Hình 3.1: Biểu đồ thời khoảng mô hình 1 ranh giới phẳng ngang 30 Hình 3.2: Biểu đồ thời khoảng mô hình 1 ranh giới phẳng nghiêng 32 Hình 3.3: Biểu đồ thời khoảng mô hình 2 ranh giới phẳng ngang 34 Hình 3.4: Biểu đồ thời khoảng mô hình 2 ranh giới phẳng, nghiêng, song 36 song Hình 3.5: Biểu đồ thời khoảng mô hình 2 ranh giới phẳng nghiêng khác 38 nhau Hình 3.6: Biểu đồ thời khoảng mô hình 2 ranh giới một ngang- một nghiêng 40 Hình 3.7: Biểu đồ thời khoảng mô hình 3 ranh giới phẳng, ngang, song 42 song Hình 3.8: Biểu đồ thời khoảng mô hình 3 ranh giới phẳng, nghiêng song 44 song
MỞ ĐẦU Thăm dò địa chấn là phƣơng pháp địa vật lý nghiên cứu quá trình truyền sóng đàn hồi khi tiến hành phát và thu sóng, nhằm xác định đặc điểm môi trƣờng địa chất. Để tiến hành công tác thăm dò địa chấn, cần phát sóng tạo ra các dao động đàn hồi bằng nổ mìn, rung, đập (khi khảo sát trên đất liền) hoặc ép hơi, áp điện (khi khảo sát trên biển)... các dao động này truyền trong môi trƣờng dƣới dạng sóng đàn hồi. Khi gặp các mặt ranh giới có tính chất đàn hồi khác nhau thì sẽ hình thành các sóng thứ cấp nhƣ sóng phản xạ, sóng khúc xạ... Với hệ thống thiết bị máy móc thích hợp có thể thu nhận và ghi giữ các dao động sóng này trên các băng địa chấn. Sau quá trình xử lý và phân tích tài liệu sẽ nhận đƣợc các lát cắt, các bản đồ địa chấn và các thông tin khác, phản ánh đặc điểm hình thái và bản chất môi trƣờng vùng nghiên cứu [3,4]. Có thể nói, thăm dò địa chấn là hệ thống động lực rất phức tạp để nghiên cứu địa chất. Trong hệ thống đó xảy ra các quá trình biến đổi năng lƣợng và thông tin nhƣ kích thích sóng địa chấn, lan truyền sóng trong môi trƣờng địa chất, hình thành các sóng thứ sinh, thu nhận và ghi giữ các dao động địa chấn tại các điểm quan sát và quá trình xử lý, phân tích các tài liệu địa chấn thu nhận đƣợc. Trong thăm dò địa vật lý nói chung, thăm dò địa chấn nói riêng, khâu xử lý phân tích số liệu chứa hai mảng công việc quan trọng là giải bài toán thuận và giải bài toán ngƣợc. Bài toán thuận thông thƣờng là việc tính toán các trƣờng địa vật lý với giả thiết về các thông số của môi trƣờng. Bài toán thuận đóng vai trò đáng kể trong việc định hƣớng nghiên cứu, củng cố lý luận và giải bài toán ngƣợc. Trong khuôn khổ luận văn này, học viên đƣợc giao nhiệm vụ: ”Giải bài toán thuận địa chấn với mô hình các ranh giới phẳng nghiêng”. Nhiệm vụ của học viên là tìm hiểu thuật toán và xây dựng chƣơng trình để tính toán thời gian truyền sóng phản xạ từ vị trí phát dao động đến các ranh giới phân chia giữa các lớp và trở lại các máy thu đặt trên mặt đất. Các ranh giới phản xạ trong thực tế rất đa dạng với đủ 1
