第1章地震波動力學(xué)教材

1地震勘探原理第一章地震波的運動學(xué)2第一章地震波的運動學(xué)地震波運動學(xué)：研究在地震波傳播過程中的地震波波前的空間位置與其傳播時間的關(guān)系(研究波的傳播規(guī)律)，以及這種時空關(guān)系與地下地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。

它是用波前、射線等幾何圖形描述波的運動（傳播）過程和規(guī)律，與幾何光學(xué)的一些原理相似，所以也稱為幾何地震學(xué)。認(rèn)識兩個概念：地震波運動學(xué)和地震波動力學(xué)3第一章地震波的運動學(xué)地震波動力學(xué)：研究地震波在傳播過程中波形、振幅、頻率、相位等特征的及其變化規(guī)律，以及這些變化規(guī)律與地下的地層結(jié)構(gòu)，巖石性質(zhì)及流體性質(zhì)之間存在的聯(lián)系。地震波動力學(xué)是從介質(zhì)運動的基本方程(波動方程)出發(fā)來研究地震波的傳播特點的。從能量的角度來研究波的特征。4第一章地震波的運動學(xué)第二節(jié)一個界面情況下反射波的時距曲線

第一節(jié)

地震波的基本概念

第三節(jié)地震折射波運動學(xué)(時距曲線)

第四節(jié)多層水平反射波時距曲線

第六節(jié)透射波和反射波垂直時距曲線

第五節(jié)連續(xù)介質(zhì)中地震波的運動學(xué)

5第一章地震波的運動學(xué)第一節(jié)地震波的基本概念◆一、地震波是在地層中傳播的彈性波◆二、地震波的幾個特征◆三、地震波的傳播規(guī)律6一、地震波是在地層中傳播的彈性波●1、什么是波？●2、什么是彈性波？●3、什么是地震波？●4、地震波的基本類型7波（wave）就是振動在介質(zhì)中傳播1、什么是波？8波的幾個例子1、什么是波？9波的幾個例子1、什么是波？101、什么是波？11蝙蝠的眼睛看不見，靠什么導(dǎo)航？1、什么是波？121、什么是波？13手機是一個小型的，但能量很強的電磁波發(fā)生器，其工作頻率在890MHZ—965MHZ之間1、什么是波？14一、地震波是在地層中傳播的彈性波1、什么是波？2、什么是彈性波？3、什么是地震波？4、地震波的基本類型物體的分類15▲按固體在外力作用下的形變特征，可將固體分為：彈性介質(zhì)和塑性體▲彈性體--當(dāng)使介質(zhì)產(chǎn)生形變的外力撤消后，介質(zhì)能立即并完全恢復(fù)到原始狀態(tài)的物體；反之，稱為塑性體?！谕饬ψ饔孟?，物體即可顯示為彈性，又可顯示為塑性。2.什么是彈性波？16彈性介質(zhì)與彈性波2.什么是彈性波？▲形成彈性波的條件？17一、地震波是在地層中傳播的彈性波1、什么是波？2、什么是彈性波？3、什么是地震波？4、地震波的基本類型18地震波是一種在巖層中傳播的彈性波。3、什么是地震波？19天然地震的震源在地球深部。3、什么是地震波？203、什么是地震波？213、什么是地震波？223、什么是地震波？233、什么是地震波？243、什么是地震波？253、什么是地震波？263、什么是地震波？27海上空氣槍激發(fā)地震波3、什么是地震波？283、什么是地震波？293、什么是地震波？303、什么是地震波？31一、地震波是在地層中傳播的彈性波1、什么是波？2、什么是彈性波？3、什么是地震波？4、地震波的基本類型324、地震波的基本類型334、地震波的基本類型344、地震波的基本類型354、地震波的基本類型364、地震波的基本類型374、地震波的基本類型38橫波4、地震波的基本類型394、地震波的基本類型404、地震波的基本類型414、地震波的基本類型424、地震波的基本類型43第一章地震波的運動學(xué)第一節(jié)地震波的基本概念◆一、地震波是在地層中傳播的彈性波◆二、地震波的幾個特征◆三、地震波的傳播特征441.波陣面(波前、波后)波陣面—波從震源出發(fā)向四周傳播，在某一時刻，把波到達時間各點所連成的面，簡稱波面。波前—振動剛開始與靜止時的分界面，即剛要開始振動的那一時刻。同樣，振動剛停止時刻的分界面為波后。波前或波后是用面表示的，不是曲線。二、波的幾個特征45必須記?。翰ㄊ遣粩嗲斑M的，從而波前和波后這兩個曲面也在隨著時間不斷然地推進。不指明哪一個時刻來談?wù)摬ㄇ昂筒ê笫菦]有明確意義的。波陣面的形狀決定波的類型，可分為球面、平面和柱面波等。平面波--波前是平面(無曲率)，象是一種在極遠(yuǎn)的震源產(chǎn)生的。這是地震波解析中的一種常用的假設(shè)。球面波--由點源產(chǎn)生的波，向四周傳播，波面是球面。二、波的幾個特征46二、波的幾個特征47在均勻各向同性介質(zhì)中，同一個震源，在近距離的波為球面波，在遠(yuǎn)距離的地方可看成平面波。在地震勘探中，由于傳播路線長而接收點小常把地震波看作為平面波。球面波可以看成平面波二、波的幾個特征482.波線(射線)射線—是用來描述波的傳播路線的一種表示。

