走进石油:声波在岩石中能走多远

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地球物理学家的研究对象是地球,或是地球某个局部的岩石。科学家感兴趣的地球内部,是肉眼甚至通常的光学方法所不能及的。X光可以透视人体,用在实验室检查岩石薄片的结构也还可以,但要穿透大块的岩石就比较困难了。能对地球内部结构进行探测的工具,只有声波。

在地球内部传播的声波,叫做弹性波或地震波。实际上能在岩石中传播的是一种在弹性介质中传播的机械波或弹性波。地震波是由于在天然地震和人工诱发地震时能观察到的一种波。地震波的频率要比超声波的频率低得多。在医院用来检查人体的超声波由于频率高,携带的能量少,因此穿透人体还可以,但穿透不了岩石层。

虽然都是弹性波,为什么超声波穿透不了岩石层,而地震波能穿透岩石层呢?这里有两方面的原因,一是波携带的能量,二是波长。地震波和超声波都是介质的机械振动,这两种波在地层中的传播速度是相同的,但由于频率不同,波长也不相同。例如在地层中超声波和地震波的速度都是4000米/秒,但超声波的频率是20000次/秒,在岩层中的波长仅0.2米,而频率仅为2次/秒的地震波的波长达2000米,两者相差1万倍。

地震波是通过地震或人工爆炸产生的,能量远大于用人工方法产生的超声波。因此,能量弱、波长短的超声波在岩层中传播才几米就消耗殆尽,而能量大、波长长的地震波则可以穿越几十甚至几百千米的岩层,频率在1赫兹以下的地震波甚至可以穿透整个地球。通常频率为几十赫兹的地震波可在地层中穿透几十至几百千米,而声波测井所用的频率则是接近超声波的20000赫兹的信号,其在岩层中的传播距离仅几厘米至几十厘米。

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