độ phức tạp khác nhau. Trong luận văn này, bài toán thuận đƣợc giới hạn cho trƣờng hợp ranh giới phẳng ngang hoặc nghiêng so với mặt quan sát. Luận văn có bố cục nhƣ sau: - Mở đầu - Chương 1: Một số nét về phương pháp thăm dò địa chấn - Chương 2: Bài toán thuận địa chấn phản xạ cho môi trường các ranh giới phẳng ngang hoặc nghiêng - Chương 3: Một số kết quả thử nghiệm - Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo. 2
CHƢƠNG 1 MỘT SỐ NÉT VỀ PHƢƠNG PHÁP THĂM DÒ ĐỊA CHẤN 1.1. Cơ sở vật lý phƣơng pháp thăm dò địa chấn Khi dùng phƣơng pháp thăm dò địa chấn để thăm dò và nghiên cứu địa chất, nhiệm vụ đầu tiên là chúng ta cần hiểu rõ về đối tƣợng chúng ta nghiên cứu, cụ thể là môi trƣờng nghiên cứu, hình thành sóng đàn hồi, truyền sóng và hình thức phát sóng vào môi trƣờng thực địa... Dƣới đây chúng ta tìm hiểu một số cơ sở vật lý cơ bản trong thăm dò địa chấn. 1.1.1. Sự hình thành sóng đàn hồi Mọi vật thể khi không bị lực tác dụng thì các phân tử của chúng đƣợc sắp xếp theo qui luật nhất định, dƣới tác dụng của ngoại lực, có sự dịch chuyển tƣơng đối của các phần tử trong vật thể đó, dẫn đến sự thay đổi hình dạng của vật thể hoặc một phần vật thể; nói khác đi là xảy ra sự biến dạng. Còn sự thay đổi hình dạng các vật thể gọi là sự biến dạng đàn hồi. Nếu giữa sự biến dạng và nội lực xuất hiện bên trong vật thể (ứng suất) tỉ lệ thuận với nhau thì đó là các vật thể đàn hồi tuyệt đối (hoặc đàn hồi lý tƣởng), Các vật thể đàn hồi tuyệt đối lập tức trở lại trạng thái ban đầu sau khi ngừng tác động của ngoại lực. Nếu sau khi ngừng tác động của ngoại lực, vật thể có dạng mới hoặc trở lại trạng thái ban đầu từ từ thì gọi là vật thể đàn hồi không lý tƣởng, hoặc dẻo [3, 4, 8, 10]. Tuỳ thuộc vào bản chất vật chất của vật thể, giá trị và đặc điểm của ngoại lực, điều kiện nhiệt độ, áp suất và các yếu tố khác mà có thể xảy ra biến dạng đàn hồi hay biến dạng dẻo. Khi ngoại lực nhỏ và tác dụng trong thời gian ngắn hầu hết môi trƣờng địa chất đƣợc coi là đàn hồi. Ngƣợc lại nếu lực tác dụng lớn và kéo dài thì hầu nhƣ là biến dạng dẻo. Trong thăm dò địa chấn, khi xét các vùng ở xa nguồn thì các lực do sóng địa chấn tạo ra trong đất đá rất nhỏ, và môi trƣờng địa chất đƣợc coi là môi trƣờng đàn hồi, chính vì vậy có cơ sở để áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết đàn hồi. Từ việc 3
nghiên cứu cơ sở lý thuyết đàn hồi, xác định mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất có thể xác định điều kiện cân bằng động lực và từ đó xác định đặc điểm quá trình truyền sóng trong môi trƣờng đàn hồi. Môi trƣờng đàn hồi là môi trƣờng khi bị lực tác dụng sẽ thay đổi thể tích, hình dạng, nhƣng khi thôi tác dụng lại trở về trạng thái ban đầu. Đất đá trong môi trƣờng đàn hồi khi chịu tác dụng của một ngoại lực thì tại mọi điểm trong đấy đều