地震波的基本概念.ppt

1、A,1,地球物理系 王永剛,地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,地球物理勘探,A,2,課 程 內(nèi) 容,第1章 緒論 第2章 地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論 第3章 地震資料采集方法與技術(shù) 第4章 地震波速度 第5章 地震資料解釋的理論基礎(chǔ) 第6章 地震資料構(gòu)造解釋,A,3,第2章 地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念 第二節(jié) 常速單界面的反射波路徑及 數(shù)學(xué)表達(dá)式 第三節(jié) 變速多界面的反射波路徑及 數(shù)學(xué)表達(dá)式 第四節(jié) 地震折射波運(yùn)動(dòng)學(xué),A,4,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念 一、地震波的基本概念 二、地震波的傳播規(guī)律 三、地震波的類(lèi)型,第2章 地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,A,5,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)（Kinem

2、atics of seismic wave)是研究地震波波前面的空間位置與其傳播時(shí)間的相互關(guān)系，它與幾何光學(xué)相似，是引用波前、射線等幾何圖形來(lái)描述波的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和規(guī)律，因此也稱(chēng)幾何地震學(xué)。,一、地震波的基本概念 1、地震波 振動(dòng)介質(zhì)中每一個(gè)點(diǎn)圍繞平衡位置的運(yùn)動(dòng)。 波動(dòng)振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程。波動(dòng)是一種不斷變化、不斷推移的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。振動(dòng)和波動(dòng)的關(guān)系就是部分和整體的關(guān)系。,A,6,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,振動(dòng)總有一定的能量，既然波動(dòng)是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程，那么伴隨著振動(dòng)的傳播，當(dāng)然也就有能量的傳播。波動(dòng)是能量傳播的重要方式之一，其特點(diǎn)是：當(dāng)能量在介質(zhì)中通過(guò)波動(dòng)從一個(gè)位置傳到另一個(gè)位置時(shí)，介質(zhì)本

3、身并不傳播。 彈性理論的研究表明，每種物體在外力作用下，整體表現(xiàn)為彈性還是塑性主要取決于具體的條件，例如物體本身的物理性質(zhì)，作用力的大小和特點(diǎn)（延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短、變化的快慢等），以及所處的外界環(huán)境（溫度、壓力等）。在壓力很大、作用時(shí)間很長(zhǎng)的條件下，大部分物體都表現(xiàn)為塑性性質(zhì)。反之，在外力很小、作用時(shí)間很短的情況下，大部分物體都具有彈性性質(zhì)。,A,7,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,在壓力很大、作用時(shí)間很長(zhǎng)的條件下，大部分物體都表現(xiàn)為塑性性質(zhì)。反之，在外力很小、作用時(shí)間很短的情況下，大部分物體都具有彈性性質(zhì)。,物體受力的三種狀態(tài)： 彈性形變 塑性形變 永久形變,A,8,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,地震

4、勘探中形成地震波的過(guò)程是：若激發(fā)方式為炸藥爆炸，那么在炸藥包附近,爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力大大超過(guò)巖石的極限強(qiáng)度,巖石遭到破壞形成一個(gè)破壞帶。隨著離開(kāi)震源距離的增大，壓力減小,但仍超過(guò)巖石的彈性限度，該范圍巖石發(fā)生塑性形變，形成一些輻射狀或環(huán)狀裂隙的塑性帶。再向外,壓力降低到彈性限度以?xún)?nèi),又因?yàn)檎ㄋ幈ㄋa(chǎn)生的是一個(gè)延續(xù)時(shí)間很短的作用力,該區(qū)域的巖石發(fā)生彈性形變,即為彈性帶。 由此可見(jiàn),地震波就是一種在巖層中傳播的彈性波。,圖2-1-1 爆炸產(chǎn)生的三個(gè)帶,A,9,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,2、波前、波后和波面 波前介質(zhì)中的各點(diǎn)剛剛開(kāi)始振動(dòng)，這一曲面S2稱(chēng)作波在t1時(shí)刻的波前或波陣面。 波后在V0和

5、V1的分界面S1上，介質(zhì)中各點(diǎn)剛剛停止了振動(dòng)，這一曲面S1叫做波在t1時(shí)刻的波后或波尾。不指明哪一個(gè)時(shí)刻的波前和波后是沒(méi)有意義的。,A,10,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,波面介質(zhì)中每一個(gè)同時(shí)開(kāi)始振動(dòng)的曲面。在波的傳播過(guò)程中，波前將不斷推進(jìn)而掃過(guò)介質(zhì)的全部。因此，波前在整個(gè)介質(zhì)中都留有遺跡。換句話說(shuō)，通過(guò)介質(zhì)中的任何一點(diǎn)，都有一個(gè)波面。在介質(zhì)中任取一點(diǎn)P，再找出介質(zhì)中和P點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始振動(dòng)的那些點(diǎn)，將這些點(diǎn)連成一個(gè)曲面，就是通過(guò)P點(diǎn)的波面。由此可見(jiàn)，波面是波前的“遺跡”，波面是同相的、等時(shí)的和靜止的。,A,11,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,按照波面的形狀，可以對(duì)波進(jìn)行分類(lèi)。如果所有的波面都是球面則為

