Методы и объекты сейсмических исследований. Введение в общую сейсмологию - Пузырев Н.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Долгое время считалось, что анизотропия в осадочных образованиях вызвана в основном тонкой слоистостью. Исследования последнего времени привели к выводу, что, кроме тонкой слоистости, эффект анизотропии определяется преобладающим направлением микротрещин, а также ориентацией частиц породы, обладающих изначальной анизотропией, связанной с их кристаллической структурой. Экспериментальные исследования показывают [Пузырев и др., 1983], что анизотропия связана также с характером напряженного состояния массива. Указанные две последние причины возникновения анизотропии, по-видимому, являются главными для кристаллических пород консолидированной коры и, возможно, верхней части мантии.
Согласно формулам (1.13), скорости vp и vs обратно пропорциональны плотности в степени 1/2, и потому можно было бы предполагать, что для более консолидированных пород, обладающих
большей плотностью, скорости будут меньше, чем для менее консолидированных. В действительности, как показывают многочисленные измерения, для большинства минералов и горных пород имеет место противоположная зависимость — с увеличением плотности скорость растет. Это связано с тем, что уплотнение породы за счет горного давления, метаморфизма и других причин в существенно большей степени влияет на модули упругости (прежде всего Е, К, fi), чем на плотность. Рядом исследователей получены различные корреляционные зависимости между р и v. На рис. 2.4 приведены кривые vp(p), vs(p), о(р), заимствованные из работы М.Б. Добрина [Dobrin, 1976 ]. Кривые vp(p) и VjOo) можно аппроксимировать степенной функцией с показателем 1/4. Корреляционную связь между р и vpb интервале от 2 до 3 г/см3 часто представляют линейной зависимостью: р = а + + b-vp [Пузырев, 1959].
Интересны выполненные в последнее время исследования по корреляционным связям между vp, vs, о и р для кристаллических пород земной коры и верхней мантии [Крылов и др., 1990]. Использовались экспериментальные данные лабораторных измерений по 450 образцам горных пород различного состава с vp, изменяющейся от 5,0 до 8,5 км/с. Для каждого типа горной породы бралось несколько образцов с последующим осреднением, в том числе с целью исключения влияния анизотропии. Все измерения приведены к давлению 5 атм. Результаты обобщений изображены на рис. 2.5. На плоскости vp, vs выделяются области с различными значениями градиентов р. В левой
780984
30
Глава 2. Физико-сейсмические параметры горных пород
V, км/с
V
x
0,2'
1 2 3 4
Рис. 2.4. Зависимости между плотностью р и скоростями vp и vs, а также коэффициентом Пуассона о для горных пород различного литологического состава:
1 — осадочные породы соответственно для P- и S-волн; 2 — метаморфические и изверженные породы для P- и 5-волн; 3 — данные лабораторных измерений (по Ф. Берчу).
31
Часть I. Общие вопросы теории и методики
vs, км/с
5
Рис. 2.5. Зависимость между плотностью р и скоростями ир и и5, а также коэффициентом Пуассона о для кристаллических горных пород [Крылов и др., 1990].
3-
4 -
части графика (ир •« 5— 6 км/с) выделяются зоны малых, в том числе отрицательных, градиентов р, что соответствует кислым породам с большим содержанием кварца и с пониженными значениями коэффициента Пуассона. Переход к области с высокой плотностью (р - 3,1—3,4 г/см3 при vp * 7 км/с) характеризуется сгущением изолиний р.
Скорости упругих волн в горных породах корреляционно связаны также с другими геофизическими параметрами, прежде всего с электрическим сопротивлением. Об этом свидетельствует, в частности, сходство кривых акустического и электрического каротажа в скважинах, а также специальные измерения на образцах горных пород в лабораторных условиях. Вместе с тем, корреляционные связи между рассматриваемыми параметрами далеко не всегда достаточно тесны и устойчивы.
2.2. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТЕЙ Vp И Vs ОТ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ
Давление и температура в недрах Земли планомерно повышаются с глубиной и достигают очень высоких значений. По оценкам ряда исследователей, давление на границе мантии и ядра Земли составляет более 10б атм (10s МПа), а температура — 4000° по Кельвину. Для правильной интерпретации сейсмических данных и прогноза состояния вещества на глубине очень важно знать основные закономерности зависимости скоростей vp и и5 от давления и температуры. Это касается не только глубинных оболочек Земли, но и верхних ее частей, представляющих непосредственный интерес в связи с поисками полезных ископаемых. Так, например, для глубин порядка 7—10 км горное давление может достигать ~ 2,0—2,7 кбар (200—270 МПа), а температура — 400—500 °С.
Связь между скоростями распространения волн и давлением практически всегда изучается в лабораторных условиях. Чаще всего для этого используют специальные прессы, в которых образец помещается в камеры высокого давления. Специальные датчики ультразвуковых частот килогерцо-вого, а иногда и мегагерцевого диапазона дают возможность измерять с высокой точностью времена распространения волн, на основе чего при известных размерах образца вычисляются значения скоростей. Существующее оборудование позволяет выполнять как одноосное, так и всестороннее сжатие образца в статическом режиме при различных термодинамических условиях. При очень высоких давлениях, когда статическое нагружение трудно реализовать, используют динамические методы с применением воздействий взрывного типа.