xuất hiện một ứng lực để cần bằng với ngoại lực. Ứng lực đó gọi là ứng suất. Các tham số đặc trƣng cho môi trƣờng đàn hồi là modun khối k, mô đun biến dạng µ, mô đun dãn dọc E, hệ số poatson  , hằng số lame  , mật độ đất đá  Sự hình thành sóng đàn hồi: Giả sử tại miền O nằm trong môi trƣờng đàn hồi, đặc trƣng bởi các tham số , , , ở đó tại thời điểm t có ngoại lực tức thời tác dụng dƣới dạng xung F. Tác dụng của lực F làm cho trƣờng bị biến dạng. Trƣớc tiên lớp thứ I nằm sát vùng O bị biến dạng, các phần tử của lớp này bị dịch chuyển và làm xuất hiện ứng suất có xu hƣớng kéo dài các phần tử vật chất trở về trạng thái cân bằng. Do đặc điểm quán tính, các phần tử vật chất không trở về trạng thái cân bằng ngay tức thời mà dao động quanh vị trí cân bằng. Sự dao động trong lớp I làm xuất hiện ứng suất trong lớp II nằm sát cạnh lớp I, kết quả là tiếp theo lớp I, các phân tử lớp II dao động và cứ nhƣ vậy sự dao động đƣợc lan truyền... ta gọi sự truyền dao động đó là sự truyền sóng đàn hồi. Sự truyền sóng đàn hồi trong môi trƣờng đƣợc đặc trƣng bởi tốc độ truyền sóng xác định, giá trị tốc độ phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trƣờng. Khi có lực tác dụng vào môi trƣờng đàn hồi thì các phần tử của nó sẽ dao động và lan truyền trong không gian. Sự lan truyền trong không gian gọi là sóng đàn hồi, và đƣợc truyền trong môi trƣờng với vận tốc phụ thuộc vào các tham số đàn hồi của môi trƣờng. Có 2 loại sóng đàn hồi: Sóng dọc (P) và sóng ngang (S). 4
+ Sóng dọc liên quan đến biến dạng thể tích, có phƣơng dao động trùng với phƣơng truyền sóng E (1   ) vp  (1.1)  (1   )(1  2 ) + Sóng ngang liên quan đến biến dạng hình dạng và có phƣơng dao động vuông góc với phƣơng truyền sóng E vs  (1.2) 2  (1   ) nh 1.1 : Quá trình truyền sóng của sóng dọc (a) và sóng ngang (b) 1.1.2. Sự truyền sóng địa chấn trong môi trƣờng địa chất Quy luật truyền sóng trong môi trƣờng địa chất phụ thuộc nhiều vào đặc điểm cấu tạo địa chất, thành phần đất đá, điều kiện hình thành và phát triển, điều kiện thế nằm của chúng... Những đặc điểm này có ý nghĩa rất quan trọng, khi 5
nghiên cứu sự hình thành và phát triển trƣờng sóng, nghiên cứu khả năng áp dụng của các phƣơng pháp địa chấn khác nhau. Đất đá tồn tại trong vỏ quả đất có tính chất đàn hồi rất khác nhau, trong đó các loại đá macma, đá trầm tích có độ gắn kết rắn chắc, có tính chất đàn hồi gần môi trƣờng đàn hồi tuyệt đối, một số loại đất đá khác trong các vùng phát triển nứt nẻ, mềm yếu, trầm tích bở rời thì lại rất khác đáng kể với môi trƣờng đàn hồi tuyệt đối, trong các loại đất đá này khả năng hấp thụ sóng rất mạnh mẽ. Các số liệu nghiên cứu tốc độ truyền sóng trong vỏ quả đất chỉ ra rằng các đất đá cấu tạo nên vỏ quả đất