6、球面波；如果都是柱面則為柱面波；如果都是互相平行的平面就叫做平面波。波面的形狀取決于波源的形狀和介質(zhì)的性質(zhì)。,3、射線 在幾何地震學(xué)中，通常認(rèn)為波及其能量是沿著一條“路徑”從波源傳到所考慮的一點(diǎn)P，然后又沿著那條“路徑”從P點(diǎn)傳向別處。這樣的假想路徑就叫做通過(guò)P點(diǎn)的波線或射線。在波動(dòng)所及的介質(zhì)中，通過(guò)每一點(diǎn)都可以設(shè)想有這么一條波線。在各向同性介質(zhì)中，波線和所過(guò)各點(diǎn)處的波面相垂直。例如，在均勻介質(zhì)中的球面波，波線就是從波源向外的半徑，這就是“射線”一詞的由來(lái)。,A,12,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,4、振動(dòng)圖與波剖面 波動(dòng)是一種很復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 在這種過(guò)程中，介質(zhì)中的無(wú)數(shù) 個(gè)小部分都在振動(dòng)，而

7、且不同部 分的振動(dòng)還可以在相位、強(qiáng)度等方面有所不同。這樣復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，是不能用單獨(dú)一條曲線來(lái)描述其全過(guò)程的。例如，指定了一個(gè)點(diǎn)P1,它的振動(dòng)可以用一條振動(dòng)曲線來(lái)反映，如上圖所示。但是，這樣的任何一條曲線，只是反映無(wú)限多個(gè)點(diǎn)中某一指定點(diǎn)而已。 在地震勘探中，每個(gè)檢波器所記錄的，便是那個(gè)檢波器所在點(diǎn)處的地面振動(dòng)，它的振動(dòng)曲線習(xí)慣上叫做該點(diǎn)的振動(dòng)圖。,A,13,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,為了反映各點(diǎn)間的振動(dòng)關(guān)系，常常采用描繪波形曲線的方法，即把在同一時(shí)刻各點(diǎn)的位移畫(huà)在同一個(gè)圖上。選定一個(gè)時(shí)刻t1，我們用縱坐標(biāo)代表各物質(zhì)小塊離開(kāi)平衡位置的位移，橫坐標(biāo)為各點(diǎn)的距離x ，就得到一條曲線。這條曲線就叫做波在

8、t1時(shí)刻沿x方向的波形曲線。 在地震勘探中，通常把沿著測(cè)線畫(huà)出的波形曲線叫做“波剖面”。,A,14,振動(dòng)是一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)； 波動(dòng)是振動(dòng)的傳播，即介質(zhì)整體的運(yùn)動(dòng)。 振動(dòng)傳播的速度為波速，與質(zhì)點(diǎn)本身運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)。波速有限是波動(dòng)的必要條件。 波動(dòng)伴隨能量傳播。,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,總結(jié),A,15,振動(dòng)曲線：表示質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的曲線。 振動(dòng)圖：檢波器所在點(diǎn)的振動(dòng)曲線。 波形線：同一時(shí)刻各點(diǎn)的位移繪制在一個(gè)圖上得到的曲線。 波剖面：沿測(cè)線的波形曲線。,總結(jié),A,16,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,5、地震子波(wavelet) 爆炸脈沖的變化如右圖所示。 具有多個(gè)相位、延續(xù)60100毫秒的穩(wěn)定波形（圖c）

9、稱(chēng)為地震子波。 如果把某個(gè)反射界面以上的地層介質(zhì)視為一個(gè)濾波器，該濾波器的輸入就是激發(fā)脈沖，,其輸出則為激發(fā)的單位脈沖通過(guò)該濾波器的時(shí)間響應(yīng)，從這個(gè)意義上講，地震子波就是地震能量由震源通過(guò)復(fù)雜的地下路徑傳播到接收器所記錄下來(lái)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度(陸上檢波器)或壓力(海上檢波器)的遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)間域響應(yīng)。,A,17,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,廣泛用于地震正演模型計(jì)算和地震資料解釋中的雷克（Ricker）子波，在時(shí)間域可表示為：,在頻率域可表示為：,式中f(t)與F(f)互為傅立葉變換，fp為頻譜的峰值頻率。,A,18,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,雷克子波的基本圖形如下圖所示，(a)是子波波形，(b)是振幅譜

