課程負責人雷 宛

工程與環(huán)境物探

精品課程課程負責人雷宛成都理工大學信息工程學院返回結束

地震勘探主要是研究人工激發(fā)的地震（彈性）波在淺層巖、土介質中的傳播規(guī)律。其傳播的動態(tài)特征集中反映在兩個方面，一是波傳播的時間與空間的關系，稱為運動學特征；另一是波傳播中它的振幅、頻率、相位等的變化規(guī)律，稱為動力學特征。前者是地震波對地下地質體的構造響應，后者則更多地表現(xiàn)出地下地質體的巖性特征，有時亦是地質體結構特征的響應。我們把上述兩種特征統(tǒng)稱為地震波的波場特征。第1篇地震勘探成都理工大學信息工程學院返回結束

工程地震勘探的基本任務就是通過研究地震波的波場特征，以解決淺部地層和構造的分布，確定巖、土力學參數(shù)等工程和水文勘探中所涉及到的地質問題。本篇的重點是討論地震波場的基本理論和方法。在此基礎上，引入近年來在工程勘探和檢測中較新或常用的方法技術，如瑞雷波法、CT成像技術、樁基檢測、PS波測井等，并結合工程實例，討論一般性應用問題。

成都理工大學信息工程學院返回結束地震勘察是通過觀測和研究人工激發(fā)的彈性波在巖石中的傳播規(guī)律來解決工程及環(huán)境地質問題的一種地球物理方法。

由彈性力學的理論可知，任何一種固體，當它受外力作用后，其質點就會產(chǎn)生相互位置的變化，也就是說會發(fā)生體積或形狀的變化，稱為形變。外力取消后，由于阻止其大小和形狀變化的1．物探及其分類1.1彈性理論基礎1.1.1理想介質和粘彈性介質成都理工大學信息工程學院返回結束內(nèi)力起作用，使固體恢復到原來的狀態(tài)，這就是所謂的彈性。外力取消后，能夠立即完全地恢復為原來狀態(tài)的物體，稱為完全彈性體，通常稱之為理想介質。反之，若外力去掉后，仍保持其受外力時的形態(tài)，這種物體稱為塑性體，亦稱為粘彈性介質。

在外力作用下，自然界大部分物體，既可以顯示彈性也可以顯示粘彈性，這取決于物體本身的性質和外力作用的大小及時間的長短。

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地震波傳播范圍內(nèi)，絕大多數(shù)巖石都可以近似地看成是完全彈性體（理想介質）來研究。

1927年勒夫（Love.A.E.H）證明由于彈性能是應變的單值函數(shù)，系數(shù)和必須相等，因此36個彈性系數(shù)可以減少到21個。當我們研究的彈性體如果是各向同性介質，勒夫進一步證明這些系數(shù)可以減少到只剩二個，我們把它表示為λ和μ，稱為拉梅常數(shù)。

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當μ值比較大時，值就變小，這說明常數(shù)的物理意義是阻止切應變的一個度量，因此它常常亦被稱為剪切模量。對于大多數(shù)巖土介質，帕，而對于液體，，此時切變無窮大有時為了方便起見，除了上述二個彈性常數(shù)以外，還應用其他一些彈性常數(shù)。最普通的是楊氏模量E，泊松比σ和體積壓縮模量K。這三個彈性系數(shù)的定義分別是：楊氏模量E表示為當圓的或多角形柱體試件，在其一端面上受力，而側面為自由面時，所加應力與相對伸長之比，。

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對于各向同性的彈性介質而言，5個彈性常數(shù)中只要知道其中的2個，就可求出另外的3個。成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束③橫波亦為線性極化波，因為其質點是在一維空間內(nèi)振動。但由于在球坐標標內(nèi)同r是互為正交的，故橫波的質點位移振動方向有別于縱波，它同波的傳播方面r垂直。在研究中，通常把橫波看作是由兩個方向的振動所組成，一個是質點振動在垂直平面內(nèi)的橫波分量，稱為SV波，另一個是質點振動在水平平面內(nèi)的橫波分量，稱之為SH波，如圖1.1.10。成都理工大學信息工程學院返回結束圖1.1.10橫波的傳播特征

成都理工大學信息工程學院返回結束1.2.1振動圖和波剖面

成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束圖1.1.11波的振動圖形 圖1.1.12波剖面圖成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束由震源激發(fā)、經(jīng)地下傳播并在地面或井中接收到的地震波通常是一個短的脈沖振動，應用信號分析領域中的廣義術語，稱該振動為地震子波。它可以被理解為有確定起始時間和有限能量，在很短時間內(nèi)衰減的一個信號。地震子波振動的一個基本屬性是振動的非周期性。因此，它的動力學參數(shù)有別于描述周期振動的振幅、頻率、相位等參數(shù)，而用振幅譜、相位譜（或頻譜）等概念來描述。

