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走进石油:声波在 岩石中能走多远

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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