في الواقع يوجد لدينا أربعة طرق جيوفيزيائية لاستكشاف باطن الأرض وهي .. 

1- الطريقة السيزمية Seismic .. 
2- الطريقة الكهربائية Resistivity . 
3- الطريقة التثاقلية Gravity . 
4- الطريقة المغناطيسية Magnetics . 


* * * * * * * * * *

أولاً / الطريقة السيزمية : 


وهي التي تعتمد على دراسة الموجات السيزمية 

وتنقسم إلى قسمين : 

1- انكسارية Refraction Seismology : وهذه الطريقة تعتمد على دراسة زمن أولى الموجات وصولاً وربطها بالمسافات بين المستقبلات التي تستقبلها ، أما بقية البيانات فلا نحتاج إليها في الطريقةالانكسارية ، من هذه الطريقة أستطيع التعرف على التغير في الصخور مع العمق ، كما أستطيع معرفة سرعة الموجات خلال مرورها بالأوساط المختلفة حيث تعتمد على معاملات المرونة elastic parameters لهذه الأوساط 

2- انعكاسية Reflection Seismology : وهذه تعتمد على تحليل الطاقة التي تصل بعد الحركة الأرضية الأولى وبصفة عامة فهذا التحليل يركز على دراسة الموجات المنعكسة ، يشبه الأمر دراسة الموجات الصوتية المنعكسة في أجهزة السونار . 
أيضاً هذه الطريقة تعطينا معلومات عن نفس الطبقة الصخرية التي تمر بها في حين ان الطريقة الانكسارية تعطينا معلومات عن الحدود الفاصلة بين الطبقات ومعاملات المرونة للطبقات .. 


وللطريقة السيزيمة عيوب ومميزات مقارنة بالطرق الجيوفيزيائية الأخرى أيضأً نفس الطريقتين السيزميتين بهما مميزات وعيوب مقارنة مع بعضها البعض .. 

مميزات الطريقة السيزمية وعيوبها مقارنة بالطريق الجيوفيزيائية الأخرى .. 

من مميزات هذه الطريقة أنها تعطينا تصور عما هو موجود تحت سطح الأرض وبذلك نستطيع من خلالها تحديد العمود الطباقي للمنطقة .. 
ولكونها تعتمد على انتشار الموجات في الصخور وحيث أن انتشار هذه الموجات يعتمد على معاملات المرونة للصخر فإننا نستطيع ومن حيث المبدأ تحديد هذه المعاملات .. 
وأيضا نستطيع الكشف عن الهيدوركربونات بواسة هذه الطريقة .. 

ومن مساويء هذه الطريقة .. 

أنها مكلفة جداً مقارنة بالطرق الجيوفيزيائية الأخرى .. 
وتيتطلب تحليل البيانات المستخلصة بهذه الطريقة وقتاً طويلاً بالإضافة إلى حاجة المحللين إلى أجهزة حاسوبية متطورة تكلف مبالغ طائلة .. 
أيضاً الأجهزر المستخدمة في تجميع البيانات مكلفة جداً وأغلى من الأجهزة المستخدمة في طريق الجوفيزيائية الأخرى ..


مقارنة سريعة بين الطريقتين السيزمية : الانعكاسية والانكسارية .. 

من مميزات الطريقة الانكسارية .. أننا نحتاج لأقل عدد ممكن من المصادر والمستقبلات ولذلك فهي رخيصة نسبياً في جمع البيانات في حين أن الطريقة الانعكاسية تحتاج لعدد أكبر من المصادر والمستقبلات لذلك فإن جمع البيانات بواسطة هذه الطرقة مكلف جداً .. 

وعند تحليل البيانات فإن تحليل البيانات الانكسارية أسهل من تحليل البيانات الانعكاسية حيث أننا نعتمد في تحليل البيانات الانكسارية على زمن وصول أول موجة في حين أن تحليل البيانات الانعكاسية يعتمد على الجزء المتبقي من الطاقة كما انها تحتاج إلى أجهزة حاسوبية متطورة وعدد كبير من الخبراء لذلك فهي تكلف الكثير ( عالية التكلفة ) ... 

أما عن مساويء الطريقة الانكسارية فيجب أن تكون المسافة بين المصدر والمستقبلات كبيرة بعض الشيء حتى نتمكن من استقبال البيانات .. في حين أننا لانحتاج هذه المسافة عندما نجمع البيانات بواسطة الطريقة الانعكاسية .. 

أيضاً من مساويء الطريقة الانكسارية أنها لا تعمل إلا إذا كانت السرعة تزداد مع العمق .. في حين أن الطريقة الانعكاسية تعمل في جميع الأحوال .. 