10、。雷克子波是零相位子波，故其相位譜恒為零。,A,19,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,6、描述波動(dòng)的特征量 常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)：頻率、周期、振幅、波長(zhǎng)、速度、視速度、視波長(zhǎng)。 正弦波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的波。 速度和波長(zhǎng)是沿著波的傳播方向來(lái)考慮問(wèn)題的。若沿著其他方向，則討論的是視速度和視波長(zhǎng)。,A,20,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,視波長(zhǎng)與真波長(zhǎng)、視速度與真速度的關(guān)系：,式中是波的入射角（射線與界面法線的夾角）。 因?yàn)閟in1，所以Va和a不小于它們的真實(shí)速度V和波長(zhǎng)。,A,21,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,二、地震波的傳播規(guī)律 1、反射定律 由實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出的反射定律如下：反射線位于入射平面內(nèi)，反射角等于

11、入射角，即 。,射線平面與界面的關(guān)系分以下兩種情況加以討論：,A,22,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,水平界面的射線平面 測(cè)線垂直界面走向的傾斜界面， 既垂直界面也垂直地面 射線平面既垂直界面也垂直地面,A,23,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,測(cè)線不垂直界面走向的傾斜界面，射線平面垂直界面，但不垂直地面。,A,24,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,2、透射定律 由實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出的透射定律如下：透射線也位于入射面內(nèi)，入射角的正弦與透射角的正弦之比等于第一、二兩種介質(zhì)中的波速之比，即：,若把上式改寫(xiě)成如下形式：,或,此式表明：沿著界面，波在兩種介質(zhì)中傳播的視速度是相等的。,A,25,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概

12、念,由右下圖可以看到所謂全反射現(xiàn)象的存在。如果V2V1，則有sin2sin1，即21 ；當(dāng)1增大到一定程度但還沒(méi)到90o時(shí)，2已經(jīng)增大到90o這時(shí)透射波在第二種介質(zhì)中沿界面“滑行” ，出現(xiàn)了“全反射”現(xiàn)象，因?yàn)?再增大，就不能出現(xiàn)透射波了。,開(kāi)始出現(xiàn)“全反射”時(shí)的入射角叫做臨界角；因?yàn)檫@時(shí)2=90o，sin2=1，所以臨界角c滿(mǎn)足下列關(guān)系式：,全反射示意圖,A,26,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,3、斯奈爾（Snell）定律 設(shè)各層的縱波、橫波速度分別用Vp1，Vs1，Vp2，Vs2，.Vpi，Vsi表示，下標(biāo)代表各種波的入射角，則斯奈爾定律可表示為：,式中P稱(chēng)為射線參數(shù)。在水平層狀介質(zhì)中，當(dāng)波

13、的某條射線以某一角度入射到第一個(gè)界面后，再向下透射的方向?qū)⒂缮鲜經(jīng)Q定，這條射線就對(duì)應(yīng)于一個(gè)射線參數(shù)值Pi 。,A,27,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,4、費(fèi)馬（Fermat）原理 費(fèi)馬原理較通俗的表達(dá)是：波在各種介質(zhì)中的傳播路徑，滿(mǎn)足所用時(shí)間為最短的條件。,費(fèi)馬原理示意圖,A,28,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,5、惠更斯（Huygens）原理 惠更斯原理是利用波前概念來(lái)研究波的傳播的。表述為：在已知波前面（等時(shí)面）上的每一個(gè)點(diǎn)都可視為獨(dú)立的、新的子波源，每個(gè)子波源都向各方發(fā)出新的波，稱(chēng)其為子波，子波以所在處的波速傳播，最近的下一時(shí)刻的這些子波的包絡(luò)面或線便是該時(shí)刻的波前面。這樣從前一個(gè)波前面位置移到下一個(gè)波前面位置，如法炮制，便可得到介質(zhì)中的等時(shí)面系，因而得到波在該介質(zhì)中傳播的全部特點(diǎn)。,A,29,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,利用惠更斯原理求新波前,A,30,第一節(jié) 幾何地震學(xué)基本概念,三、地震波的類(lèi)型,按照波在傳播過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向來(lái)區(qū)分，可以分為縱波和橫波。 按波動(dòng)所能傳播的空間范圍來(lái)區(qū)分，地震波又可分為體波和面波。 按照波在傳播過(guò)程中的傳播路徑的特點(diǎn)來(lái)區(qū)分，又可把地震波分為直達(dá)波、反射波、透射波（透過(guò)波）、折射波等，如右