Reflektiranje seizmičkih valova

Reflektiranje seizmičkih valova. Seizmički valovi se šire podzemljem ovisno o otporu materijala, tj. o akustičkoj impedanciji (akustička impedancija). Unutar “mekanih” materijala, odnosno materijala s malim vrijednostima akustičkih impedancija, nailazak seizmičkog vala izaziva velike pomake čestica i mali porast tlaka, a unutar “tvrdih” materijala s velikim akustičkim impedancijama njegov nailazak uzrokuje manje pomake čestica i veći porast tlaka.

Mehanizam procesa reflektiranja najjednostavnije je opisati na temelju ponašanja upadnog seizmičkog vala s ravnom valnom frontom (valna fronta) koji se širi jedino duž okomice na površinu i pritom reflektira od horizontalnih slojnih granica. Ako se takav val inicira detoniranjem eksploziva unutar sloja s manjom akustičkom impedancijom, sukladno postojećoj konvenciji, brzina gibanja čestica izazvana njegovim širenjem prema dolje ima negativan, a promjena tlaka pozitivan predznak. Zbog nagle promjene elastičnih svojstava upadni val se prilikom nailaska na granicu slojeva djelomice reflektira, a djelomice prenosi u drugi sloj, pri čemu ukupna brzina gibanja čestica na jednoj i na drugoj strani granice mora biti jednaka, jer bi u protivnom došlo do fizičkog razdvajanja slojeva duž granične plohe.

Prijelaz seizmičkog vala iz jedne u drugu sredinu različitih akustičkih impedancija čini se da bi morao imati za posljedicu razdvajanje tih sredina duž granice, jer, sukladno temeljnom fizikalnom zakonu o očuvanju energije, ukupna energija vala prenesena u drugu sredinu mora biti jednaka energiji koja dolazi na granicu dviju sredina. Objašnjenje tog prividnog paradoksa nalazi se u činjenici da se sva energija seizmičkog vala, koji dolazi na granicu dviju sredina, ne prenosi u potpunosti u drugu sredinu, nego se, ovisno o svojstvima tih sredina, dio energije na njihovoj granici reflektira i nastavlja širiti unutar sredine iz koje je val došao. Pritom je reflektirana energija jednaka energiji potrebnoj da se održi jednaka brzina gibanja čestica s obje strane granice i tako spriječi razdvajanje dviju sredina različitih akustičkih svojstava.

Budući da se obično promatraju i analiziraju jedino snimljene amplitude reflektiranih seizmičkih valova, a ne i njihova energija, to je praktičnije refleksivnost granice dviju sredina ili slojeva definirati na temelju analize odnosa među amplitudama ulaznog i reflektiranog 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.

      : $f={\frac {1}{T}}$

(4-34)

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.

Za slučaj ekstremno “tvrde” donje sredine na sl.4-26, čija je akustička impedancija mnogo veća od akustičke impedancije gornje sredine, veličina koeficijenta reflektiranja približno je jednaka svojoj teorijski najvećoj vrijednosti +1. U fizikalnom smislu to znači da je otpor daljem gibanju čestica na donjoj strani granice beskonačno velik te da je svako gibanje čestica u donjoj sredini praktički onemogućeno. Pritom tlak na čestice u gornjoj sredini u neposrednoj blizini granice stalno raste sve dok ne postane dvostruko veći od svoje izvorne vrijednosti. Na taj način povećani tlak uzrokuje gibanje čestica u suprotnom smjeru, tj. prema područjima smanjenog tlaka unutar gornje sredine nastalog “razrjeđivanjem” čestica u njoj. Tako izazvana gibanja čestica izravno utječu na porast tlaka koji se širi u smjeru od granice, uzrokuje pomake novih čestica i, konačno, uzrokuje širenje reflektiranog vala unutar gornje sredine. Amplituda reflektiranog seizmičkog vala, zahvaljujući pojavi “totalnog” reflektiranja, jednaka je amplitudi ulaznog vala, te se postojanje vala s dvostruko većom amplitudom u neposrednoj blizini granice objašnjava jednostavnom superpozicijom ulaznog i reflektiranog vala.