ونلاحظ أيضاً أن الطريقة الانكسارية تترجم لنا ماهية الطبقات الموجودة في الأسفل هذه الطبقات من الممكن أن تكون عميقة جداً وغير مستوية .. في حين أن البيانات الانعكاسية يمكن أن تكون مترجمة بسهولة أكثر من ناحية علم الطبقات

وقبل أن تحدث عن الموجات المستخدمة في الاستكشاف السيزمي سأحدثكم عن الموجات وطبيعتها ... 

ماذا يحدث لو قذفنا بحجر صغير في وسط بحيرة ..؟ 

ستبدأ الموجات بالانتشار على سطح البحيرة على شكل حلقات ...

لو أخذنا مقطع عرضي لهذه الحلقات وأوقفنا الزمن بالنسبة لها فأسمي المسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين بالطول الموجي wavelength وتعرف المسافة بين خط انتشار الموجة وحتي قمة الموجة أو قاعها بسعة الموجة ( لاحظ الشكل التالي ) 


أما لو قمنا بتثبيت الموقع بالنسبة لحركة الموجات على سطح البحيرة فستعبر المسافة بين القمتين المتتاليتين أو القاعين المتتاليين عن الزمن الدوري 




وهناك علاقة بين سرعة هذه الموجات وطولها الموجي والزمن الدوري لها حيث أن : 

C=λ\T حيث أن 
C = السرعة .
λ = الطول الموجي .
T = الزمن الدوري .


وأيضاً هناك علاقة بين التردد ƒ والزمن الدوري T حيث أن التردد يساوي مقلوب الزمن الدوري و وحدته 1\ثانية أو هيرتز Hertz (Hz)



وبعد ان تعرفنا على الموجات آن الأوان حتى نتعرف على الموجات السيزمية ...

تنقسم الموجات السيزمية إلى قسمين وهي : 

1- الموجات الجسمية Body Waves : 

وهذه هي الموجات التي تسري في باطن الأرض .. 
نحن نعلم أن الموجات تنطلق بسرعة ثابتة مالم تتغير معاملات المرونة للوسط الذي تسري فيه كما أنها تنتشر في جميع الاتجاهات بعيداً عن المصدر .. من ذلك نستنتج أن الموجات السيزمية وعند أي لحظة تعطي شكلاً كروياً عند انتشارها في وسط متجانس homogeneous 



وتنقسم الـ Body waves إلى نوعي .. 

* الموجات الأولية primary waves : وتعرف باسم P Waves وسميت بهذا الاسم لأنها لكونها الأسرع ولذلك فهي أولى الموجات وصولاً ، ويعود سبب سرعتها إلى أنها تسلك سلوكاً بسيطاً حيث تتحرك فيها الجزيئات في نفس خط انتشار الموجة وتشبه هذه الموجات الموجات الصوتية حيث أنها تنتشر في الهواء وفي الماء أيضاً .


* الموجات الثانوية secondary waves : وتعرف باسم S Waves وهي أبطأ من الموجات الأولية حيث تتحرك فيها الجزيئات عمودياً على خط انتشار الموجة ولا تنتشر إلا في الأوساط الصلبة فقط ..

- الموجات السطحية :

وهي الموجات التي تسري على سطح الأرض فقط .. ولو نلاحظ أن سعة الموجة amplitudes للموجات السطح يكون كبير جداً على السطح ويصغر كلما اتجهنا إلى العمق لذلك فإن هذه الموجات تضمحل أسياً مع العمق .. أيضاً تضمحل هذه الموجات كلما ابتعدنا عن المصدر .. وتعتبر هذه الموجات أقل سرعة من الموجات الثانوية ونستطيع التقليل من هذه الموجات بدفن المصادر في الأرض .. وتوضح الصورة التالية مقطع عرضي لانتشار الموجات السطحية .. 

وكما هو الحال مع الموجات الجسمية فإننا نستطيع تصنيف الموجات السطحية إلى نوعين هما : موجات رالي Rayleigh waves وموجات لوف Love waves ويختلفان عن بعضهما في طريقة حركة الجزيئات ... ولسنا هنا لتفصيل الاختلاف بينهما المهم في الأمر أن هذه الموجات تعتبر مصدر تشويش وإزعاج على الاستكشاف السيزمي لذلك فهي غير مرغوب فيها وكما ذكرنا سابقاً فإننا نستطيع التقليل منها بدفن المصادر في الأرض .
وبعد أن تعرفنا على أنواع الموجات السيزمية سأنتقل بكم الآن للتعرف على مصطلحين جديدين هما Wavefronts and Raypaths 

هذان المصطلحان يعبران عن عنصرين مهمين في عالم السيزمية حيث أن أي تغير في سلوكهما يدل على حدوث أمر ما أو تغير في الوسط الذي تنتقل فيه الموجات وتستطيعون مشاهدتهما من خلال الصورة التالية ... 



