Refrakciós és reflexiós szeizmikus kutatás
Refrakciós és reflexiós szeizmikus kutatás
A vizsgálati módszer többféle is lehet (pl. reflexiós szeizmika, refrakciós szeizmika, vertikális szeizmikus szelvényezés ([VSP], szeizmikus tomográfia), amelyek közül kettőt, a hazánkban leggyakrabban alkalmazott refrakciós és reflexiós szeizmikus szelvényezést mutatjuk be (lásd a mérések elvi vázlatát szemléltető ábrákat). A refrakciós kutatás manapság már kissé divatjamúltnak tűnik, ez azonban nem homályosíthatja el múltbeli érdemeit és a speciális kutatások során ma is nehezen nélkülözhető segítségét. Ilyennek számított például az aljzat és a még mélyebb rétegek, pl. a kéreg-köpeny határ kutatása, illetve számít ma is az általa nyújtott információ a nagyon mély (több kilométer, esetenként több tíz kilométer mély), illetve nagyon sekély (a talajközeli néhány méteres) tartományok sebességviszonyairól. Mint a későbbiek során még látni fogjuk, a kőzetekben terjedő hullám sebességének ismerete nemcsak a szeizmikus szelvények feldolgozása, hanem a szelvények értelmezése során is lényeges.
Refrakciós és reflexiós szeizmikus mérések elvi vázlata
Refrakciós kutatás során a hangsúly néhány (általában egy-két) éles réteghatár vizsgálatára korlátozódik, ezek mélységét és sebességviszonyait kívánjuk megismerni. Ábránkon ezt a szerepet a legfelső kőzethatár tölti be. A forrástól induló rugalmas hullámok természetesen minden irányban haladnak, mi azonban csak azt az egyet rajzoltuk meg, amely számunkra különösen érdekes. Ez a következő, nagyobb sebességű réteg határára a sebességviszonyokból számítható ún. kritikus szög alatt érkezve (a nagyobb sebesség fontos, és a Földben lefelé haladva általában teljesülő feltétel) a réteghatáron a második réteg sebességével halad tovább, és közben folyamatosan sugározza vissza energiájának egy részét. (A jelenség hasonló ahhoz, ahogyan a vízvezeték vagy a fűtés csövein lehet üzenni a szomszéd helyiségben tartózkodóknak. Az üzenetet a csövön lekopogva, a vízvezeték elvezeti a hanghullámokat és szétsugározza a szomszédos helyiségekben. A refrakciós mérés során természetesen más típusú hullámok terjednek, de ez a példa szempontjából másodlagos.) A visszaérkező hullámokat a felszínen elhelyezett geofonok (a mikrofon speciálisan szárazföldi szeizmikus kutatásra kifejlesztett változatai) észlelik, és ezekből a regisztrátumokból a felszín alatti rétegek paraméterei számíthatók. A legfontosabb információ az, hogy a refraktált hullámok mennyi idő múlva érkeznek az egyes geofonpontokhoz, ez ugyanis attól függ, hogy milyen mélyen és mekkora sebességgel utaztak. A refrakciós mérések során észlelt ún. első beérkezések kiértékeléséből ily módon megismerhetjük a vizsgált réteghatár mélységét és a felette, illetve alatta található kőzetek sebességét. A módszer, jellegéből adódóan, csak azon réteghatárok leképezésére alkalmas, amelyek lefelé haladva hirtelen sebességnövekedéssel jellemezhetők. Mint már említettük, ilyen például a Pannon-medence viszonylag sekély, néhány kilométer mélységű medencerészein a medencealjzat, amelynek refrakciós kutatása az 50-es és 60-as években végzett szeizmikus kutatás egyik fontos feladatát jelentette. Alkalmatlan viszont a módszer a medencekitöltés rétegeinek finom (néhány tíz vagy száz méteres) felbontására, és sebességcsökkenéssel jellemzett réteghatárok kimutatására. Ezek vizsgálatára egy másik szeizmikus kutatás: a reflexiós szeizmika nyújt lehetőséget.
