地震波動力學(xué)-折射波

1、1第一章第一章 地震波的運(yùn)動學(xué)地震波的運(yùn)動學(xué)第二節(jié)第二節(jié) 一個(gè)界面情況下反射波的時(shí)距曲線一個(gè)界面情況下反射波的時(shí)距曲線 第一節(jié)第一節(jié) 地震波的基本概念地震波的基本概念 第三節(jié)第三節(jié) 地震折射波運(yùn)動學(xué)地震折射波運(yùn)動學(xué) 第四節(jié)第四節(jié) 多層水平反射波時(shí)距曲線多層水平反射波時(shí)距曲線 第六節(jié)第六節(jié) 透射波和反射波時(shí)距曲線透射波和反射波時(shí)距曲線 第五節(jié)第五節(jié) 連續(xù)介質(zhì)中地震波的運(yùn)動學(xué)連續(xù)介質(zhì)中地震波的運(yùn)動學(xué) 2二、折射波的形成和傳播規(guī)律二、折射波的形成和傳播規(guī)律 1）當(dāng)波從介質(zhì)1傳到介質(zhì)2，兩種介質(zhì)的阻抗不同時(shí)，在分界面上會產(chǎn)生透射和反射，且滿足斯奈爾定律。2）當(dāng)V2V1時(shí)，透射角大于入射角。當(dāng)入射角達(dá)到

2、臨界角臨界角C，時(shí)透射角達(dá)到90度，這時(shí)波沿界面滑行，稱滑行波滑行波。3）滑行波是以下層的介質(zhì)速度V2傳播。1、折射波形成的條件、折射波形成的條件4）由于兩種介質(zhì)是密接的，為了滿足邊界條件，滑行波的傳播引起了上層介質(zhì)的擾動，在第一種介質(zhì)中要激發(fā)出新的波動，即地震折射波地震折射波。35)折射角等于臨界角折射角等于臨界角，即折射波的射線和分界面的法線之間的夾角等于臨界角c ，可用惠更斯原理證明。二、折射波的形成和傳播規(guī)律二、折射波的形成和傳播規(guī)律 4 理解折射波形成的關(guān)鍵是：1)當(dāng)入射角在臨界角以內(nèi)臨界角以內(nèi)，在界面上每一點(diǎn)都同時(shí)有三個(gè)波出現(xiàn)(入射波，透射波，反射波)，不需要在第一種介質(zhì)中形成別的

3、波(折射波)已可滿足邊界條件。2)而在臨界角以外臨界角以外由于滑行波以速度V2沿界面在第二種介質(zhì)中向前傳播，滑行波到達(dá)界面各點(diǎn)比入射波要早 。二、折射波的形成和傳播規(guī)律二、折射波的形成和傳播規(guī)律 5證明：證明： 滑行波在反射界面各點(diǎn)的時(shí)間比入射波滑行波在反射界面各點(diǎn)的時(shí)間比入射波要早要早只要證明滑行波比入射波先到達(dá)只要證明滑行波比入射波先到達(dá)C點(diǎn)，即點(diǎn)，即1t2或或t= t1- t20。 11VOCt 212VBCVOBt入射波到達(dá)C點(diǎn)時(shí)間為：滑行波到達(dá)C點(diǎn)時(shí)間為：二、折射波的形成和傳播規(guī)律二、折射波的形成和傳播規(guī)律 6證明： )(cos1cos2211VhtgiVhtgiVhVhtiVVsi

4、n12cos)cos(11iVht當(dāng)=i，cos(-i)=cos0=1，t=0，即同時(shí)到達(dá)，即同時(shí)到達(dá)。二、折射波的形成和傳播規(guī)律二、折射波的形成和傳播規(guī)律 211VBCVOBVOCt211VDBDCVOBVOC當(dāng)當(dāng)i，0cos(- i)1, t0，即即臨界角以外，滑行波比入射波要臨界角以外，滑行波比入射波要早到達(dá)。早到達(dá)。7ctghOA 21 1）折射角等于臨界角。折射角等于臨界角。折射角永遠(yuǎn)是以臨界角從分界面向上射出。折射波射線是一系列平行線折射波射線是一系列平行線。2）折射波有）折射波有“盲區(qū)盲區(qū)”，折射界面很深時(shí)，盲區(qū)會很大。2 2、折射波傳播的規(guī)律和特點(diǎn)、折射波傳播的規(guī)律和特點(diǎn)83）