أولاً \ Raypaths ...

وهي عبارة عن عدد لا نهائي من الخطوط الوهمية التي تمثل انتشار الموجات خلال الوسط وفي الصورة التي بالأعلى استخدمنا عدد بسيط من هذه الخطوط التي يمكن استخدامها جميعها ...

ثانياً \ Wavefront ...

وهو الخط الذي يصل بين نقاط الموجات التي لها نفس السلوك وعند زمن محدد ... وفي الصورة التي بالأعلى نلاحظ أن الـ Wavefront اتخذ الشكل الكروي أو الدائري ... ونلاحظ أيضاً أن خطوط ال Raypaths تكون عمودية على خط الـ Wavefront 


في هذه المثال نلاحظ مدى بساطة ال Raypaths حيث أنه ينتشر في وسط متجانس ,,, 
لكن ماذا سيحدث لهذا ال Raypaths لو بدأنا بتطبيقه على النماذج الأرضية المعقدة حيث تختلف الأوساط وسرعاتها ..؟

... لكن ماذا سيحدث لخطوط الـ Raypaths إذا أصبحت الموجات تسري ضمن الطبقات الأرضية باختلاف سرعاتها ...

لاحظوا النموذج التالي ...

في هذا النموذج يتوضح لنا طبقتين صخريتين سرعة الطبقة الأولى 5000 متر \ ثانية وسمكها 150 متر وسرعة الطبقة الثانية 1000 متر \ ثانية وسمكها 100 متر ... 

فكيف ستتصرف خطوط الـ Raypaths عند سريان الموجات خلال هذه الطبقتين ..؟ 


عند انطلاق الموجات من المصدر ( النقطة الحمراء ) وانتشارها خلال الطبقة الأولى ستسلك خطوط الـ Raypaths نفس السلوك الذي سلكته في السابق حيث أنها لا زالت تسري في وسط متجانس ,,, دعونا نرى كيف ستتصرف الموجات بعد مرور 25 ملي ثانية من انطلاقها من المصدر وبعد مرور 50 ملي ثانية وبعد مرور 75 ملي ثانية ..

الآن بدأ الموجات في الوصول إلى الحد الفاصل بين الطبقتين على عمق ( 150 متر ) لاحظوا ما سيحدث .. 

وااو بعد مرور 75 ملي ثانية بدأت الموجات بالتفاعل مع السطح الفاصل بين الطبقتين لكن ما نتيجة هذا التفاعل ..؟ 

جزء من الموجات استطاع اختراق السطح الفاصل منكسراً وهذا هو الجزء المستخدم في الدراسات الانكسارية ، وجزءً آخر انعكس مرتداً عن السطح الفاصل وهذا هو الجزء المستخدم في الدراسات الانعكاسية والجزء الثالث استمر في سريانه خلال الطبقة الأولى دون أن يتفاعل مع السطح الفاصل بين الطبقتين ويعرف باسم الموجات المباشرة direct wave .. 

ومما سبق نلاحظ التالي : 

1- أن نصف قطر الـ Wavefront قد تغير عند وصول الموجات إلى الحد الفاصل بين الطبقتين .
2- أن الطول الموجي لأولى الموجات المنكسر أقصر من الطول الموجي للموجات المباشرة .. 

لكن كيف عرفنا أن الطول الموجي قد تغير مع العمق وأصبح الطول الموجي للموجات المنكسرة أقصر من الطول الموجي للموجات المباشرة ...

حتى نجيب على هذا التساؤل يجب علينا أن نعود ونسترجع أحد الردود السابقة حيث ذكرنا العلاقة بين الطول الموجي والزمن الدوري وسرعة الموجات ... 

فقلنا أن C=λ\T حيث أن :
C = السرعة .
λ = الطول الموجي .
T = الزمن الدوري .

فإذا قمنا بتثبيت الزمن الدوري فإنه ومن المؤكد ومع انخفاض لسرعة فإن الطول الموجي للموجة سوف يقصر ... 

الأمر الآخر هو تغير نصف قطر الـ Wavefront فهذا التغير يدل على وجود تغير في اتجاه خطوط الـ Raypaths ويصف لنا قانون سنل Snell's Law ..

