第1章几何地震学

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1、1,13:57:34,地震勘探原理,绪论 第二章 几何地震学 第三章 地震数据采集 第四章 地震勘探组合法 第五章 多次覆盖方法 第六章 地震波速度 第七章 地震勘探资料解释 第八章 几种专门的地震方法,2,13:57:34,第二章 几何地震学,几何地震学 :研究地震波的波前的空间位置与其传播时间的关系。引用波前、射线等几何图形来描述波的运动过程和规律 主要内容: 地震波传播的基本概念和基本规律 首先介绍基本概念和地震波在传播过程中所遵循的几个原理 然后分析在介质分界面上产生的反射波、折射波、透射波的条件及这些波的特点 最后讨论地震波在层状介质、连续介质中的传播特点,3,13:57:34,地震

2、波的形成 Seismic Wave Formation,第二章 几何地震学,假设地下岩石是均匀介质，它的各部位之间存在着弹性联系，当炸药在岩层中爆炸后，应变形成三个区域(Three Range):破坏圈，塑性带，弹性形变区。,4,13:57:34,第二章 几何地震学,1破坏圈 (Destroy Circle/round) 炸药在井中爆炸时，它所产生的高温高压气体对炸药周围的岩石产生了巨大的压力，靠近炸药附近的岩石，由于压力太大的抗压强而被压碎，形成了一个空洞的破坏圈。,5,13:57:34,第二章 几何地震学,2. 塑性带 ( Plastics Range/band) 在破坏圈内，由于爆炸的能

3、量有一部分在压碎岩石和发热过程中消耗，并随着离开震源距离的增加，炸药爆炸的能量传给越来越多的岩石单元，因而岩石单位体积上的能量将迅速减少，在离开炸药一定的距离时，炸药的能量将小于岩石的抗压强度，此时，岩石虽不再受破坏，但压力还是超过岩石的弹性极限。因此，这一带的岩石具有塑性形变的特点，在岩石中出现以震源为中心向四周扩张的辐射状的裂隙，这个地带叫塑性带。,6,13:57:34,第二章 几何地震学,3弹性形变区 ( Elasticity Formation Range/rear) 随着离开震源距离的增大，炸药的能量将变得更小。在这个区域，由于爆炸所产生压力作用变得很小，作用时间很短，所以此区域的岩

4、石已处在弹性限度内，可以把岩石看成是完全弹性体，整个区域称为弹性形变区。该区受力后，岩石质点将发生弹性形变，即发生弹性振动，由于岩石部分之间有弹性联系，所以这一部分岩石的质点（形变）又引起它周围各部分岩石的振动（形变。这样的弹性振动将由近及远的传播出去，就形成了在地下岩层中传播的弹性波地震波。,7,13:57:34,第二章 几何地震学 2.1 地震波的传播,2.1.1 地震波的描述 Seismic Waves Description 1、波前 Waves Front 、波后 Wave Back 、波面与波线 Waves Ray 波前：某一时刻介质中各点刚好开始振动，这一曲面叫波前，也叫波阵面。

5、 波后：某一时刻介质中各点的振动刚好停止，这一曲面叫波后，也叫波尾。 波面：把某一时刻介质中所有相同状态的点连成曲面,这个曲面就叫做这个时刻的波面，也叫等相面。 波线：在适当的时候，认为波及其能量沿着某一条路线传播，这条路线称为波线，或射线。,8,13:57:34,第二章 几何地震学,2 、振动图与波剖面（振动曲线与波形曲线） 振动曲线：某质点在不同时刻的位置关系（同点不同时） 波形曲线：在某一时刻不同质点的位置关系（同时不同点）（又叫波剖面）,振动 曲线,波形 曲线,振动曲线与波 形曲线的关系,u,9,13:57:34,以上地震记录是震动图还是波剖面？,T,X,10,13:57:34,左图为

