Refraktionsseismik Refraktionsseismik
- Zweischichtfall
- Laufzeitdiagramme - Inversionsproblem
- Dreischichtfall - Geneigte Schicht - N-Schichtfall - Anwendungen
- Seismische Tomographie - Zweischichtfall
- Laufzeitdiagramme - Inversionsproblem
- Dreischichtfall
- Geneigte Schicht - N-Schichtfall - Anwendungen
- Seismische Tomographie
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Snapshots and Seismogramme:
Refraktierte Wellen
Snapshots and Seismogramme:
Refraktierte Wellen
Strahlen und Wellenfronten
Strahlen und Wellenfronten
Refraktionsprofil Refraktionsprofil
Geometrie des Reflexions/Refraktionsexperiments. Drei Phasen werden bei größeren Distanzen beobachtet: die direkte Welle, die reflektierte Welle und die refraktierte Welle.
i
Direkte Welle
Reflektion
Refraktion
Tiefe h
Δ
v
1v
2v
1< v
2Refraktionsexperiment:
Ankunftszeiten
Refraktionsexperiment:
Ankunftszeiten
/ v 1
t dir = Δ
2 2
1
) 2 / 2 (
v h
t refl = Δ +
2 2
1
cos 2
t v v
v i
t refr = h c + Δ = refr i + Δ
Direkte Welle
Reflektierte Welle
Refraktierte Welle
Zweischichtfall Laufzeitdiagramm Zweischichtfall Laufzeitdiagramm
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0
20 40 60 80 100 120
T I m
e (s)
Distance (km)
Refracted wave Direct wave
Reflected wave Intercept time
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0
20 40 60 80 100 120
T I m
e (s)
Distance (km)
Refracted wave Direct wave
Reflected wave Intercept time
h=30km v
1=5km/s v
2=8km/s
Dies würde einem einfachen Modell der Kruste und des oberen
Mantels entsprechen.
Kritische Distanz Überholdistanz Kritische Distanz
Überholdistanz
Die kritische Distanz Δ
cist die Entfernung, bei der die refraktierte Welle gemäß der Strahlentheorie erstmals beobachtet werden kann (tatsächlich wird sie wegen finitem Frequenzgehalt schon bei kleineren Entfernungen beobachtet). Die kritische Distanz ergibt sich aus
kritische Distanz
der kritische Winkel i
cist gegeben durch das Snellius Gesetz. Wenn wir die Laufzeit der direkten Welle mit der Laufzeit der refraktierten Welle gleichsetzen ergibt sich die
Überholdistanz
Die kritische Distanz Δ
cist die Entfernung, bei der die refraktierte Welle gemäß der Strahlentheorie erstmals beobachtet werden kann (tatsächlich wird sie wegen finitem Frequenzgehalt schon bei kleineren Entfernungen beobachtet). Die kritische Distanz ergibt sich aus
kritische Distanz
der kritische Winkel i
cist gegeben durch das Snellius Gesetz. Wenn wir die Laufzeit der direkten Welle mit der Laufzeit der refraktierten Welle gleichsetzen ergibt sich die
Überholdistanz
c c =2htani Δ
1 2
1
2 2
v v
v h v
u −
= + Δ
c c = 2 h tan i Δ
1 2
1
2 2
v v
v h v
ü −
= +
Δ
Das Inversionsproblem
Erdmodell aus Laufzeitkurven Das Inversionsproblem Erdmodell aus Laufzeitkurven
• Bestimme v
1aus der Steigung (1/ v
1) der direkten Welle
• Bestimme v
2aus der Steigung (1/ v
2) der refraktierten Welle
• Bestimme kritischen Winkel aus v
1und v
2.
• Lies Interzeptzeit t
iaus Laufzeitkurve der refraktierten Welle
• Bestimme Tiefe h mit oder
• Ermittle Überholdistanz aus Laufzeitkurve und bestimme h mit
• Bestimme v
1aus der Steigung (1/ v
1) der direkten Welle
• Bestimme v
2aus der Steigung (1/ v
2) der refraktierten Welle
• Bestimme kritischen Winkel aus v
1und v
2.