كيف وصف قانون سنل تغير اتجاه انتشار الموجات ...؟ 
القانون الذي يصف لنا تغير اتجاه خطوط الـ Raypaths هو قانون سنل Snell's Law ..


فما هو هذا القانون ..؟ 


يوضح لنا قانون سنل العلاقة بين سرعات الموجات وزوايا سقوطها وانكسارها ..

في العادة تميل خطوط الـ Raypaths إلى الانتشار في خطوط مستقيمة مادامت تسري في وسط متجانس .. 

لكن لو بدأت هذه الخطوط في التفاعل مع الحدود الفاصلة بين الطبقات فإنها ستبدأ بتغيير اتجاه مساراتها حسب قانون سنل .. 

ويصف قانون سنل الطريق الذي تسلكه خطوط الـ Raypaths عند نقطتين ثابتتين وهي نقطة سقوط الموجات على السطح الفاصل ثم نقطة انكسارها بعد عبورها الوسط الفاصل .. 

في حالتنا هذه والتي ذكرناها في الرد السابق تسير خطوط الـ Raypaths في وسط عالي السرعة V1 منتقلة إلى وسط منخفض السرعة V2 ، الزاوية بين العمودي على الحد الفاصل للطبقة وشعاع الـ Raypaths الساقط هي زاوية السقوط i1 والزاوية بين العمودي على الحد الفاصل بين الطبقتين وشعاع الـ Raypaths المنكسر هي زاوية الانكسار i2 ...

وهذا هو نص الرياضي للقانون سنل والذي يربط بين المعاملات السابقة ... 



في المثال الموجود لدينا وبما أن السرعة تقل مع العمق فإن زوايا السقوط عادة تكون أكبر من زوايا الانكسار وهذا ما وضحه لنا خط الـ Wavefront كما في الصورة التالية .. 



حيث أن تقوس الـ Wavefront في الطبقة الأولى أكبر من تقوسه في الطبقة الثانية ، ولكن ماذا سيحدث لو كانت السرعة تزداد مع العمق ( V2 > V1 ) كما سيأتي معنا لاحقاً .. ؟ يتوقع قانون سنل أن تكون زوايا السقوط أصغر من زوايا الانكسار حيث يظهر تقوس الـ Wavefront في الطبقة الثانية أكبر من تقوسه في الطبقة الأولى .. 

أيضاً يستطيع قانون سنل أن يتوقع لنا قيم زوايا الانعكاس وذلك بوضع V2=V1 حيث أن شعاع الـ Raypaths سيكون في نفس الطبقة في هذه الحالة ستكون قيمة زاوية السقوط مساوية لقيمة زاوية الانعكاس وهذا ما وضحه لنا خط الـ Wavefront في الصورة التي بالأعلى ,,, 

ملاحظة أخيرة : توضح الصورة السابقة خطوط الموجات المنكسرة والمنعكسة والمباشرة وجميعها موجات جسمية Body waves ، ولو كنا نضع المستقبلات على سطح الأرض فإننا سنستقبل فقط الموجات المنعكسة والمباشرة أما الموجات المنكسرة فإنها قد تغلغلت في العمق ولن نستطيع استقبالها على السطح .. لهذا السبب ذكرنا سابقاً أن الطريقة الإنكسارية لا تعمل إذا كانت السرعة تقل مع العمق .. 
ومما سبق عرفنا كيف أن قانون سنل هو الذي يفسر لنا كيف تغير خطوط الـ Raypaths اتجاهها وذلك بربط السرعات مع الزوايا .. 


لكن ما الذي يتحكم في سرعة انتشار الموجات عبر الأوساط المختلفة ,,؟ 


...
لاحظنا كيف أن الموجات تنتشر بسرعات مختلفة في باطن الأرض ومن خلال الطبقات ... 

ونحن على السطح نقوم باستقبال هذه الموجات بسرعاتها المختلفة كما استقبلنا الموجات المنعكسة في الرد السابق .. 

لذلك وجب علينا أن نعرف ما علاقة سرعة الموجات بالمعاملات الفيزيائية للصخور والتربة التي تمر من خلالها لأننا أولاً وأخير سنستفيد من هذه الموجات في معرفة ما تحت سطح الأرض ,,,


لو افترضنا أنه يوجد لدينا وسط متجانس homogeneous, isotropic فإن سرعة الموجات الأولية P wave والموجات الثانوية S wave ستعطى بالعلاقات التالية ... 