có tốc độ truyền sóng rất khác nhau, các lớp đất trồng nằm sát mặt đất có tốc độ truyền sóng nhỏ khoảng 300 – 400m/s, trong khi đó tốc độ truyền sóng trong đá macma và một số loại đá trầm tích ở dƣới sâu lên tới 6000 - 7000m/s [3]. Trong quá trình hình thành và phát triển, đất đá có những thay đổi tính chất vật lý, địa chất rất khác nhau làm cho tính chất đàn hồi thay đổi; vì vậy tốc độ truyền sóng của đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất khác nhau nhƣ: thành phần thạch học, điều kiện thành tạo, chiều sâu thế nằm và độ ngậm nƣớc... Các yếu tố ảnh hƣơng đến tốc độ truyền sóng địa chấn:  Phụ thuộc thành phần thạch học đất đá Thành phần thạch học là yếu tố ảnh hƣởng quyết định đến tốc độ truyền sóng [3,4]. Đá macma và biến chất có tốc độ truyền sóng thay đổi trong khoảng 4000 - 6500m/s. Đá trầm tích có tốc độ truyền sóng nhỏ hơn, trong trầm tích lục nguyên có tốc độ truyền sóng ít khi vƣợt quá 3500m/s. Các trầm tích thuỷ hoá và cacbonat có giá trị lớn hơn có thể đạt tới 6500m/s xấp xỉ tốc độ truyền sóng trong đá macma và biến chất (bảng 1.1). 6
Bảng 1.1: Vận tốc truyền sóng trong một số môi trường[3]. Đất đá, môi VP (km/s) VS/vP Đất đá, môi VP (km/s) VS/vP trƣờng trƣờng Không khí 0,31 0,36 Cát kết 1,5  4,0 0,5  0,6 Đất trồng, 0,1  0,5 0,5  0,6 Đá vôi, 2,6 6,5 0,5  0,6 phong hoá dolomit Cát khô 0,1  0,6 0,55  0,7 Muối mỏ 4,5  6,0 0,5  0,6 Cát ƣớt 1,5  1,6 0,1  0,3 Diệp thạch 4,0  6,0 0,46  0,62 kết tinh Sét ẩm 1,5  2,5 0,1  0,3 Granit 4,0  6,0 0,57  0,02 Nƣớc 1,43 1,59 0,4  0,6 Bazan 5,0  6,5  Ảnh hưởng của các yếu tố khác Tốc độ truyền sóng trong một loại đất đá có cùng thành phần thạch học có thể thay đổi trong phạm vi rộng tuỳ thuộc vào một loạt các yếu tố nhƣ áp suất, độ rỗng, độ ngậm nƣớc, tuổi... 7
1. SÐt vµ sÐt kÕt, 2. C¸t vµ c¸t kÕt, 3. §¸ vèi, 4. Dolomit, 5. Anhydrit, 6. Muèi má nh 1.2: Sự phụ thuộc tốc độ VP vào mật độ của các loại đất đá khác nhau. Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào áp suất: Khi áp suất tăng lên làm giảm độ rỗng của đất đá, mô đun đàn hồi Young tăng làm cho tốc độ truyền sóng tăng. Đối với các loại đất đá khác nhau, quy luật thay đổi tốc độ truyền sóng theo áp suất cũng khác nhau. Sự thay đổi này rõ nhất đối với đất đá trầm tích lục nguyên, còn trong đá macma và cacbonat ít hơn. Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào độ rỗng và độ ngậm nƣớc: Khi độ rỗng và độ ngậm nƣớc bão hoà tăng thì tốc độ truyền sóng giảm đi. Trong đất đá bở rời sát mặt đất, nếu lỗ hổng chứa không khí thì tốc độ truyền sóng có thể nhỏ hơn tốc độ âm trong không khí. Khi độ rỗng giảm thì tốc độ tăng lên trong đá trầm tích, mối quan hệ này gần nhƣ tuyến tính, nếu lỗ hổng ngậm nƣớc thì tốc độ truyền sóng còn phụ thuộc độ bão hoà nƣớc. Khi áp suất nhỏ thì tốc độ truyền sóng tăng khi độ ngậm nƣớc tăng, đến khi bão hoà thì vP giữ nguyên, quá bão hoà thì tốc độ truyền sóng giảm. Sở dĩ nhƣ vậy là do khi độ ngậm nƣớc nhỏ, nƣớc tạo ra những màng làm tăng sự tiếp xúc giữa hai mặt với nhau nên tốc độ truyền sóng tăng, khi bão hoà các màng này bị phá vỡ, diện tích tiếp xúc giảm làm cho tốc độ truyền sóng giảm. 8