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)

Tu su: An - amplituda seizmičkog vala reflektiranog od n-tog reflektora Rn - koeficijent reflektiranja od n-tog reflektora R1, R2, ... Rk - koeficijenti reflektiranja od prvog do k-tog sloja Izrazi u zagradama dobiveni su međusobnim množenjem izraza za koeficijente prijenosa u oba smjera na istim granicama, tj. (1-R).(1+R),dok je indeks k=1,2,3, ..., n-1. Ako se promjena akustičkih impedancija u promatranoj sredini može prikazati kontinuiranom funkcijom dvostrukih vremena putovanja, z(t), tada se i promjena koeficijenata reflektiranja također može prikazati kontinuiranom funkcijom definiranom sljedećim izrazom:

                                                                                                        (4-38)

Tu su: R (t) - koeficijent reflektiranja t - dvostruko vrijeme putovanja seizmičkog vala z (t) - akustička impedancija Reflektiranje seizmičkih valova poglavito je vezano za slojne granice i diskordancije na kojima postoje razlike u akustičkim impedancijama stijena u njihovoj podini i krovini. U tom smislu granice dviju sredina različitih gustoća i brzina širenja seizmičkih valova su podzemni reflektori. Svi slojevi istaloženi u njihovoj krovini nastali su nakon taloženja slojeva u njihovoj podini te su te plohe ujedno kronostratigrafske granice koje označavaju određena geološka vremena. Zbog toga se na temelju analize oblika seizmičkih refleksa može zaključivati o strukturnim deformacijama nakon sedimentacije, korelirati slojeve u geološkom vremenu, definirati genetski srodne sedimentacijske jedinice, odrediti svojstva taložne sredine na temelju paleotopografije, utvrditi paleobatimetrijske i paleogeografske odnose, te geološku povijest istraživanih prostora.

Slojne plohe, odnosno granice slojeva, nastaju kao rezultat promjena tijekom procesa sedimentacije i međusobno su manje ili više paralelne, za razliku od diskordancija odnosno ploha koje su bile izložene eroziji, odnosno prekidu sedimentacije, te najčešće čine neki kut sa slojnim plohama u svojoj podini i krovini, premda na dijelu istraživanog područja one mogu biti i paralelne sa slojnim plohama u podini i krovini. Osim slojnih granica koje odgovaraju kronostratigrafskim granicama i čine plohe iste geološke starosti, reflektori mogu u određenim okolnostima biti i dijagenetske granice uz uvjet da je cementacija bila ograničena na nagnuti, vodom zasićeni, sloj u podini. U tom slučaju akustička granica može presijecati slojne plohe. Granica među saturantima (plin, nafta, voda) može također biti reflektor koji može zatvarati neki kut sa slojnim granicama.

Ondje gdje su se tijekom procesa sedimentacije naglo mijenjali taložni uvjeti, ili je dolazilo do kraćih ili duljih prekida sedimentacije, formirale su se slojne plohe iste geološke starosti. Seizmički valovi na svom putu podzemljem dolaze do tih ploha, reflektiraju se i vraćaju na površinu, te su registrirana vremena nailazaka snimljenih seizmičkih refleksa odraz vremenski točno definiranih geoloških zbivanja, dok su njihove amplitude ovisne o fizikalnim svojstvima slojeva s obje strane slojnih ploha te upućuju na njihov litološki sastav.

Drugim riječima, svaka fizički realna slojna ploha potencijalni je izvor refleksa, čija vremena pojavljivanja na seizmičkim snimkama ovise o dubinama reflektirajućih granica ili slojnih ploha, odnosno o geološko-strukturnoj građi, a njihove amplitude o razlikama u akustičkim impedancijama materijala s jedne i druge strane te plohe, tj. o litološkoj građi istraživanog područja. Seizmička mjerenja stoga omogućuju određivanje kako današnjih strukturno-geoloških odnosa (Lit.14), tako i zaključivanje o zbivanjima u geološkoj prošlosti, a na temelju toga i o litološkom sastavu.