حيث أن
Vp : سرعة الموجات الأولية .
Vs : سرعة الموجات الثانوية 
ρ : كثافة الوسط density of the medium 
μ : معامل القص Shear Modulus 
κ : المعامل الحجمي Bulk Modulus 


ويعرف كلاً من معامل القص والمعامل الحجمي باسم معاملات المرونة elastic parameters .. فما هي هذه المعاملات ..؟ والتي كما لاحظنا من القانون السابق أن لها دور كبير في التحكم بسرعة الموجات ..

أولاً \ معامل الحجم Bulk Modulus :


والذي يعرف أيضاً باسم the incompressability of the medium ...
تخيل أنه يوجد بين يديك مكعب من مادة ما .. وقمت بالضغط على هذا المكعب وأثرت عليه بقوى من جميع الجهات .. كما في الشكل التالي : 



فإذا انضغط المكعب بكل سهولة وتغير حجمه فإن المعامل الحجمي له صغير مقارنة بمكعب صلب لا ينضغط بسهولة حيث يكون المعامل الحجمي له كبير .. مثال : المعامل الحجمي للغازات صغير جداً أما المعامل الحجمي للمواد الصلبة كبير جداً حيث أننا وسهولة يمكننا أن نضغط مكعب من الغاز إلا أنه ومن الصعوبة من المكان أن تضغط على مكعب من الخشب وتصغر من حجمه ... 

ثانياً \ معامل القص Shear Modulus : 


ويصف هذا المعامل مدى صعوبة تشويه المادة تحت تأثير قوة قصية .. مثال : أحضر مكعباً من مادة ما وليكن من الخشب مثلاً وضعه على سطح طاولة ما وقم بتثبيته عليها .. ثم أثر على السطح العلوي للمكعب بقوة اتجاهها موازٍ لسطح الطاولة ، عندها سيتشوه المكعب ويظهر على شكل متوازي أضلاع كما في الشكل التالي 



معامل القص يدل على مقدار القوة التي استعملتها لتشويه المكعب فلو كانت القوة كبيرة فإن معامل القص للمكعب كبير جداً وإذا كانت القوة بسيطة فإن معامل الفص صغير جداً ,,,

لاحظ أن معامل القص لا يدعم المواد السائل والغازية حيث انه من المستحيل التأثير عليها بقوة قص .. 

وبملاحظتنا للقانون الموضح في الأعلى فإن الموجات الثانوية لا تسري في الأوساط السائلة والغازية لأن قيم معاملات القص لها تساوي صفر وسرعة الموجات الثانوية تعتمد على معاملات القص فقط ...

ومما سبق نعلم أن أي تغير في قيم المعاملات الفيزيائية للوسط ( معامل القص ، المعامل الحجمي ، والكثافة ) يؤدي إلى تغير سرعة الموجات المارة في الوسط .. 
مثال \ لو انتقلت الموجات من طبقة رملية غير مشبعة إلى طبقة أخرى مشبعة فإنه وبكل تأكيد ستتغير سرعة الموجات نتيجة لهذا الانتقال .. ويتحكم في ذلك كثافة الطبقة والمعاملات الحجمية لها .. حيث أن المسامات التي كانت مملوءة بالهواء أصبحت مملوءة بالماء ولو نلاحظ أن قيمة المعامل الحجمي للماء أكبر من قيمة المعامل الحجمي للهواء .. وفي الواقع أن المعامل الحجمي هو العامل المتحكم في هذا المثال لذلك نجد أن التغير في سرعة الموجات الأولية يكون أكبر من التغير في سرعة الموجات الثانوية ..



...
كانت لدينا مجموعة من الأمثلة عن انتشار الموجات من المصدر إلى باطن الأرض حيث تكون الطبقات التي في الأعلى عالية السرعة في حين أن الطبقات التي في الأسفل منخفضة السرعة ... 

وفي هذه الحالة كنا نستقبل على سطح الأرض الموجات المباشرة والمنعكسة فقط في حين أن التجربة كان يتولد عنها موجات منعكسة ومنكسرة ومباشرة ...إذن ماذا سيحدث لو كانت الطبقات المنخفضة السرعة في الأعلى والطبقات العالية السرعة في الأسفل .. ؟ ( كما في الصورة التالية ) 


سنستعرض فيما يلي كيفية تصرف الموجات والسلوك الذي ستسلكه بعد 65 و 80 و 110 ملي ثانية .. 









نلاحظ أن الصورة السابق تشبه تلك التي تحدثنا عنها عندما كانت الطبقات عالية السرعة فوق الطبقات المخفضة السرعة باستثناء تقوس الـ Wavefront حيث أن تقوس خط الـ Wavefront للموجات المنكسرة أشد من تقوس خط الـ Wavefront للموجات المباشرة في حين كان تقوسه في المرة السابقة أشد في الموجات المباشرة من الموجات المنكسرة ، من ذلك نستنتج أيضاً أن الطول الموجي للموجات قد اختلف عما أخذناه في السابق حيث أن الطول الموجي للموجات المنكسرة أصبح أكبر من الطول الموجي للموجات المباشرة .. 

