地震波動(dòng)力學(xué)-折射波.ppt

1、1,第一章 地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué),第二節(jié) 一個(gè)界面情況下反射波的時(shí)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(yùn)動(dòng)學(xué),第四節(jié) 多層水平反射波時(shí)距曲線,第六節(jié) 透射波和反射波時(shí)距曲線,第五節(jié) 連續(xù)介質(zhì)中地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué),2,二、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(huì)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。 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,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(dòng)，在第

2、一種介質(zhì)中要激發(fā)出新的波動(dòng)，即地震折射波。,3,5)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,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)，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)中形成別的波(折射波)已可滿足邊界條件。 2)而在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,5,證明： 滑行波在反射界面各點(diǎn)的時(shí)間比入射波要早,只要證明滑行波比入射波先到達(dá)C點(diǎn)，即t1t2或t= t1- t20

3、。,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,6,證明：,當(dāng)=i，cos(-i)=cos0=1，t=0，即同時(shí)到達(dá)。,二、折射波的形成和傳播規(guī)律,當(dāng)i，0cos(- i)1, t0， 即臨界角以外，滑行波比入射波要早到達(dá)。,7,1）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。 2）折射波有“盲區(qū)”，折射界面很深時(shí)，盲區(qū)會(huì)很大。,2、折射波傳播的規(guī)律和特點(diǎn),8,3）折射波法只能研究其速度大于上面所有層速度的地層，即VNVk（k=1，2，3，N-1）。 實(shí)際中“折射層”比“反射層”數(shù)目少。 地層屏蔽效應(yīng)如果地層中有速度很高的厚

4、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。這種現(xiàn)象稱為“屏蔽效應(yīng)”。 如果高速層厚度小于地震波的波長(zhǎng)，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,9,已知: 界面深度為h0 ，介質(zhì)的速度為v0和v1 ，且v1 v0 ,在O點(diǎn)激發(fā)， OA1 以臨界角入射，在測(cè)線S點(diǎn)接收的，距離為x。,求：折射波t=f（x，v， h0 ）的函數(shù),三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線,對(duì)任一個(gè)接收點(diǎn)S，折射波走過的路程為OA1B1S，走時(shí)為,10,三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線,令,11,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，其斜率k=1/V1，直線的截距為

5、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(zhǎng)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)。 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h0,12,當(dāng)xxm時(shí)，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)為：,三、水平界面下折射波的時(shí)距曲線,由此可知，產(chǎn)生折射波的界面埋藏越深，盲區(qū)越大。 在折射波時(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

6、是折射波射線），因此這兩條時(shí)距曲線在該點(diǎn)相切。,13,四、一個(gè)分界面情況下各種地震波時(shí)距曲線的關(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。,（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：,當(dāng)x時(shí)，,14,（3）直達(dá)波時(shí)距曲線與折射波時(shí)距曲線相交，相交處為超前時(shí)間。,證明：,各種地震波時(shí)距曲線的關(guān)系,交點(diǎn)時(shí)間為：,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,（5）時(shí)距

7、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) 多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線,1、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) 層狀介質(zhì) 連續(xù)介質(zhì),一、討論多層介質(zhì)問題的思路,均勻介質(zhì) 認(rèn)為反射界面R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，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) 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，介質(zhì)性質(zhì)的突變。界面R可以是水平（稱水平層狀介質(zhì)）或是傾斜的。,第四節(jié) 多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線,把實(shí)際介質(zhì)理想化為層狀介質(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

8、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) 所謂連續(xù)介質(zhì)是認(rèn)為在界面R兩側(cè)介質(zhì)1與介質(zhì)2的速度不相等，有突變。但界面R的上覆地層(即介質(zhì)1)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)V(z)。,第四節(jié) 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)。,19,2、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(gè)值，使得Ri界面以上的介質(zhì)簡(jiǎn)化為均勻介質(zhì)，

9、即變成均勻介質(zhì)模型。,第四節(jié) 多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線,20,二、三層水平介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線,已知: 三層介質(zhì)的速度為v1 、v2和 v3 ，介質(zhì)厚度為h1 和h2 ，在O點(diǎn)激發(fā)，在測(cè)線S點(diǎn)接收的，距離為x。,對(duì)于水平界面，反射路徑與入射路徑是對(duì)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。,21,第四節(jié) 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。 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。,22,兩層介質(zhì)和多層介質(zhì)，這兩種情況下地震波傳

10、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)距曲線的自激自收時(shí)間t0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)和水平層狀介質(zhì)總厚度相等； 假想的均勻介質(zhì)的t0與水平層狀介質(zhì)t0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,23,層狀介質(zhì)中波傳播的速度例子,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V1=V1 V2=V2 。,兩層的旅行時(shí)：,24,1）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)。,2）

11、采用加權(quán)平均,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。,Vav,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,引入平均速度，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Vav就是用這組地層的總厚度去除以波在垂直層面的方向旅行的總時(shí)間。 引入平均速度的好處： 1）把多層介質(zhì)簡(jiǎn)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)的反射波時(shí)距曲線是雙曲線，可進(jìn)行動(dòng)校正； 3）平均速度可以通過地震測(cè)井來實(shí)際確定。,26,n層水平層狀介

12、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,引入平均速度也是對(duì)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)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、多層和均勻速度假設(shè)層時(shí)距曲線比較,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(jiǎn)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。,第一種方法,第二種方法,其中,其中,28,這兩條時(shí)距曲線

13、有如下兩個(gè) 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)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：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。,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(cè)方式,第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線,討論地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)一般從3個(gè)方面來討論：,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，是目前地震勘探中的主要觀測(cè)方式。,30,地震測(cè)

14、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(cè)井。這種觀測(cè)方法得出剖面是垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile，簡(jiǎn)稱VSP )，得出的是地震波垂直時(shí)距曲線。,這種觀測(cè)方式能測(cè)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(cè)點(diǎn)布設(shè)在地面的觀測(cè)方式稱之為反VSP觀測(cè)方法。,第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線,31,第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線,一、透射波的時(shí)距曲線,井中觀測(cè)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)地震波速

15、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：,透射波時(shí)距曲線為雙曲線，且只有半支。,32,第六節(jié) 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,地下為水平層狀介質(zhì)，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：,由Snell定律可知：,33,第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線,當(dāng)零偏觀測(cè)d=0時(shí)，n層水平層狀介質(zhì)的時(shí)距曲線：,此時(shí)，時(shí)距曲線是一條折線，每一直線與一個(gè)水平層對(duì)應(yīng)，每段直線斜率的倒數(shù)就是該層的層速度；折線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與分界面對(duì)應(yīng)。,34,第六節(jié) 透射波和反射波的時(shí)距曲線,二、其他反射波時(shí)距曲線,地下水平界面，深度為H ，速度為v，地表激