1.2.2地震波的頻譜成都理工大學信息工程學院返回結束

地震波的動力學特征既可以用隨時間而變化的波形來描寫，也可以用其頻譜特性來表述。前者是地震波的時間域表征，后者則是其頻率域表征。由于它們具有單值對應性，因此在任何一個域內(nèi)討論地震波都是等效的。地震子波的另一個屬性是它具有確定的起始時間和有限的能量，因此經(jīng)過很短的一段時間即衰減，衰減時間的長短稱為地震子波的延續(xù)時間長度，以后將會討論到，它決定了地震勘探的分辨能力，而且可以很容易地證明：地震子波的延續(xù)時間長度同它的頻譜的頻帶寬度成反比。

成都理工大學信息工程學院返回結束1．波的吸收衰減由于地下介質的非完全彈性和不均勻性，當?shù)卣鸩ㄍㄟ^地層介質傳播時，會出現(xiàn)波的吸收現(xiàn)象。此時，介質的振動粒子之間產(chǎn)生摩擦，地震波的一部分能量轉換成熱。地下介質彈性越好，能量損失就越少。這表明分選、膠結好的地層波的吸收作用也小。由此可得出以下結論：波的吸收一般隨著深度的增加而減小。淺層地震勘探中，因調(diào)查的目的層大多為未膠結的第四系軟土沉積層，故地震波在軟土地層中傳播時波的吸收作用大。成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束

在實際介質中傳播時，由于介質的吸收衰減作用，濾去了較高的頻率成分而保留較低的頻率成分，巖土介質的這種作用稱為大地濾波作用。高頻成分的損失，改變了脈沖的頻譜成分，使頻譜變窄，因而使激發(fā)的短脈沖經(jīng)大地濾波作用后其延續(xù)時間加長，分辨率降低。如圖1.1.21所示，這種經(jīng)大地濾波作用后輸出的波稱為地震子波。成都理工大學信息工程學院返回結束圖1.1.21大地濾波作用對波形的改造成都理工大學信息工程學院返回結束圖1.1.22惠更斯原理示意圖

成都理工大學信息工程學院返回結束2．費馬原理費馬原理表明，地震波沿射線傳播的旅行時和沿其它任何路徑傳播的旅行時相比為最小，亦波是沿旅行時間最小的路徑傳播(最小時間原理)的。在時間場內(nèi)，將時間相同的值連起來，組成等時面，等時面與射線成正交關系。成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束1.3.1平面波的反射和透射成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束廣義繞射理論說明，地面上某點O（自激自收點）的能量都是地下界面上每一繞射點對它“貢獻”的結果，問題是每一個點的“貢獻”都是等量的嗎？理論和實踐證明它們不是等量的并且有一個確定的范圍。分析認為在地面O點觀測到的波的能量主要是由該范圍內(nèi)的繞射點形成的繞射波對該觀測點的“貢獻”。這個帶我們稱為菲涅爾帶。如圖1.1.36所示。從O點發(fā)出一球面波，波前到達界面上時形成繞射，考慮到所有繞射對O點的貢獻，要使得所有繞射1.3.2橫向分辨率成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束圖1.1.37反射波的透過損失成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束成都理工大學信息工程學院返回結束影響地震波速度的因素：1．巖土介質的密度一般情況下，巖石越致密，波速越高，

2.即同樣巖性的巖土介質，當孔隙度大時，其速度值相對變小。

3．地層埋深和地質年代一般情況下巖石埋藏得越深，反映它們的年代越老，承受上覆地層壓力的時間長、強度大，這就是所謂的壓實作用。因此同樣巖性的巖石，埋藏深、時代老的要比埋藏淺、時代新的巖石速度更大。

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當已知彈性模量及密度可求取縱橫波速度值，反之，由縱橫速度值可求得各種彈性模量成都理工大學信息工程學院返回結束地震勘探的效果在很大程度上取決于工作地區(qū)是否具有應用地震勘探的前提，也就是工區(qū)的地震地質條件。在淺層地震勘探中，其地震地質條件主要是指淺部巖土介質的性質和地質特征，以及地表的各種影響因素。可從以下幾個方面來討論。1．疏松覆蓋層2．潛水面和含水層3．地質剖面的均勻性1.4.1淺層地震地質條件成都理工大學信息工程學院返回結束4．地震界面和地質界面的差異

地震界面是指地震波傳播時與波速變化有關的波阻抗差異界面（物理界面），而地質