لو دققنا النظر في الأشكال السابقة سنلاحظ أنه ومنذ 0 إلى 70 ملي ثانية كانت الموجات تسري في الطبقة العلوية وعند 80 ملي ثانية بدأت بالتفاعل مع الحد الفاصل بين الطبقتين حيث ارتد جزء من الموجات عن السطح الفاصل وهي الموجات المنعكسة والجزء الآخر اخترق الحد الفاصل وهي الموجات المنكسرة ... 

وإذا سمحنا للموجات بالانتشار أكثر داخل هاتين الطبقتين ستحدث لدينا ظاهرة مثيرة للغاية توضحها الصورة التالية .. 


في الصورة السابقة نلاحظ أن جزء من الموجات المنكسرة قد انتشر خلال الطبقة السفلية موازياً للحد الفاصل بين الطبقتين .. كذلك جزء من الموجات المباشرة انتشر ومن خلال الطبق العلوية موازياً للحد الفاصل بين الطبقتين .. ومع مرور الوقت تبدأ الموجات المنكسرة في الظهور في الطبقة الأولى منتج موجد جديدة تعرف باسم الموجات الرأسية Head waves ... 

هذه الظاهرة لم تكن موجودة عندما كانت الطبقات العالية السرعة في الأعلى والسبب أن الموجات المنكسرة لم تكن لتنتشر بشكل موازي للحد الفاصل ولا كان لتظهر في الطبقة العلوية .. وقد ظهرت في حالتنا هذه بسبب التناسب بين انتشار الموجات المنكسرة والمنعكسة والمباشرة وتحركها بشكل أفقي في الطبقة العلوية ... 

وعند استقبالنا لهذه الموجات على سطح الأرض ستستقبل أجهزتنا الموجات المباشرة أولاً تليها الموجات المنعكسة .. هذا إذا كانت المسافات قصير بين المصدر والمستقبل .. 

أما لو وضعنا المستقبلات على مسافات بعيدة عن المصدر فعند مسافة ما سوف تبدأ المستقبلات في استقبال الموجات المنكسرة ( الرأسية ) قبل الموجات المباشرة والمنعكسة ..

إذن وفي حالة ما إذا كانت السرعة تزيد مع العمق فإن المستقبلات ستستقبل الموجات المباشرة أولاً إذا كانت المسافة بين المصدر والمستقبلات قصيرة أم لو كانت المسافة بين المصدر والمستقبلات كبيرة فإن الأجهزة ستستقبل الموجات الرأسية Head waves أولاً وهذا هو الأساس في المسح بالطريقة السيزمية الإنكسارية ... 

لكن ماهي الموجات الرأسية والتي تعتبر الأساس للطريقة السيزمية الانكسارية فكيف ظهرت وماهي مميزاتها ..؟



...

تعرفنا على نموذج بسيط يبين كيف ستتصرف الموجات إذا كانت السرعة تزيد مع العمق .. ولاحظنا وجود الموجات المباشرة والمنعكسة بالإضافة إلى الموجة الرأسية .. 

في عمليات المسح السيزمي الإنكسارية نهتم بدراسة زمن أولى الموجات وصولاً بالإضافة إلى المسافات بين المصادر والمستقبلات .. 

وفي الطريقة الإنكسارية تكون أولى الموجات وصولاً هي الموجات المباشرة أو الموجات الرأسية .. 

إذن سنهتم بدراسة زمن وصول هاتين الموجتين ..


إن حساب زمن وصول الموجات المباشرة بسيط نسبياً فهو عبارة عن المسافة الأفقية بين المصدر والمستقبل مقسومة على السرعة .. 

ولحساب زمن وصول الموجات الرأسية فإننا نحتاج أولاً إلى معرفة الطريق الذي تسلكه هذه الموجات ... 

ويمكن أن توضح لنا خطوط الـ raypath الطريق الذي تسلكه الموجات الرأسية بالتعاون مع قانون سنل ... 

