Princip a fyzikální základy seismiky
Základem seismických metod je studium uměle vyvolaných seismických vln, které procházejí horninovým prostředím a vracejí se zpět k zemskému povrchu. Seismické vlny se šíří od místa vzniku všemi směry a vyvolávají v prostředí, kterým procházejí, kmitavý pohyb hmotných částic kolem jejich klidové polohy. Jedná se tedy o šířící se krátkodobou pružnou deformaci prostředím. Průchodem seismické vlny nedochází k žádným trvalým změnám v prostředí, seismika je tudíž nedestruktivní metodou. Pružnou deformaci v hornině popisuje Hookův zákon:
τij=Aijklεkl
, kde τ je tenzor napětí, A tenzor elastických koeficientů a ε tenzor dilatace. Tenzor elastických koeficientů A je tenzor čtvrtého řádu (34 složek=81), nezávislých je 21 což je nutný počet pro popis chování krystalů v trojklonné soustavě neboli soustavě s nejnižší symetrií. Pro popis soustavy s vyšší symetrií stačí menší počet elastických koeficientů.
Pokud budeme uvažovat izotropní prostředí, lze Hookův zákon velmi zjednodušit, protože počet elastických koeficientů se zredukuje na dva:
τik=2μeik+λθδik
, kde μ a λ jsou laméovy koeficienty, eik je stopa po tenzoru dilatace, θ jsou stejnojmenné složky tenzoru dilatace a δik je Kroneckerovo delta.
Šíření seismických vln v homogenním prostředí si lze představit jako šíření vln v homogenním poloprostoru (omezeném rovinou zemského povrchu), v kterém nedochází ke ztrátám seismické energie. Rychlost V šíření seismických vln je konstatní. Seismické paprsky se zde šíří přímočaře. Lze je znázornit jako přímkové paprsky vycházející z místa zdroje seismické energie. Čelo šířící se vlny zaujímá v určitých časech plochy, které nazýváme izochrony. Izochrony jsou tedy čáry spojující místa se stejným časem výskytu daného jevu.
Čas příchodu seismické vlny je na povrchu registrován většinou podél přímkových profilů. Křivka závislosti času příchodu seismické vlny určitého typu na vzdálenosti bodu registrace od epicentra je nazývána hodochrona. Z hodochron lze zjistit zdánlivou rychlost Vzd, což je rychlost, jíž se šíří seismická vlna podél měřeného profilu. Zdánlivá rychlost je vždy rovna nebo větší než skutečná rychlost šíření vlny.
O značí bod výbuchu, Xp počáteční bod lomené vlny, Xk průsečík hodochron vlny lomené a přímé.
Při průchodu prostředím dochází k útlumu vlny. K tomu může dojít několika mechanizmy:
Geometrickým rozšiřováním - ve 3D prostředí, kde se šíří objemové vlny se energie vlnění rozprostírá po povrchu stále větší koule, velikost energie se vzdáleností klesá jako 1/r2. Amplituda klesá se vzdáleností jako 1/r.
Ve 2D prostředí, kde popisujeme povrchové vlny se energie rozprostírá po kružnici a energie zde ubývá jako 1/r.
Absorbcí seismické energie - horninové prostředí není ideálně pružné, a proto dochází vlivem různých trhlin a prasklin k absorbci. Amplituda tímto procesem klesá rychleji než u geometrického rozšiřování. Absorbci popisujeme koeficientem absorbce α. Ten je v lineárně závislý na frekvenci - vyšší frekvence jsou odfiltrovány jako první, neboli čím delší vzdálenost vlna ujde tím nižší bude mít frekvenci.
Ztrátou energie na rozhraní - ke ztrátě energie nebo její přeměně dochází i při průchodu vlny přes rozhraní, protože při odrazu a lomu dochází k rozdílné distribuci energie mezi různé typy vln. Tento fakt lze popsat Zoeppritzovými rovnicemi - jedná se o složité funkce úhlu dopadu, rychlostí a hustot.
Reálné horninové prostředí není homogenní. Nejčastěji studovaným prostředím při seismickém průzkumu je vrstevnaté prostředí. Šíření vln v prostředí závisí na několika hlavních principech. Huyghensův princip říká, že každý bod čela vlny lze považovat za nový zdroj vlnění. Fermantův princip tvrdí, že seismický paprsek mezi dvěma body prochází po takové dráze, aby čas průchodu byl co nejmenší. Princip superpozice říká, že vlny se šíří prostředím nezávisle na sobě, tzn. vzájemně se neovlivňují. V případě vrstevnatého prostředí, kde máme vrstvy o různých rychlostech, dochází na rozhraní mezi dvěma vrstvami o rychlostech v1 a v2 k odrazu a lomu seismických vln. Část energie seismické vlny se odráží zpět k zemskému povrchu jako tzv. odražená vlna a poskytuje informace o hloubce a sklonu rozhraní. Zbytek energie se na rozhraní láme - část pokračuje do hloubky a část se vrací zpět k povrchu. Pro lom paprsků na rozhraní platí Snellův zákon:
Podle typů využívaných vln byly pojmenovány hlavní seismické metody - metoda lomených vln (refrakční seismika) a metoda odražených vln (reflexní seismika).