5、折射波法只能研究其速度大于上面所有層速折射波法只能研究其速度大于上面所有層速度的地層，度的地層，即VNVk（k=1，2，3，N-1）。 實(shí)際中實(shí)際中“折射層折射層”比比“反射層反射層”數(shù)目少。數(shù)目少。 地層屏蔽效應(yīng)地層屏蔽效應(yīng)如果地層中有速度很高的厚層存在，就如果地層中有速度很高的厚層存在，就不能用折射波法研究更深處的速度比它低的地層。這不能用折射波法研究更深處的速度比它低的地層。這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為“屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng)”。 如果高速層厚度小于地震波的波長，則實(shí)際上并不發(fā)生屏蔽作用。二、折射波的形成和傳播規(guī)律二、折射波的形成和傳播規(guī)律 9已知已知: 界面深度為界面深度為h0 ，介質(zhì)的速度為，介

6、質(zhì)的速度為v0 0和和v1 1 ，且，且v1 1 v0 0 ,在在O點(diǎn)激發(fā)，點(diǎn)激發(fā)， OA1 以臨界角入射，在測線以臨界角入射，在測線S點(diǎn)接收的，點(diǎn)接收的，距離為距離為x。 求：折射波求：折射波t=f（x，v， h0 ）的函數(shù)）的函數(shù)三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線對任一個(gè)接收點(diǎn)S，折射波走過的路程為OA1B1S，走時(shí)為0111101VSBVBAVOAtSchSBOAcos011SMBA11110三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線SMBA111101002cos2VtghVxVhtcc001cos2VhVxtc00cos2Vhtci1110

7、12VBAVOAtS)sin1 (cos210001ccVVVhVx10sinVVcitVx1令令cmtghxxx0211折射波時(shí)距曲線特點(diǎn)折射波時(shí)距曲線特點(diǎn)上式就是水平界面折射波的時(shí)距曲線，這是一條標(biāo)準(zhǔn)的直線方程直線方程，其斜率k=1/V1，直線的截距為ti ，V1是下層介質(zhì)的速度；根據(jù)視速度的定義，折射波的視速度應(yīng)為V1，即為第二種介質(zhì)中的傳播速度，有時(shí)把這種速度稱為“界面速界面速度度”，因?yàn)榛胁ㄕ且赃@個(gè)速度沿界面滑行的。ti為折射波時(shí)距曲線延長后與時(shí)間軸（x=0）的交點(diǎn)，稱之為與時(shí)間軸的交叉時(shí)交叉時(shí)。 由直達(dá)波得到V0，有折射波得到V1，進(jìn)而得到c，再由ti獲得界面深度h0ictVx

8、VhVxt1001cos200cos2Vhtci12當(dāng)xxm時(shí)，折射波方程沒有意義。折射波方程沒有意義。折射波時(shí)距曲線的起始點(diǎn)坐標(biāo)起始點(diǎn)坐標(biāo)為：cmtghx02cmVhtcos200三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線 由此可知，產(chǎn)生折射波的界面埋界面埋藏越深，盲區(qū)越大藏越深，盲區(qū)越大。 在折射波時(shí)距曲線的始點(diǎn)折射波時(shí)距曲線的始點(diǎn)，由于同一界面的反射波時(shí)距曲線和折射波時(shí)距曲線有相同的時(shí)間和視速度（在M點(diǎn)出射的射線既是反射波射線也是折射波射線），因此這兩條時(shí)距曲線在該點(diǎn)相切兩條時(shí)距曲線在該點(diǎn)相切。 13四、四、一個(gè)分界面情況下各種地震波時(shí)距一個(gè)分界面情況下各種地震波時(shí)距曲

9、線的關(guān)系曲線的關(guān)系 （1）直達(dá)波時(shí)距曲線是反射波時(shí)距曲線的漸近線，可以從數(shù)學(xué)關(guān)系上加以論證。 cmtghx02cmVhtcos200（2）折射波時(shí)距曲線與反射波 時(shí)距曲線在M1點(diǎn)相切，切點(diǎn)坐標(biāo)：直達(dá)波：反射波：各類地震波時(shí)距曲線間的相互關(guān)系歸納如下：各類地震波時(shí)距曲線間的相互關(guān)系歸納如下：當(dāng)x時(shí)，0Vxt 0224Vhxt0Vxt 141020202021sin1)22(11)2(112vvtgvtghtghvxhvdxdtcccchtgxchtgxc（3）直達(dá)波時(shí)距曲線與折射波時(shí)距曲線相交相交，相交處為超前時(shí)間。證明：證明：0010cos2vhvxvxtcc0110cos2vvvhxcc)(