在一定條件下，認(rèn)為波及其能量是沿著一條“路徑”從波源傳到所觀測的一點P。這是一條假想的路徑，也叫波線。射線的特征：

1)總是與波陣面垂直；

2)波動經(jīng)過每一點都可以設(shè)想有這么一條波線；二、波的幾個特征493.振動曲線和波形曲線某點振動隨時間的變化的曲線稱為振動曲線，也稱振動圖。注意，一條振動曲線只反映一個點的振動。不同的質(zhì)點可能有不同的振動曲線二、波的幾個特征50多條振動曲線組成地震記錄二、波的幾個特征51波形曲線--在同一時刻各點的位移畫在同一圖上形成的曲線，它表示各點振動位置與各點位置的關(guān)系。波形圖的描繪，在某時刻各點振動之間的關(guān)系，不同的時刻有不同的波形曲線；地震勘探中，沿測線畫出的波形曲線，也稱波剖面。二、波的幾個特征52二、波的幾個特征4、地震子波53二、波的幾個特征54二、波的幾個特征55二、波的幾個特征56二、波的幾個特征57二、波的幾個特征58二、波的幾個特征595.描述地震波的幾個參數(shù)波隨時間的變化，一種最簡單的形式是簡諧波(正弦波)，用正弦的形式表示：

Asin(ωt+φ)

A-振幅，ω=2πf為圓頻率，φ-初相位。簡諧波為單頻波，是一種理想的振動，振動頻率等于波源頻率，周期和頻率有固定值。大多數(shù)形式較復(fù)雜的波，可以用簡諧波的疊加來表示，方法是傅氏(頻譜)分析。二、波的幾個特征60（1）主波長、主周期和主頻率地震波是一種復(fù)雜的波，是一種非正弦波，不能籠統(tǒng)地討論周期或頻率，最好用頻譜討論。一般用主波長、主周期和主頻率來表征地震波。簡單地確定地震波主頻、主波長和主周期的方法：以主振動相鄰兩個波峰(或波谷)為一個主周期。主頻也可由頻譜分析得到。二、波的幾個特征61（2）視速度、視波長當(dāng)涉及的波速和波長時，我們是沿著波的傳播方向來考慮問題。視速度—當(dāng)波的傳播方向與觀測方向不一致(夾角θ)時，觀測到的速度并不是波前的真速度V，而是視速度Va。同樣，此時的波長為視波長λa。二、波的幾個特征62二、波的幾個特征63第一章地震波的運動學(xué)第一節(jié)地震波的基本概念◆一、地震波是在地層中傳播的彈性波◆二、波的幾個特征◆三、地震波的傳播規(guī)律64三、地震波的傳播規(guī)律第一節(jié)地震波的基本概念4、斯奈爾(Snell)定律65三、地震波的傳播規(guī)律1、反射和透射66波阻抗指的是介質(zhì)(地層)的密度和波的速度的乘積(Zi=ρiVi，i為地層)，在聲學(xué)中稱為聲阻抗，在地震學(xué)中稱波阻抗。波的反射和透射與分界面兩邊介質(zhì)的波阻抗有關(guān)。只有在Z1≠Z2的條件下，地震波才會發(fā)生反射，差別越大，反射也越強。第一節(jié)地震波的基本概念1、反射和透射67①反射線、入射線分居法線的兩側(cè)；②反射角α’等于入射角α；③反射線、入射線和法線所構(gòu)成的的平面為射線平面，垂直與界面。反射定律2、反射和透射定律68反射路徑的虛震源作圖法入射線OP在分界面P點入射，過P點的法線為NN’，從震源O向分界面作垂線OD并延長，與反射線的反方向延長線相交于O*，把此點作為一個虛震源。這時反射線可以看成是由O*點射出來的。第一節(jié)地震波的基本概念69透射定律透射定律只確定了透射線的方向70反射和透射系數(shù)入射時，反射系數(shù)和透射系數(shù)可用波阻抗來表示。反射系數(shù)透射系數(shù)R+T=1第一節(jié)地震波的基本概念713、斯奈爾(Snell)定律第一節(jié)地震波的基本概念72綜合反射定律和透射定律的內(nèi)容，擴展到多層水平層狀介質(zhì)的情況，則可以得到如下形式的斯奈爾(Snell)定律：