نحن نعلم أن خطوط الـ Raypaths تكون عادة عمودية على الـ Wavefronts وفي الصورة التالية قمنا برسم ثلاثة من خطوط الـ Raypaths الخارجة من الطبقة السفلية إلى الطبقة العلوية مروراً بالحد الفاصل بين الطبقتين وسنرمز للزاوية بين هذه الخطوط والعمودي على الحد الفاصل بالرمز ic 



ولو قمنا باستبدال ic مكان i1 في قانون سنل وبالطبع ستكون قيمة i2 تساوي 90 درجة .. سنستطيع عندها حساب زاوية السقوط التي تكون عندها زاوية الانكسار تساوي 90 درجة وتسمي زاوية السقوط هذه باسم الزاوية الحرجة critical angle وهذه هي زاوية سقوط الـ Raypaths الممثل للموجة الرأسية .. 

باختصار شديد فإن السلوك الذي تسلكه الموجات الرأسية والذي وضحته لنا خطوط الـ Raypaths يتمثل في الآتي انطلاق الموجات من المصدر و مرورها خلال الطبقة الأولى وبسرعة الطبقة الأولى ثم تسقط بزاوية حرجة على الحد الفاصل بين الطبقتين وتنكسر لتسري أفقياً في الطبقة الثانية وبسرعة الطبقة الثانية ثم تعود إلى الطبقة الأولى وتمر من خلالها بسرعتها لتستقبلها المستقبلات على السطح .. 

وبالرغم أن الموجات الرأسية تسافر عبر مسافة أطول من تلك التي تقطعها الموجات المباشرة direct arrival إلا أنها تصل قبلها في بعض المسافات والسبب في ذلك أنها تزيد من سرعتها خلال مرورها في الطبقة الثانية ولذلك فإننا نسجلها أحياناً قبل أن نسجل الموجات المباشرة ... 


فكيف تتم عملية تسجيل البيانات ..؟ 
تسجيل الحركات الأرضية ... 


حتى الآن عرفنا كيف تنتشر الموجات في باطن الأرض وكيف تتفاعل مع الحدود الفاصلة بين الطبقات ... فالبعض منها ينطلق عبر الطبقة الأولى دون أن يتفاعل مع الحد الفاصل ، والبعض الآخر ينعكس مرتداً عن الحد الفاصل والبعض الآخر يعبره منكسراً وعائداً إلينا على شكل موجات رأسية ... 

ولكم كيف نسجل هذه الموجات ...؟ 


من المعلوم لدينا أن الموجات تنتشر في جميع الاتجاهات ولكننا وللأسف الشديد لا نستطيع تسجيلها كلها .. ولذلك فإننا نكتفي بتسجيل تلك الموجات التي تصل إلينا على السطح وفي منطقة محددة ...

وفي الواقع أن ما نسجله هو عبارة عن الحركات الأرضية الناشئة عن الموجات التي قمنا بإصدارها ... 

ونستطيع أن نستقبل هذه الحركات بواسطة as seismometers أو geophones وسنتحدث عن هذه الآلات بالتفصيل لاحقاً ...

وخلاصة القول اننا نستطيع تسجيل ودراسة الحركات الأرضية الناتجة عن مصادرنا الزلزالية ونستقبلها على الشكل التالي : 




وفي هذا الشكل مثل المحور الأفقي التغير في الزمن مع انتشار الموجات ويمثل المحور القائم ( الصادي ) التغير في الطول الموجي للموجة .. 

أما الخط المتعرج فهو يمثل الحركة الأرضية ويطلق عليه اسم seismogram ...

في الشكل الموجود لدينا نلاحظ أن أول تغير في خط الـ seismogram تم عند 100 ملي ثانية تلاه تغير آخر حدث بعد 150 ملي ثانية .. 

هذه التغيرات تدل على بداية استقبال الموجات .. ولكن ماهي هذه الموجات ... ؟ 


فنحن نعلم أن الموجات المباشرة هي أولى الموجات وصولاً إلا أنه وفي بعض الأحيان تكون الموجات الرأسية هي أولى الموجات وصولاً .. 

فكيف أستطيع تحديد نوع الموجة المُستقبَلة ...؟


من المستحيل معرفة طبيعة الموجة المستقبلة من خلال قراءة واحدة فأنا أحتاج للعديد من القراءات لتحديد نوع هذه الموجات .. 

لذلك نقوم بعمل مجموعة من القراءات المختلفة وفي نفس الوقت ونقوم بوضعها على الصورة التالية .. 



وفي هذا الشكل يمثل المحور الأفقي المسافة بين المصدر والمستقبلات .. ويمثل المحور الرأسي التغير في الزمن مع انتشار الموجات ... 

ويمثل كل خط من خطوط الـ seismogram الحركة الأرضية التي استقبلها المستقبل الموجد عند نفس الموقع .. مثال / الخط الموجود على بعد 200 متر من المصدر يمثل الحركة الأرضية التي استقبلها المستقبل الموجود عند 200 متر .. وهكذا .. بعد ذلك قمنا بجمع جميع البيانات التي استقبلناها ووضعناها على الشكل الذي ترونه بالأعلى والذي يعرف باسم shot records .. 