10、cos201010vvvvhtcc各種地震波時(shí)距曲線的關(guān)系各種地震波時(shí)距曲線的關(guān)系交點(diǎn)時(shí)間為：ccvvvxhcos2)(1010界面深度為：15（4）在x xc的區(qū)間，折射波為初至波，而直達(dá)波為續(xù)至波，反射波總是最后接收到（直達(dá)波、折射波、反射波三種波相比）。各種地震波時(shí)距曲線的關(guān)系各種地震波時(shí)距曲線的關(guān)系（5）時(shí)距曲線的陡緩取決于上覆介質(zhì)的波速與界面的埋藏深度。16第四節(jié)第四節(jié) 多層介質(zhì)的多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線反射波時(shí)距曲線 1 1、地震勘探中建立的多種地層介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、地震勘探中建立的多種地層介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型 均勻介質(zhì)均勻介質(zhì) 層狀介質(zhì)層狀介質(zhì) 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)一、討論多層介質(zhì)問題的思路一、

11、討論多層介質(zhì)問題的思路 均勻介質(zhì)均勻介質(zhì) 認(rèn)為反射界面認(rèn)為反射界面R R以上的介質(zhì)是均勻的，即層內(nèi)介質(zhì)以上的介質(zhì)是均勻的，即層內(nèi)介質(zhì)的物理性質(zhì)不變，的物理性質(zhì)不變，如地震波速度是一個(gè)常數(shù)V0。反射界面R是平面，可以是水平的或是傾斜面。17層狀介質(zhì)層狀介質(zhì) 認(rèn)為地層剖面是層狀結(jié)構(gòu)，在每一層內(nèi)速度是均勻認(rèn)為地層剖面是層狀結(jié)構(gòu)，在每一層內(nèi)速度是均勻的，但層與層之間的速度不相同，的，但層與層之間的速度不相同，介質(zhì)性質(zhì)的突變介質(zhì)性質(zhì)的突變。界面界面R可以是水平（稱水平層狀介質(zhì)）或是傾斜的?？梢允撬剑ǚQ水平層狀介質(zhì)）或是傾斜的。第四節(jié)第四節(jié) 多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線 把實(shí)際介質(zhì)理

12、想化為層狀介質(zhì)，因?yàn)槌练e巖地區(qū)一般為層性較好，巖層的成層性又由不同巖性決定，不同巖性則往往有不同的彈性性質(zhì)，因此巖層的巖性分界面有時(shí)同巖層的彈性分界面相一致。18連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì) 所謂連續(xù)介質(zhì)是認(rèn)為在所謂連續(xù)介質(zhì)是認(rèn)為在界面界面R兩側(cè)介質(zhì)兩側(cè)介質(zhì)1與介質(zhì)與介質(zhì)2的速度不的速度不相等，有突變相等，有突變。但界面。但界面R的上覆地層的上覆地層( (即介質(zhì)即介質(zhì)1) )的波速是空的波速是空間連續(xù)變化的函數(shù)。最常見的是速度只是深度的函數(shù)間連續(xù)變化的函數(shù)。最常見的是速度只是深度的函數(shù)V(z)。第四節(jié)第四節(jié) 多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線 連續(xù)介質(zhì)是層狀介質(zhì)的演變，當(dāng)層狀介質(zhì)中的層數(shù)無限

13、增加，每一層的厚度無限減小，這時(shí)層狀介質(zhì)就過渡為連續(xù)介質(zhì)。192 2、討論層狀介質(zhì)問題的基本思路：、討論層狀介質(zhì)問題的基本思路： 水平層狀介質(zhì)，把目的層水平層狀介質(zhì)，把目的層Ri界面以上的介質(zhì)設(shè)界面以上的介質(zhì)設(shè)法用一種均勻介質(zhì)來代替，并令這種假想的均勻法用一種均勻介質(zhì)來代替，并令這種假想的均勻介質(zhì)的波速取某個(gè)值，使得介質(zhì)的波速取某個(gè)值，使得Ri界面以上的介質(zhì)簡界面以上的介質(zhì)簡化為均勻介質(zhì)，即變成均勻介質(zhì)模型。化為均勻介質(zhì)，即變成均勻介質(zhì)模型。 第四節(jié)第四節(jié) 多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線 20二、二、三層水平介質(zhì)三層水平介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線的反射波時(shí)距曲線 2211cosco