Vp1,Vp2,......Vpi—為各層的縱波速度

P—為一常數(shù)，稱為射線路徑參數(shù)。第一節(jié)地震波的基本概念73波在介質(zhì)中由一點傳播到另一點的可以沿許多條不同的路線傳播。費馬原理指出波在各種介質(zhì)中的傳播路線，滿足所用時間為最短的條件(旅行時為極小)。費馬原理示意圖4、費馬原理(Fermat’sprinciple)1660年第一節(jié)地震波的基本概念74費馬原理指的是波在介質(zhì)中由一點傳播到另一點的沿最小旅行時的路線傳播，而不是沿最短路徑傳播。注意：第一節(jié)地震波的基本概念755、惠更斯(huygens)原理1在前進的波前成上每一點都可以看作一個二次的震(波)源，且后一時刻的波前面就是基于前一時刻的波前面所激發(fā)的所有二次波的包絡(luò)面。2另一種表述：在波前面上的任意一個點，都可以看成是一個新的波(震)源，叫子波源。每個子波源都向各方發(fā)出波，叫子波,子波以所處點的速度傳播。第一節(jié)地震波的基本概念762、惠更斯(huygens)原理77平面波78惠更斯原理的應(yīng)用惠更斯原理是利用波前面的概念來解釋傳播問題的。因此可用圖法繪出各種波的波面。惠更斯原理可以確定波的傳播方向，而不能確定沿不同方向傳播的振動的振幅,只是給出了幾何位置，沒有涉及波到達新位置的物理狀態(tài)。第一節(jié)地震波的基本概念79第一章地震波的運動學(xué)第二節(jié)一個界面情況下反射波的時距曲線

第一節(jié)

地震波的基本概念

第三節(jié)地震折射波運動學(xué)

第四節(jié)多層水平反射波時距曲線

第六節(jié)透射波和反射波垂直時距曲線

第五節(jié)連續(xù)介質(zhì)中地震波的運動學(xué)

80一、地震地質(zhì)介質(zhì)的簡化二、野外觀測方式的介紹三、一個分界面共炮點反射波時距曲線方程四、正常時差\動校正五、傾角時差六、時距曲面和時間場第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線一般情況下，對地下介質(zhì)常見的簡化分類：1、均勻介質(zhì)2、水平層狀介質(zhì)3、連續(xù)介質(zhì)81一、地震地質(zhì)介質(zhì)的簡化8283848586一、地震地質(zhì)介質(zhì)的簡化二、野外觀測方式的介紹三、一個分界面共炮點反射波時距曲線方程四、正常時差\動校正五、傾角時差六、時距曲面和時間場第二節(jié)一個分界面情況下共炮點反射波的時距曲線87二、野外觀測方式的介紹88零偏移距激發(fā)89共炮點激發(fā)9091共炮點激發(fā)的兩種方式929394一、地震地質(zhì)介質(zhì)的簡化二、野外觀測方式的介紹三、一個分界面共炮點反射波時距曲線方程四、正常時差\動校正五、傾角時差六、時距曲面和時間場第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線96三、一個分界面共炮點反射波時距曲線方程