ومن مميزات وضع البيانات بهذا الشكل أنه سياعدنا على تحديد زمن أولى الموجات وصولاً بالإضافة إلى المسافات التي نستقبل عندها هذه الموجات .. .

لو نلاحظ أنه كلما ابتعدت المسافة عن المصدر كلما تأخر زمن وصول الموجات .. هذا الاختلاف في الوقت مقابل المسافة يسمى moveout 

وإذا كان التغير في الـ moveout كبير فإنه سيظهر على الـ shot records على شكل خط شديد الميل في حين إذا كان التغير صغير فسيظهر على شكل خط بسيط الانحدار .. 

كيف نستطيع تحديد أنواع الموجات بواسطة الـ shot records ... ؟



كيف نستطيع تحديد نوع الموجات من الـ shot records ؟؟؟ 


لاحظ الشكل التالي .. 



كما ذكرنا سابقاًً أن الموجات المباشرة ستكون أولى الموجات وصولاً وبالذات عند المستقبلات القريبة من المصدر ... 
وتظهر هذه الموجات على shot records بطول موجي عالي ويكون الـ moveout لها كبير وثابت ... 

في المثال الموجود لدينا يمتد الخط المستقيم الممثل direct arrival حتى مسافة 275 متر من المصدر .. 

وبعد 275 متر يظهر لدينا خط ، الطول الموجي له قصير بعض الشيء والـ moveout صغير وثابت وميل هذا الخط أقل بكثير من ميل خط الـ direct arrival ..

أيضاً يوضح لنا الـ shot records أن آخر الموجات وصولاً وعند جميع النقاط هي الموجات المنعكسة reflected arrival ... 

ونلاحظ ان الـ moveout للـ reflected arrival غير ثابت حيث يساوي صفر عند المصدر وتقترب قيمته من الـ direct arrival على بعد مسافات كبيرة من المصدر .. 

وعند رسم العلاقة بين زمن أولى الموجات وصولاً مع المسافات بين المصدر والمستقبلات يطلق على الشكل اسم travel-time curves ويظهر على الصورة التالية .. 



ونستطيع من خلال الشكل السابق تحديد الـ first arrival عند كل نقطة استقبال .. فلو نلاحظ أن الـ first arrival من المصدر وحتى مسافة 275 متر يمثل الـ direct wave أما بعد الـ 275 متر فإن الـ first arrival يمثل head wave إن تحديد الـ first arrival ليس بهذه السهولة دائماً .





الآن ننتقل لجزء مهم في الاستكشاف السيزمي بالطريقة الانكسار ... 

سنأتي بالـ travel-time curve ونركز على أولى الموجات وصولاً ، بمعنى آخر نحدد نوع أولى الموجات التي استقبلتها المستقبلات .. 


فهذا هو لب الطريقة الانكسارية التركيز على زمن أولى الموجات وصولاً وربطها بالمسافة بين المستقبلات و المصدر وسيظهر الـ Plotting كما في الشكل التالي ..



في الطريقة الانعكاسية راح نلاحظ ان الموجات تتغلغل إلى العمق لذلك فالزمن يتغير بتغلغل الموجات إلى أسفل ثم ارتدادها ... 
أما في الطريقة الانكسارية فالموجات تنكسر وتعود إلينا مرة اخرى فلذلك التغير في الزمن يكون مع صعود الموجات إلى أعلى ... 
وعلى هذا الافتراض قمنا بتغيير الشكل السابق على اعتبار ان الزمن يتغير كلما اتجهنا إلى أعلى على الصورة التالية ... 



وفي الواقع انه لا يوجد فرق بين الشكلين السابقين إلا أننا سنستخدم النموذج الذي يتغير فيه الوقت كلما اتجهنا إلى أعلى .. 

وفي الشكل السابق نلاحظ أن الـ travel-time curve وضح لنا زمن وصول أولىالموجات بخطين مستقيمين متقاطعين .. 

الخط الأخضر يمثل وصول الموجات المباشرة direct arrival والخط الأحمر يمثل وصول الموجات المنكسرة refracted arrival ..

ونستطيع التميز بين الخطين بواسطة اختلاف ميل كل منهما .وتسمى النقطة التي يتقاطع عندها الخطين باسم crossover distance . وبعد هذه النقطة تبدأ الموجات المباشرة بالاختفاء لتكون الموجات المنكسرة هي أولى الموجات وصولاً ...