14、s2VhVh已知已知: 三層介質(zhì)的速度為三層介質(zhì)的速度為v1 1 、v2 2和和 v3 3 ，介質(zhì)厚度為，介質(zhì)厚度為h1 和和h2 2 ，在，在O點(diǎn)激發(fā)，在測線點(diǎn)激發(fā)，在測線S點(diǎn)接收的，距離為點(diǎn)接收的，距離為x。 1221VCSVBCVABVOAt212VABVOAt對于水平界面，反射路徑與入射路徑是對稱的。由此，三層水平介質(zhì)的時(shí)距曲線方程不是顯函數(shù)關(guān)系。不是顯函數(shù)關(guān)系。)(221tghtghx21第四節(jié)第四節(jié) 多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線 時(shí)距曲線是通過計(jì)算地震波傳播的總時(shí)間t，以及相應(yīng)的接收點(diǎn)離開激發(fā)點(diǎn)距離x。當(dāng)計(jì)算一系列(t,x)值后，就可得到R2界面的反射時(shí)距曲線。

15、 地震波傳播方向必然滿足透射定律 進(jìn)一步化為以射線參數(shù)P表示的參數(shù)方程參數(shù)方程。PVV21sinsin22222222212222222111112112PVVhPVVhtPVPVhPVPVhx22兩層介質(zhì)和多層介質(zhì)，這兩種情況下地震波傳播的特點(diǎn)不可能完全一樣。但在地震資料解釋中，有一個(gè)很重要的參數(shù)，就是有一個(gè)共炮點(diǎn)時(shí)距曲線的自自激自收時(shí)間激自收時(shí)間t0值值。因?yàn)橛辛藅0，如果又知道地震波的速度，就可以估算反射界面的深度。根據(jù)這種情況，假想的均勻介質(zhì)的厚度應(yīng)當(dāng)和水假想的均勻介質(zhì)的厚度應(yīng)當(dāng)和水平層狀介質(zhì)總厚度相等；平層狀介質(zhì)總厚度相等； 假想的均勻介質(zhì)的假想的均勻介質(zhì)的t t0 0與水平層狀介質(zhì)

16、與水平層狀介質(zhì)t t0 0相等。相等。關(guān)鍵是怎徉來確定假想均勻介質(zhì)的速度。三、平均速度概念的引入三、平均速度概念的引入23層狀介質(zhì)中波傳播的速度例子層狀介質(zhì)中波傳播的速度例子 秒95. 020001100150060022110VhVht秒98. 02000900150080022110VhVhtA地層B地層已知：兩種介質(zhì)結(jié)構(gòu)，兩層總厚度相同已知：兩種介質(zhì)結(jié)構(gòu)，兩層總厚度相同H=H ，各層的速度相同各層的速度相同V1=V1 V2=V2 。兩層的旅行時(shí)：241）采用算術(shù)平均）采用算術(shù)平均 波在這兩組地層中傳播的情況有差別了。這種差別不僅與層的速度有關(guān)，還與各層的厚度有關(guān)。221VVV2）采用加權(quán)

17、平均）采用加權(quán)平均平均速度平均速度 從“使地震波在總厚度與層狀介質(zhì)厚度相等的假想均勻質(zhì)中傳播時(shí)，t0保持不變”的準(zhǔn)則，導(dǎo)出假想均勻介質(zhì)的波速。就是層狀介質(zhì)的平均速度。2121221121tthhVhVhhhVavVav,A=1790米/秒，Vav,B=1730米/秒。 即A 地層速度快，B地層慢。25平均速度平均速度引入平均速度平均速度，比較合適地反映波在一組層狀介質(zhì)中波傳播的快慢。平均速度平均速度Vav就是用這組地層的總厚度總厚度去除以波在垂直層面的方向旅行的總時(shí)間總時(shí)間。 引入平均速度的好處：引入平均速度的好處： 1）把多層介質(zhì)簡化成均勻介質(zhì)，并保持兩種情況下t0相同； 2）假想的均勻介質(zhì)