• Lies Interzeptzeit t
iaus Laufzeitkurve der refraktierten Welle
• Bestimme Tiefe h mit oder
• Ermittle Überholdistanz aus Laufzeitkurve und bestimme h mit
c i
i t h v
cos 2
=
11 2
1
2
2v v
v h v
ü
−
= +
Δ
Dreischichtfall Dreischichtfall
Refraction profile 3-layer case
i
12h1 Δ
Figure 3: Geometry of 3-layer refraction experiment.
v1
v2
v1< v2 < v3
v3
i
23i
13h2
Refraction profile 3-layer case
i
12h1 Δ
Figure 3: Geometry of 3-layer refraction experiment.
v1
v2
v1< v2 < v3
v3
i
23i
13h2
Wir brauchen Ankunftszeiten für
• Direkte Welle
• Refraktionen
Dreischichtenfall Ankunftszeiten Dreischichtenfall
Ankunftszeiten
2 2
2 1
12 1
2
cos 2
t v v
v i
t = h + Δ =
i+ Δ
1
1
/ v
t = Δ
3 3
33 2
23 1
13
sin sin 1
sin
v v
i v
i v
i = = =
3 3
3 2
23 2
1 13 1
3
3
cos 2
cos 2
t v v
v i h
v i
t h
iti
+ Δ Δ =
+ +
=
4 4 4
4 3 4
4 4
4 2 1
Direkte Welle
Refraktion in Schicht 2
mit ...
Refraktion in Schicht 3
Dreischichtfall Laufzeitkurven Dreischichtfall Laufzeitkurven
t
i2t
i31/v
11/v
21/v
3Figure 4: Travel-time diagram for the 3-layer case
t
i2t
i31/v
11/v
21/v
3Figure 4: Travel-time diagram for the 3-layer case
Das Inversionsproblem Dreischichtfall
Das Inversionsproblem Dreischichtfall
• Bestimme Geschwindigkeiten v
1-3aus Steigungen (1/v
1-3) der Laufzeitkurven
• Lies Interzeptzeit t
i2der Refraktion in Schicht 2.
• Bestimme Höhe h
1mit der Gleichung für t
2damit , where
• Lies Interzeptzeit t
i3der Refraktion in Schicht 3.
• Berechne mit h
1eine Zwischeninterzeptzeit t*
where
• Mit t
*berechne h
2der Schicht 2 mit
• Bestimme Geschwindigkeiten v
1-3aus Steigungen (1/v
1-3) der Laufzeitkurven
• Lies Interzeptzeit t
i2der Refraktion in Schicht 2.
• Bestimme Höhe h
1mit der Gleichung für t
2damit , where
• Lies Interzeptzeit t
i3der Refraktion in Schicht 3.
• Berechne mit h
1eine Zwischeninterzeptzeit t*
where
• Mit t
*berechne h
2der Schicht 2 mit
12 2 1 1 2cosi
t h v
i
=
2 1 12 arcsin
v i = v
1 13 3 1
* 2 cos
v i t h
t = i −
3 1 13 arcsin
v i = v
23
* 2 2
2 cos i
t h = v
3 2 23 arcsin
v i = v
12 2 1 1
2 cos i
t h v
=
i2 1 12
arcsin
v i = v
1 13 3 1
*
2 cos
v i t h
t =
i−
3 1 13
arcsin
v i = v
23
* 2 2
2 cos i
t h = v
3 2 23
arcsin
v
i = v
Geneigte Schicht Geneigte Schicht
Mit dieser asymmetrischen Anordnung benötigen wir
Schüsse von beiden Seiten um h
+und h
-zu bestimmen.
Geneigte Schicht Laufzeiten
Geneigte Schicht Laufzeiten
Δ +
=
− Δ +
=
Δ +
= + Δ
+
=
+ + +
+
−
− −
−
1 2 1
2 1
1
) 1 sin(
cos 2
) 1 sin(
cos 2
t v v
i v
i t h
t v v
i v
i t h
i c
c refr
i c
c refr
α
α
Geneigte Schicht Laufzeitkurven Geneigte Schicht
Laufzeitkurven
Inversionproblem Geneigte Schicht Inversionproblem Geneigte Schicht
• Bestimme Geschwindigkeiten v
1and v
2+/-aus den Steigungen der Laufzeitkurven.
• Bestimme α and v
2über:
• Lies Interzeptzeiten t
i+and t
i-aus den
Laufzeitkurven. Bestimme die Distanz von der Schichtgrenze mit
• Zeichne Kreise um die Schusspunkte mit Radius h
+/-und finde die Tangente dazu -> Schichtgrenze
+ +
−
−
=
−
⇒
=
−
= +
⇒
= +
2 1 2
1
2 1 2
1
arcsin )
sin(
arcsin )
sin(
v i v
v i v
v i v
v i v
c c
c c
α α
α α
α α α
α α
− =
− +
=
⇒
− = + +
2
) ( ) (
sin 2
) ( )
(
12
i i
i v v
i i i
c c
i t h v
i t h v
i i
cos 2
cos 2
1 1
+ +
−
−
=
=
c c
i t h v
i t h v
i i
cos 2
cos 2
1 1
+ +
−
−
=
=
Der n-Schicht-Fall Der n-Schicht-Fall
2 2
2 1
12 1
2
cos 2
t v v
v i
t = h + Δ =
i+ Δ
3 3 3
2 23 2
1 13 1
3
3
cos 2
cos 2
t v v
v i h
v i
t h
iti