6、地震记录，右图为单道地震记录，即震动曲线。,11,13:57:34,地震记录中常用的现实方式,波形显示,变面积显示,变密度显示,波形加变面积,波形加变密度,12,13:57:34,第二章 几何地震学,3、描述波的几个基本特征：振幅Amplitude 、 视周期Apparent Period 、 视频率Apparent Frequency 、视波长Apparent Wave Length 、视波数、视速度Apparent Velocity 振幅：在振动图形上极值的大小称为振幅。 视周期：在振动图形上相邻极大值间的间隔称为视周期。 视频率：视周期的倒数叫视频率。 视波长：在波剖面上相邻波峰或波谷之

7、间的距离称为视波长。 视波数：视波长的倒数叫视波数。 视速度：沿着观测方向测得波的速度值称为视速度，与真速度值有差别。,13,13:57:34,第二章 几何地震学,14,13:57:34,地震子波：当爆炸激发地震波时，在雷管引爆后几百微妙之内爆炸完成了，形成的压力是一个延迟时间很短（几毫秒）的尖脉冲。爆炸脉冲向外传播10多米后，形成地震波。再向外传播，由于介质对高频成分的吸收，振动图还要发生明显的变化，直到传播了更大的距离（100到几百米后），振动图的形状逐渐稳定，成为一个具有23个相位（极值），延续60100ms的地震波，称为地震子波。地震子波在继续传播过程中，严格讲，它的幅度和形状都会发生

8、变化。但在许多情况下，可以粗略地认为地震子波形状基本不变，只是幅度会因种种原因而衰减。在地震勘探中把地震子波看做组成一道地震记录的基本元素。地震勘探的原理，也可以理解为就是利用地震子波从地下地层界面反射回地面带回来的旅行时间和形状变化的信息，用以推断地下的地层构造和岩性。 特点：地震子波有确定的起始时间和有限的能量，是在短时间内衰减的一个信号。,15,13:57:34,地震正演时经常使用的地震子波为Ricker（雷克）子波，函数如下：,A=1为振幅，f0=30为主频，beta=0.5为衰减系数,编程思考题：计算不同振幅，主频，衰减系数的雷克子波，观察其特点。,16,13:57:34,2.1.2

9、 地震波传播的基本原理 Basic Principle of Seismic Wave propagation 1、惠更斯原理（波前原理）(Front Wave Principle) 2、惠更斯菲列涅耳原理 3、费马原理（射线原理）、时间最小原理(ray Principle/The Least Time Principle) 4、互换原理 5、叠加原理,第二章 几何地震学,17,13:57:34,第二章 几何地震学,1、惠更斯原理 克里斯蒂安惠更斯（荷兰科学家）在1690年出版的光论一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理 ，说明波向前传播的规律。,荷兰物理学家(1629-1695)

10、,18,13:57:34,第二章 几何地震学,表述：波在传播过程中，任一时刻的波前面上的每一点都可以看作是一个新的点震源，由它产生二次扰动，形成子波前，这些子波前的包络面(envelope) ，就是新的波前面。反映了波传播的空间位置、形态。根据这个原理可以通过作图的方法，由已知t时刻波前的位置去求出t+t时刻的波前。,意义：可确定波传播的方向（射线方向）。,19,13:57:34,第二章 几何地震学,2、惠更斯菲列涅耳原理（绕射积分原理） 惠更斯原理只给出了波传播的空间几何位置，而不能给出波传播的物理状态，如能量变化问题，在1814年菲列涅耳补充了惠更斯原理，他认为；波传播时，任一点处质点的新

11、扰动，相当于上一时刻波前面上全部新震源所产生的子波在该点处相互干涉叠加形成的合成波。这就是惠更斯菲列涅耳原理。 波前上任意一点都向该点波前的方向前进，这种垂直波前的线称为射线，用射线来描述波的传播比用波前面更为方便。,20,13:57:34,第二章 几何地震学,3、费马原理（射线原理）/时间最小原理 波沿射线传播的时间是最小的费马时间最小原理。（在均匀介质中最短路程和时间一致，但分均匀介质则不一样）,21,13:57:34,4、互换原理 指震源和检波器的位置可以互相交换，同一波的射线路径保持不变。 5、叠加原理 几个波相加的结果等于各个波作用的和。,22,13:57:34,2.1.3 与地震勘