18、的反射波時(shí)距曲線是雙曲線，可進(jìn)行動校正； 3）平均速度可以通過地震測井來實(shí)際確定。26n n層水平層狀介質(zhì)的平均速度層水平層狀介質(zhì)的平均速度地震波在各層中的傳播速度(稱為層速度)分別為V1, V2Vn；每層的厚度分別為h1, h2hn；波垂直各層的傳播時(shí)間分別為t1, t2tn；則這組地層的平均速度為niiiniinnnavVhhVhVhVhhhhV11221121)(niiniinnavthttthhhV112121引入平均速度也是對介質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種簡化 ，這種近似雖然在一定程度上便于進(jìn)行解釋，但也仍然存在不少矛盾。 或者27四、四、多層多層和和均勻速度假設(shè)層均勻速度假設(shè)層時(shí)距曲線比較時(shí)距曲線

19、比較實(shí)際地層剖面中，不只三層而是有很多層，仍可以用上述方法，用不同的平均速度值把各個(gè)界面的上覆介質(zhì)簡化為均勻介質(zhì)，而每個(gè)層面的反射波時(shí)距曲線也都可以近似地當(dāng)作雙曲線。用兩種方法來計(jì)算多層介質(zhì)各界面的反射波時(shí)距曲線。 niiiiniiiiPVVhtPVPVhx1221221212iiVVVPsinsinsin2211第一種方法第一種方法第二種方法第二種方法2241HxVtav平均niihH1niiiniiavVhhV11)(其中其中28這兩條時(shí)距曲線有如下兩個(gè)這兩條時(shí)距曲線有如下兩個(gè) 現(xiàn)象：現(xiàn)象：1)在激發(fā)點(diǎn)附近，這兩條時(shí)距曲線是基本上重合的。2)隨著遠(yuǎn)離激發(fā)點(diǎn)，它們逐漸地明顯分開，三層介質(zhì)的時(shí)

20、距曲線在下方。這說明地震波在三層介質(zhì)傳播時(shí)真正速度要比平均速度大。 結(jié)論：結(jié)論：在炮檢距不大時(shí)，可以把多層介質(zhì)的反射在炮檢距不大時(shí)，可以把多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線近似地看成雙曲線。波時(shí)距曲線近似地看成雙曲線。四、多層和均勻速度假設(shè)層時(shí)距曲線比較四、多層和均勻速度假設(shè)層時(shí)距曲線比較29不同類型的波不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)同一種波同一種介質(zhì)，不同觀測方式第六節(jié)第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線透射波和反射波的時(shí)距曲線討論地震波運(yùn)動學(xué)一般從討論地震波運(yùn)動學(xué)一般從3個(gè)方面來討論：個(gè)方面來討論：水平地震勘探：水平地震勘探：在地面激發(fā)，接收排列線也在地面上，記錄來自地下的反射波和折射線，這種地震勘探形式叫水平地震勘探，

21、是目前地震勘探中的主要觀測方式。30地震測井和垂直地震剖面：地震測井和垂直地震剖面：把檢波器放入井中，在地面激發(fā)，即地面距井口一定距離激發(fā)，稱作地震測井。這種觀測方法得出剖面是垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile，簡稱VSP )，得出的是地震波垂直時(shí)距曲線。這種觀測方式能測試到從地面向下傳播的地震波(下行波)，也能部分地接收到反射波(上行波)。把震源位于深井中，觀測點(diǎn)布設(shè)在地面的觀測方式稱之為反VSP觀測方法。 第六節(jié)第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線透射波和反射波的時(shí)距曲線31第六節(jié)第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線透射波和反射波的時(shí)距曲線一、透射波的時(shí)距曲線一、透射波的時(shí)距曲線井中觀測時(shí)，直達(dá)波就是透射波。因此，研究透射波時(shí)距關(guān)系就是直達(dá)波的時(shí)距關(guān)系。1、均勻介質(zhì)透射波時(shí)距曲線、均勻介質(zhì)透射波時(shí)距曲線均勻介質(zhì)地震波速度為V，地表激發(fā)點(diǎn)與井口的距離為d，井中任一檢波器的深度為z，則井中透射(直達(dá))波時(shí)距曲線方程為： 221dzVt透射波時(shí)距曲線為雙曲線，且只有半支。32第六節(jié)第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線透射波和反射波的時(shí)距曲線2、水平層狀介質(zhì)透射波時(shí)距曲線、水平層狀介質(zhì)透射波時(shí)距曲