時距曲線定義表示波從震源出發(fā)，傳播到測線上各觀測點的旅行時間t，同觀測點相對于激發(fā)點的距離x之間的關(guān)系曲線。X=offset炮檢距一般情況下不是波傳播的實際路徑的長度。97討論時距曲線的實際意義不同的波具有不同的時距曲線，具有不同的特點。各種波時距曲線的特點是在地震記錄上識別各種類型地震波的重要依據(jù)。2.但在一點激發(fā)多道接收的地震記錄與實際地質(zhì)構(gòu)造是不對應(yīng)的。為了把反射波時距曲線校正為能反映地下界面形態(tài)的自激自收記錄，必須研究時距曲線。98以直達波為例99100101直達波102103104三、一個分界面反射波時距曲線方程

105單邊放炮1.106中間放炮這是一條什么曲線？107雙曲線108109模型試驗記錄110實例地震記錄111實例地震記錄反射波112實例地震記錄113實例地震記錄114實例地震記錄1152.116雙曲線117接收點在下傾方向118119一、地震地質(zhì)介質(zhì)的簡化二、野外觀測方式的介紹三、一個分界面共炮點反射波時距曲線方程四、正常時差\動校正五、傾角時差六、時距曲面第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線1201、正常時差的引出在M點自激自收O點激發(fā)S點接收t0M<tORS。四、正常時差和動校正1212、正常時差定義定義一

水平界面時，對界面上某點以炮檢距x進行觀測得到的反射旅行時同以零炮檢距(自激自收)進行觀測得到的反射旅行時之差。這是由于炮檢距不為零引起的時差。定義二

在水平界面下，各觀測點相對于震源的由于炮檢距不同而引起的反射波旅行時間差。兩種定義是有區(qū)別的，但在水平界面下兩種定義的定量關(guān)系相同。一般采用第一種定義，物理含義準(zhǔn)確。1223、正常時差的定量計算或其中代表的是M點的自激自收時間。123在一定的條件下，用二項式展開可以得到簡單的近似公式。

當(dāng)時，利用二項式展開，有則第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線--界面水平時的正常時差1244、動校正引入？動校正1254、動校正定義定義：在水平界面的情況下，從觀測到的反射波旅行時中減去正常時差

t，得到x/2處的t0時間。這一過程叫正常時差校正，或稱動校正。第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線126第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線模型試驗1275、傾斜界面下的動校正1)

界面水平時，動校正后x/2處的自激自收時間。2）界面傾斜下，動校正后的結(jié)果是什么？128動校正量計算：△tф=t-tR’M，

這樣動校正后就把t變換成tR’M。由此，精確的動校正量是：式中：h0是激發(fā)點O處界面的法線深度；

tR’M=2hM/V，hM是炮檢中點M處界面的法線深度。6.界面傾斜下，怎樣計算動校正量？129已知所以有

130實際中的做法

用水平界面的公式近似計算傾斜界面的動校正量。

應(yīng)當(dāng)注意：對傾斜界面的反射波進行動校正，不是（也不應(yīng)當(dāng)）把t校正成為t0，而是要把t校正成為tR’M。第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線131一、地震地質(zhì)介質(zhì)的簡化二、野外觀測方式的介紹三、一個分界面共炮點反射波時距曲線方程四、正常時差\動校正五、傾角時差六、時距曲面第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線132五、傾角時差(DipMoveout)tORS=tOR’S’。

1、傾角時差的引出第1種情況此時tORS≠

tOR’S’

，這是由于界面傾斜引起的。第2種情況134定義一：去掉炮檢距的影響，純粹由于界面存在傾角而引起的反射波旅行時差，稱為傾角時差。定義二：也可以說是由激發(fā)點兩側(cè)對稱位置觀測到的來自同一界面的反射波的時差。

第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線2、傾角時差概念

為什么tOR’S’與tORS之差就是傾角時差？1353、傾角時差的定量計算同理，對S’點：

當(dāng)時，上式用二項式展開，且略去高次項可得：

136把震源O點兩邊等距的兩觀測點的反射波傳播時間相減得傾角時差△td：

第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線需要注意的是，這里的t0是激發(fā)點O處的自激自收時間，h是O點處界面的法線深度。