Nếu đất đá ngậm nƣớc (khoáng hoá) thì tốc độ truyền sóng tăng với độ khoáng hoá. nh 1.3: Mối quan hệ giữa tốc độ và độ rỗng [3]. Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào chiều sâu: khi chiều sâu thế nằm tăng lên, áp suất tải trọng tác dụng lên đất đá tăng dẫn đến sự tăng tốc độ truyền sóng. Mức tăng tốc độ truyền sóng theo chiều sâu phụ thuộc vào thành phần thạch học và độ rỗng của đất đá. Sự phụ thuộc này biểu hiện rõ rệt ở các loại đá lục nguyên bở rời có độ rỗng lớn. Đặc biệt ở phần trên lát cắt, khi độ rỗng lớn, áp suất tăng nhanh theo chiều sâu rất rõ rệt. Sự tăng tốc độ truyền sóng theo chiều sâu dẫn đến tốc độ truyền sóng trong một lớp nhất định thay đổi phụ thuộc vào vị trí cấu tạo của chúng. Ở các vòm nâng thƣờng quan sát đƣợc sự giảm tốc độ truyền sóng đáng kể. Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào tuổi đất đá. Đất đá càng già thì tốc độ truyền sóng càng lớn, ở một số vùng ngƣời ta tìm đƣợc mối quan hệ [3]: 9
vP = K(hT)1/6 (1.3) K là hệ số phụ thuộc thành phần thạch học của đất đá, h là chiều sâu, T là tuổi tuyệt đối. Sự tăng tốc độ truyền sóng theo tuổi đƣợc giải thích do tác dụng biến chất động lực và sự kéo dài của tác dụng dung dịch trong đá. 1.1.3. Phát sóng địa chấn Trong thăm dò địa chấn, tuỳ thuộc điều kiện tiến hành thực địa trên đất liền, trên biển, sông hồ, hầm lò... mà sử dụng các loại nguồn khác nhau [3,4]. Một số phƣơng pháp phát sóng địa chấn phổ biến thƣờng dùng trên đất liền là: + Nổ mìn trong hố khoan: Trong địa chấn đất liền, việc phát sóng đƣợc tiến hành chủ yếu bằng nổ mìn trong hố khoan. Trong trƣờng hợp này, quả mìn đƣợc thả xuống đấy hố khoan, đặt trong lớp đất mềm, dẻo, ngậm nƣớc nhƣ sét, sét pha cát, cát ƣớt. Các hố khoan thƣờng có chiều sâu 10 – 50m đƣợc lấp đầy đất hoặc nƣớc. Quá trình hình thành sóng trong hố khoan nhƣ sau: Sau khi chập mạch điện, kíp nổ làm nổ khối thuốc mìn, trong khoảng thời gian rất ngắn (vài micro giây) toàn bộ khối thuốc mìn bị phân huỷ, tạo ra ở vùng nổ khối khí nóng bỏng có áp suất lớn (khoảng 105 kg/cm2). Khối khí này chuyển động với tốc độ rất lớn, đập mạnh vào môi trƣờng xung quanh làm xuất hiện sóng đập. Sóng đập đƣợc đặc trƣng bởi các dịch chuyển lớn vƣợt hẳn sức kháng cự của đất đá xung quanh làm cho phần môi trƣờng sát quả mìn bị đẩy dãn ra tạo thành lỗ hổng