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^[1][2].

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 ${\displaystyle \alpha }$ do sinusa kąta załamania ${\displaystyle \beta }$ jest równy stosunkowi prędkości w pierwszym ośrodku ${\displaystyle (v_{1})}$ do prędkości w drugim ośrodku ${\displaystyle (v_{2}),}$ co wyraża się wzorem: ${\displaystyle {\frac {\sin \alpha }{\sin \beta }}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}}$^[3]. Przekształcimy ten wzór do postaci: ${\displaystyle {\frac {\sin \alpha \cdot v_{2}}{v_{1}}}=\sin \beta .}$ Jeśli prędkość fali w ośrodku pierwszym jest mniejsza niż w drugim ${\displaystyle v_{1}<v_{2}}$ to będzie istniał taki kąt ${\displaystyle \alpha }$ dla którego ${\displaystyle \beta =90^{\circ }.}$ Fala nie ulegnie wtedy załamaniu, ale będzie propagować po granicy ośrodków^[4], co w geofizyce nazywa się zjawiskiem krytycznej refrakcji, a samą falę falą refrakcyjną^[2]. 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^[1].

Zasada działania

Fala podłużna (fala P) jest generowana na powierzchni ziemi z użyciem ciężkiego (6–10 kg) młotka. Fala ta ulega krytycznej refrakcji na granicach, gdzie ${\displaystyle v_{1}<v_{2}}$ 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^[1]. 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^[2].

Zjawisko krytycznej refrakcji zachodzi tylko dla kąta padania ${\displaystyle \alpha }$ 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^[2].

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Refrakcja w sejsmologii – Khan Academy (eng.)