Sejsmika refrakcyjna

Sejsmika refrakcyjna – zespół sejsmicznych metod geofizycznych wykorzystujących pomiar czasu przyjścia fali refragowanej od granic ośrodka geologicznego. Jest szeroko stosowana w sejsmologii, geofizyce inżynierskiej, geologii inżynierskiej i hydrogeologii do nieinwazyjnego rozpoznania ośrodka geologicznego.

Prawo Snelliusa i krytyczna refrakcja

Fala padająca na granicę ośrodków o różnej prędkości ulega załamaniu i odbiciu. Kąt pod którym nastąpi załamanie jest opisany przez prawo załamania. Mówi ono, że stosunek sinusa kąta padania $\alpha$ do sinusa kąta załamania $\beta$ jest równy stosunkowi prędkości w pierwszym ośrodku $(v_1)$ do prędkości w drugim ośrodku $(v_2),$ co wyraża się wzorem: $\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{v_1}{v_2}$. Przekształcimy ten wzór do postaci: $\frac{\sin \alpha \cdot v_2}{v_1}=\sin \beta .$ Jeśli prędkość fali w ośrodku pierwszym jest mniejsza niż w drugim $v_1<v_2$ to będzie istniał taki kąt $\alpha$ dla którego $\beta =90^{\circ }.$ Fala nie ulegnie wtedy załamaniu, ale będzie propagować po granicy ośrodków, co w geofizyce nazywa się zjawiskiem krytycznej refrakcji, a samą falę falą refrakcyjną. Zgodnie z zasadą Huygensa, mówiącą, że każdy punkt ośrodka do którego dociera czoło fali można uznać za nowe źródło fali, część energii propaguje z powrotem w kierunku powierzchni, na której ustawione są odbiorniki. Pomiar czasu przejścia fali od wzbudzenia do odbiornika pozwala wnioskować o prędkości fali podłużnej w ośrodku geologicznym i ukształtowaniu granic na których zachodzi zjawisko krytycznej refrakcji.

Zasada działania

Do umieszczonych na powierzchni odbiorników najpierw dociera fala bezpośrednia (kolor niebieski), a później fala refrakcyjna (kolor jasnozielony). Z nachylenia zielonej prostej na hodografie oblicza się prędkość fali refrakcyjnej w drugiej warstwie.

Fala podłużna (fala P) jest generowana na powierzchni ziemi z użyciem ciężkiego (6–10 kg) młotka. Fala ta ulega krytycznej refrakcji na granicach, gdzie $v_1<v_2$ i propaguje wzdłuż niej. Na mocy zasady Huygensa, część energii propaguje z powrotem w kierunku powierzchni. Fale rejestrowane są za pomocą odbiorników (geofonów) ustawionych w linii o długości 25–100 m i odstępie 2–5 m w zależności od budowy geologicznej. Zarejestrowane sygnały są przesyłane za pomocą kabla do jednostki centralnej i zapisywane w postaci rekordu sejsmicznego. W procesie przetwarzania danych zaznacza się (pikuje) pierwsze wstąpienia, co przy dokładnej znajomości momentu wzbudzenia pozwala na określenie czasu przejścia fali od źródła do odbiornika. Czas ten zależy od prędkości fali P w warstwach ośrodka geologicznego i im większa ta prędkość tym szybciej pierwsze wstąpienie dotrze do odbiornika.

Zjawisko krytycznej refrakcji zachodzi tylko dla kąta padania $\alpha$ dla którego spełnione zostały warunki wynikające z prawa Snelliusa (patrz wyżej). Stąd jest ona rejestrowana dopiero w pewnej odległości od miejsca wzbudzenia, wcześniej zaś na rekordzie jako pierwsze wstąpienia widoczne są fale bezpośrednie – poruszające się w przypowierzchniowej warstwie, bez udziału zjawiska krytycznej refrakcji.

Linki zewnętrzne

• Refrakcja w sejsmologii – Khan Academy (eng.)