khí. Tiếp theo, sóng phá vỡ đất đá tạo ra ở vùng nổ đới phá huỷ. Khi ra xa, do đặc điểm khuếch tán năng lƣợng trên mặt sóng cũng nhƣ do sự tổn hao năng lƣợng để phá huỷ và đốt nóng đất đá, sóng đập yếu dần không đủ khả năng tiếp tục phá huỷ đất đá nữa. Mặc dù vậy, sự biến dạng của môi trƣờng vẫn lớn hơn giới hạn của định luật Hooke nên nó bị biến dạng dẻo. Ngoài đới biến dạng dẻo, áp suất sóng đập yếu hẳn, môi trƣờng có tính chất đàn hồi và sóng đập liên tục tạo thành sóng đàn hồi. Nhƣ vậy, ngoài lỗ hổng, nổ mìn 10
trong môi trƣờng tồn tại ba đới: đới phá huỷ, đới biến dạng dẻo và đới biến dạng đàn hồi. Hình 1.4: Hình ảnh nổ mìn + Nguồn phát không nổ: Ngoài nổ mìn, để kích thích dao động địa chấn, còn sử dụng các nguồn không nổ nhƣ va đập, nguồn rung, ép hơi… Việc dùng nguồn không nổ có hiệu suất kinh tế cao, ít nguy hiểm và có thể tiến hành ở những nơi có các công trình xây dựng, có thể sử dụng hai nguồn: nguồn va đập, nguồn rung. Khi phát sóng địa chấn trong môi trƣờng nƣớc ( biển, sông...) thì ngƣời ta thƣờng sử dụng nguồn không nổ nhƣ nguồn khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện - thuỷ lực...Việc sử dụng các loại nguồn này không chỉ bảo đảm việc phát sóng liên tục sau những khoảng thời gian nhất định trong khi tàu chạy mà còn bảo vệ môi trƣờng sinh thái biển. 11
1.2. Trƣờng thời gian Trong thăm dò địa chấn, để nghiên cứu quá trình truyền sóng, có thể xác định các đặc điểm động lực hoặc đặc điểm động hình học của trƣờng sóng[3,4]. Tƣơng tự nhƣ trong quang học, ở đây thiết lập mối quan hệ về quy luật phân bố mặt sóng, tia sóng. Các quy luật này dựa trên nguyên lý Huygens và nguyên lý Fermat. Nếu trong môi trƣờng W tồn tại sóng đàn hồi thì tại mỗi điểm của môi trƣờng M(x,y,z) có thể xác định thời gian tới của mặt sóng (hoặc mặt đồng pha của sóng). Nhƣ vậy tại điểm M có thể xác định đƣợc một đại lƣợng vô hƣớng biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian và tọa độ: t = t(x,y,z) (1.4) Điều đó có nghĩa rằng trong vùng đó tồn tại một trƣờng vô hƣớng gọi là trường thời gian. Hàm t(x,y,z) xác định trƣờng thời gian đó gọi là hàm thời gian. Nói khác đi trƣờng thời gian là khoảng không gian mà tại mỗi điểm của nó, giá trị tới của sóng là hoàn toàn xác định. Cũng nhƣ các trƣờng vô hƣớng khác, trƣờng thời gian đƣợc đặc trƣng bởi các mặt mức. Sự phân bố không gian của mặt mức xác định cấu trúc của trƣờng sóng. Các mặt mức của trƣờng thời gian gọi là những mặt đẳng thời. Phƣơng trình của chúng đƣợc biểu diễn: t(x,y,z) = ti (1.5) Ở đây, ti là những hằng số xác định giá trị mặt đẳng thời Phƣơng trình (1.5) cho thấy mặt đẳng thời chính là mặt sóng tại các thời điểm ti. Vì vậy quan sát vị trí liên tiếp của các mặt đẳng thời Q1, Q2, Q3...Qm ứng với các thời điểm t1, t2, t3....tm có thể tìm đƣợc đặc trƣng truyền sóng trong môi trƣờng. Cần lƣu rằng trong môi trƣờng có tính chất vật lý phức tạp, mặt mức đẳng thời có thể cong hoặc cắt nhau. 12