A reflexiós szeizmikus kutatás a visszhang jelenségével szemléltethető. E módszerrel azokat a hullámokat próbáljuk észlelni és vizsgálni, amelyek egy-egy réteghatárról visszaverődnek. A visszhanghoz hasonlóan a visszavert hullám annál később érkezik ismét a felszínre, minél mélyebben van a réteghatár, így a réteghatár mélységét a közben eltelt idő, az ún. kétutas futási idő mérésével jellemezhetjük. Azt kell tehát megmérni, hogy az egyes reflektált hullámok mennyi idő múlva érkeznek vissza a geofonokhoz. Ez legegyszerűbben úgy tehető meg, ha a robbantás után néhány másodpercig folyamatosan regisztráljuk a visszavert hullámokat. Az egyes geofonok által felvett szeizmikus csatornák időben egymás után tartalmazzák az egymás alatt elhelyezkedő réteghatárokról visszavert jelek összegét. Fontos kérdés az egyes réteghatárok elkülöníthetősége, amely a mérés felbontását határozza meg. Erre a későbbiek során még visszatérünk; most először nézzük meg, hogy milyen is egy szeizmikus szelvény. Jelenítsük meg egymás mellett a felszínen haladva egymás melletti pontokban felvett csatornákat! Ezzel már készen is van egy egyszerű változat, így készülnek az egycsatornás szeizmikus szelvények. Szép példa látható erre a Vizeink szeizmikus röntgenképe című részben. A szelvényt úgy jelenítjük meg, hogy felülről lefelé haladva (mintha a Földbe mennénk egyre mélyebbre) felrajzoljuk a csatornára egyre később érkező visszavert hullámokat, befeketítjük a pozitív részét (ez annál nagyobb, minél erősebb volt a reflexió a réteghatáron), és egymás mellé tesszük a felszínen haladva egymás mellett felvett csatornákat. Ezzel kirajzolódik a felszín alatti szerkezet időbe transzformált képe.
Reflexiós szeizmikus szelvény (balra fent) és a szelvény értelmezése (lent), ahogy az a Föld egy képzeletbeli metszetén látható volna
Jelentős áttörést jelentett a szeizmikus kutatásban a többcsatornás regisztráláson alapuló többszörös fedésű szelvények megjelenése. Ennek elvét a b) ábrán, egy 16 csatornás elvi példán mutatjuk be. Feltüntettük azokat a hullámutakat, amelyek a forrástól az egyes geofonokig vezetnek el úgy, hogy a hullámok az első két réteghatáron csak törést szenvednek, majd a harmadik réteghatáron egy részük visszaverődik, másik részük továbbhalad mélyebb tartományok felé. Természetesen minden akusztikus impedanciakontraszttal rendelkező réteghatárról verődnek vissza hullámok (így az első, a második és a harmadik utáni további réteghatárokról is), amelyek segítségével a megfelelő réteghatárok tanulmányozhatók. Ezek azonban az ábrán az egyszerűség kedvéért nem szerepelnek. Igen fontos, hogy mint az az ábrán is jól látható, az egyes geofonok a réteghatár más és más pontjáról visszavert hullámokat észlelik. Az, hogy melyik pontot (pontosabban a réteghatár mely kis darabját) látja az adott pontban elhelyezett geofon, a mérési geometriától, a robbantás-geofonpont távolságtól függ. Ideális esetben (vízszintes rétegzés és csak vertikálisan változó sebességek esetén) ez a pont mindig a robbantás és a geofon közötti felezőpont, az úgynevezett közös referenciapont vagy közös mélységpont. Ennek felismerése tette lehetővé a többszörös fedésű mérések tervezését. A robbantások és a geofonpontok előre megtervezett elhelyezésével ugyanarról a felületdarabról több különböző robbantás-geofonpont távolsággal gyűjtünk információt, majd ezeket az összetartozó csatornákat a feldolgozás során megfelelően rendszerezzük és összegezzük. Az összegzés során a koherens reflexiók erősítik egymást, így nő a szelvény jel/zaj aránya, a kapott kép tisztább lesz. A feldolgozás több fontos lépést foglal magában, és a számítástechnika fejlődésével újabb és újabb műveletekre nyílik lehetőség. Ezt kihasználva a geofizikusok az éppen leggyorsabb számítógépeknek adnak sokszor többhetes munkát egy-egy mérés feldolgozásával. Számolnivaló van bőven, amire ezek a csatornák képpé állnak össze.
Az ELGI olajipari kutatásoknál használt vibroszeiz forrásai (fent) és egy IVI típusú sekélyszeizmikus vibrátorforrás (lent)
A kialakuló szeizmikus szelvényt szemlélteti három dimenziós ábrapárunk (alul). A Földből „kihasított” kocka első oldalára felrajzoltuk a mért szelvényt, míg mellette bemutatjuk a szelvény értelmezése után kirajzolódó szerkezetet. Egy nagyon fontos dologról azonban nem szabad megfeledkeznünk! Mivel geofonjaink időben egymás után érkező jeleket észleltek, a kapott szelvény függőleges tengelyén is idő, a már említett kétutas futási idő szerepel. Hogy ehelyett mélységben ábrázolhassuk a szelvényt, ismernünk kell a felszín alatti rétegek sebességviszonyait. Így válik világossá, hogy mennyire fontos a sebesség ismerete, hiszen mi azt szeretnénk tudni, hogy milyen mélyen van a látott földtani szerkezet, nem pedig azt, hogy hány ezredmásodpercet vagy másodpercet utazott a hullám, mire visszaért a felszínre. Ez az ún. idő/mélység transzformáció a sebességtér ismeretében könnyen elvégezhető.