12、探有关的各种地震波,（1）按质点的震动方向分：纵波和横波,纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致；横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直。,球面纵波的质点位移,球面横波的质点位移,23,13:57:34,纵波和横波有先后相继发生的现象（纵波速度大，横波速度小）。发生天然地震时，人们可能有这种感受：首先感到地面上下振动，这是垂直地面振动的、传播速度较快的纵波首先到达造成的；过后又会感到左右摇晃，这是平行地面振动的、传播速度较慢的横波接踵而来造成的。,24,13:57:34,（2）波所传播的空间范围又将波分为：体波和面波,体波是指在介质的内部传播的波，而面波是指在自由表面（岩石和空气接触面）或岩层

13、分界面附近观测到的波。,25,13:57:34,（3）按照波在传播过程中的传播路径，把地震波分为：直达波、反射波、透射波、折射波、滑行波、绕射波等，如下图所示。,图1-5 与地震勘探有关的各种波,26,13:57:34,当地震波传到断层、地层尖灭点或地层不整合面的突起点时，即介质性突变点，按照惠更斯原理，在这些突起点上会成为新的次生震源，再次发射球面波向四周传播，这种波称为绕射波。,单个点引起的绕射波,实际地震叠加剖面中的绕射波,27,13:57:34,第二章 几何地震学,2.1.4 地震波的反射、透射和折射 Seismic Wave Reflection, Penetration and R

14、efraction 1、反射和透射 反射定律：反射线和入射线都位于射线平面内，入射角等于反射角。 透射定律：透射线位于射线平面内，对入射波、透射波来说具有相同的射线参数，即,28,13:57:34,综合反射定律和透射定律的内容，并扩展到水平层状介质的情况，可以得到Snell定律。它还包括横波和纵波的传播。设各层的纵波、横波速度分别用 表示；入射波是纵波，入射角为 ；各层的纵波，横波的反射角和透射角分别用 表示，则Snell定律的形式如下：,Snell定律,P称为射线参数。在水平层状介质中，当波的某条射线以某一角度入射到第一个界面后，再向下透射的方向由上式决定，这条射线就对应一个射线数值,29,

15、13:57:34,入射纵波会同时产生反射纵波，反射横波，透射纵波，透射横波。如果产生的波与入射波的类型不同，则称为转换波；如果产生的波与入射波的类型相同，则称为同类波。入射纵波垂直入射时，不产生转换波，其反射振幅和入射振幅与两边介质的波阻抗有如下关系：,R称为反射系数（严格的讲应该是纵波垂直入射时的纵波反射系数）。所以只有波阻抗不等时，才能发生反射，波阻抗界面才是反射界面，而速度不等，波阻抗不一定不等。,30,13:57:34,五、反射系数与地震记录,子波：W(t) 波阻抗： 反射序列：R(t) 地震记录：,子波W（t） 反射序列R(t),R1,R2,Rn,R3,编程思考题：采用雷克子波正演一

16、道地震记录。4层模型，速度依次为1000，1500，2000，2500m/s.密度依次为2000，2500，3000，3500，4000kg/m3，厚度均为1000m。不考虑噪声n（t）。,31,13:57:34,雷克子波,单道褶积记录，反射系数为R（t=0.03s）=1， R（t=0.16s）= -1， R（t=0.3s）= 0.2 。,目的：通过该程序理解地震记录产生的基本原理。,32,13:57:34,形成地震记录的思想，可以用于计算理论地震记录（人工合成地震记录）。实际看到的地震记录上的波形是地震子波从地下许多反射面发生反射时形成的，许多振幅有大小（取决于反射系数的大小），极性有正负（取决于反射系数的正负），到达时间有先后（取决于界面埋深及覆盖层的速度）的地震子波叠加的结果。褶积模型是简化了的反射记录道线性模型，它省略了介质吸收衰减，透射损失等诸多因素，但它仍是一个很有实用价值的模型。,33,13:57:34,褶积*实例,（1，0，0.5）与（1，-0.5）褶积,1 -0.5