Cũng nhƣ các trƣờng vật lý khác, ngoài khái niệm mặt mức, trong địa chấn còn sử dụng khái niệm tia sóng. Tia sóng là những đƣờng thẳng góc với mặt mức, phƣơng của nó trùng với phƣơng biến thiên của trƣờng thời gian. Trong môi trƣờng đồng nhất tia là đƣờng thẳng, trong môi trƣờng không đồng nhất tia là những đƣờng cong hay là những đƣờng gãy khúc. Tập hợp các tia sóng ứng với một trƣờng thời gian nhất định lập thành một họ tia. Nhƣ vậy, để mô tả trƣờng thời gian có thể sử dụng khái niệm mặt đẳng thời hoặc tia. nh 1.5: Mặt đẳng thời và tia Phƣơng trình (1.4) xác định sự phân bố thời gian của một sóng nào đó khi phát sóng từ nguồn 0. Nếu vị trí của nguồn 0 có toạ độ (x 0,y0,z0) và điểm quan sát M có toạ độ (x,y,z) thì từ phƣơng trình (1.4) trƣờng thời gian quan sát tại điểm quan sát có thể viết dƣới dạng: t = t(x0, y0, z0 , x, y, z) (1.6) Trong trƣờng hợp tổng quát, trƣờng thời gian cần thỏa mãn nguyên lý tƣơng hỗ, nghĩa là vị trí thu và phát sóng có thể đổi chỗ cho nhau, ta có: t(x0, y0, z0; x, y, z) = t(x, y, z; x 0, y0, z0) (1.7) Sự phân bố trƣờng thời gian t(x, y, z) của mặt sóng (hoặc pha sóng) đƣợc xác định bởi phƣơng trình vi phân của trƣờng thời gian. Trên cơ sở nguyên lý Huygens có thể dẫn đến sự phân bố liên tục của trƣờng tốc độ v(x, y,z). 13
Chúng ta xét một điểm bất kỳ M(x,y,z) nằm trên mặt Q1 đƣợc xác định bởi phƣơng trình t(x,y,z) = t1 . Gọi n là đoạn pháp tuyến nằm giữa mặt đẳng thời Q1 và Q2. Mặt đẳng thời Q2 đƣợc xác định bởi phƣơng trình t(x, y, z) = t1 + t. Ta có: n = v(M)t = v( x, y, z) t (1.8) t xác định gia số thời gian dọc theo pháp tuyến. Khi n tiến tới 0 thì sự biến thiên của trƣờng thời gian có thể đƣợc xác định dƣới dạng: t dt 1   lim   grad t  (1.9) l dn v ( x, y , z ) Biến đổi phƣơng trình này ta có: 2  t   t   t  2 2 1          2 (1.10)  x   y   z  v ( x , y, z) Phƣơng trình (1.10) mô tả trƣờng thời gian của một sóng khối bất kỳ phát triển trong môi trƣờng. Đó là biểu thức giải tích của nguyên lý Huygens, gọi là phƣơng trình trƣờng thời gian. Giải phƣơng trình (1.10) với điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho phép nhận đƣợc phƣơng trình biểu diễn mặt sóng ứng với những thời điểm bất kỳ [3]. Phƣơng trình của tia sóng có thể xác định từ nguyên lý Fermat (còn đƣợc coi là hệ quả của nguyên lý Huygens), trong đó coi thời gian sóng truyền theo quãng đƣờng là ngắn nhất. Thời gian truyền sóng giữa 2 điểm AB đƣợc xác định bởi tích phân [4]: ds t  v(x, y, z) AB (1.11) Ở đây, ds là yếu tố quãng đƣờng truyền sóng. 14