4、傾角時差的意義

因為傾角時差由傾角引起，所以，如果測出了界面的傾角時差，則有可能利用它來估算界面傾角，而了解界面傾角，這是了解地下構(gòu)造的一個重要內(nèi)容。

估算傾角：138第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線六、時距曲面的概念如果在一點激發(fā)，而同時在一個面上的許多點進行接收，若觀測面是平面，波到達觀測面上的各點的時間t就是觀測點坐標(biāo)（x,y）的二元函數(shù)t=f(x,y)，顯然，函數(shù)t=f(x,y)的圖形是一個曲面，稱為時距曲面，函數(shù)t=f(x,y)稱為時距曲面方程。1、時距曲面直達波的時距曲面是一個頂點位于激發(fā)點的倒置的圓錐面。139第二節(jié)一個分界面情況下反射波的時距曲線2、時距曲面和時距曲線之間有如下關(guān)系：1）如果已知時距曲面，就可以確定沿此觀測面上任一條測線的時距曲線，因為它是包含測線并平行于t軸的面（測線是直線時就是平面與時距曲面的交線）。2）反之，在觀測面上沿許多條測線進行觀測后，根據(jù)所得的許多條時距曲線，也可以得出時距曲面。140第一章地震波的運動學(xué)第二節(jié)一個界面情況下反射波的時距曲線

第一節(jié)

地震波的基本概念

第三節(jié)地震折射波運動學(xué)第四節(jié)多層水平反射波時距曲線

第六節(jié)透射波和反射波垂直時距曲線

第五節(jié)連續(xù)介質(zhì)中地震波的運動學(xué)

141第三節(jié)地震折射波運動學(xué)1、折射波及其特點2、折射波的時距曲線方程3、一個分界面情況下各種地震波時距曲線的關(guān)系1、折射波及其特點147第三節(jié)地震折射波運動學(xué)1、折射波及其特點2、折射波的時距曲線方程3、一個分界面情況下各種地震波時距曲線的關(guān)系二、折射波的時距曲線方程一、一個水平界面折射波時距曲線折射波時距曲線與反射波時距曲線在起始點相切圖1－12傾斜界面折射波時距曲線上傾方向下傾方向二、一個傾斜界面折射波時距曲線三、水平層狀介質(zhì)折射波時距曲線167第三節(jié)地震折射波運動學(xué)1、折射波及其特點2、折射波的時距曲線方程3、一個分界面情況下各種地震波時距曲線的關(guān)系168三、一個分界面情況下各種地震波時距曲線的關(guān)系

（1）直達波時距曲線是反射波時距曲線的漸近線，可以從數(shù)學(xué)關(guān)系上加以論證。

（2）折射波時距曲線與反射波時距曲線在M1點相切，切點坐標(biāo)：直達波：反射波：各類地震波時距曲線間的相互關(guān)系歸納如下：當(dāng)x→∞時，169（3）直達波時距曲線與折射波時距曲線相交。證明：各種地震波時距曲線的關(guān)系交點時間為：170（4）在x<xc區(qū)間內(nèi)，直達波為初至波（最先接收到的波），在x>xc的區(qū)間，折射波為初至波，而直達波為續(xù)至波，反射波總是最后接收到（直達波、折射波、反射波三種波相比）。各種地震波時距曲線的關(guān)系171第一章地震波的運動學(xué)第二節(jié)一個界面情況下反射波的時距曲線第一節(jié)地震波的基本概念第三節(jié)地震折射波運動學(xué)第四節(jié)多層介質(zhì)情況下反射波的時距曲線第六節(jié)透射波和反射波垂直時距曲線

第五節(jié)連續(xù)介質(zhì)中地震波的運動學(xué)

172第四節(jié)多層介質(zhì)的反射波時距曲線

1、多層介質(zhì)的反射波實際時距曲線方程1762、討論層狀介質(zhì)時距曲線的基本思路：

水平層狀介質(zhì)，把目的層Ri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介質(zhì)的波速取某個值，使得Ri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。

1、總厚度不變2、T0不變第一種方法181用波速為均方根速度的介質(zhì)取代水平層狀介質(zhì)第二種方法其中進行二次項展開，令，并略去的高次項，得182以P為參數(shù)的水平多層介質(zhì)的時距曲線方程式。兩邊分別平方，略去

高次項，并消去P，簡化后多層水平介質(zhì)的時距曲線方程為其中，稱為均方根速度這兩條時距曲線有如下兩個現(xiàn)象：1)在激發(fā)點附近，這兩條時距曲線是基本上重合的。2)隨著遠(yuǎn)離激發(fā)點，它們逐漸地明顯分開，三層介質(zhì)的時距曲線在下方。這說明地震波在三層介質(zhì)傳播時真正速度要比平均速度大。

結(jié)論：在炮檢距不大時，可以把多層介質(zhì)的反射波時距曲線近似地看成雙曲線。四、多層和均勻速度假設(shè)層時距曲線比較