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1、第一章 地震勘探的理论基础,本章要求,掌握应力与应变、杨氏模量、泊松比、体变模量、切变模量的概念与量纲； 掌握弹性振动的基本原理； 掌握纵波、横波、面波产生的机制，及速度与弹性模量间的关系； 掌握视速度定理，了解振动图与波剖面的异同； 了解频谱分析的意义及频谱概念在地震勘探中的应用方法； 掌握地震波传播的基本原理，掌握波的反射和透射定理，波的吸收与衰减的概念和规律； 了解波在水平层状介质与连续介质中传播的规律，了解波的散射与绕射的形成机制； 掌握决定地震波传播速度的主要因素和地震地质条件。,地震勘探,通过人工制造一些微小地震，分析地震波在介质中的传播规律，达到探测地下介质的分布状态及测定介质的
2、动力学参数。,地震勘探的基本原理,弹性介质中波的传播规律,地震勘探的理论基础,物质的弹性理论,地震勘探的分类,按所观测波的类型：反射波法、折射波法、面波勘探 按勘探深度：浅层地震、深层地震,浅层地震的应用,主要应用于水、工、环地质调查，此外还可应用于岩土体力学参数的原位测试、工程检测、人文调查及工业找矿等。有关应用范围见下图,浅层地震勘探,研究地质构造,研究岩（土）体的状态和特性,勘探目的层的层面埋深及厚度,探测断层破碎带,探测地下洞穴,追索沙层及砂砾层的潜水面,确定滑坡的厚度及结构,地质资源调查(水、矿、建材),地震小区划、砂土液化判定,桩基检测，地基、坝堤质量检测,测定纵、横波传播波速,测
3、定坚硬岩石的抗压强度,测定弹性模量及应变指标,估算岩石各向异性及程度,密实度(夯实、碾实等)评价,定量算出孔隙度和裂隙度,测定场地卓越周期,确定地基土的动力学参数和密度,地层划分和风化层分带,一、 弹性介质,自然界的物质大部分均具有弹性和塑性 物体在外力作用下产生形变，当外力去掉后，物体能迅速恢复到受力前的形态和大小，物体的这种性质称为弹性，该介质称为弹性介质。 各向同性：介质的弹性性质与空间方向无关 理想的状态下的介质为各向同性的、均匀的、完全弹性介质，地震波传播理论是建立在理想状态下的。,第一节 弹性介质,（一）概念：应力、应变,1. 应力 物体在外力作用下其内部产生与外力平衡的附加内力，
4、即内聚力的改变量。定义为任意截面上单位面积内的附加内力为应力。分解为沿截面法向和切向两个分量，分别称为正应力和剪应力。 P=F/S,二、 应力、应变与弹性参数,2.应变 应变是应力所引起的物体形变的一种量度，定义为单位长度或单位体积内的形变量。 线应变(=L/L或d/d) 体应变(=V/V) 切应变(=L/L=tg),（二） Hook定律,在弹性限度内，应变与应力呈正比，即Hook定律，满足该定律的物体称为完全弹性体。,（三） 弹性参数,1. 杨氏模量 （线应变）,泊松比,弹性极限点,PP为线性变形区；PQ、PQ非线性变形区,2. 体变模量（不可压缩系数）,3. 剪切模量（刚度）,当角度很小时
5、,第二节 地震波,一、地震波的形成 常用的激发震源：爆炸、锤击、猎枪、机械振动、电火花等。 以爆炸为例，说明地震波的形成过程,假设地下介质是均匀介质，爆炸所产生的高温高压气体对震源周围的岩石产生巨大的压力，此时我们可将震源周围分成三个区：,破坏区,爆炸压力远大于岩石的抗压强度,塑性区,弹性变形区,岩石所受到的压力仍大于其弹性限度，岩石出现辐射状和环状裂隙，发生塑性变形。,岩石受力在其弹性限度内，发生弹性变形。岩石间质点发生弹性形变而形成弹性振动。,弹性振动又近至远而形成了弹性波-地震波,二、振动图和剖面图,1.振动图（振动曲线）,当X为某一确定值时（X=X1），二元函数u=u(x，t)就变为t
6、的一元函数u=u(t)。也就是说质点振动位移随时间变化的关系曲线（或图形） ，称之为振动图。振动图表示地震波随时间变化的规律。,地震波在传播过程中使介质很多质点都在振动，为具体描述振动的状态，设想了与介质质点振动有关的图形。由于波在介质中传播时质点振动位移随不同的时间和位置是不相同的，当沿测线（设为X轴）工作时，质点的位移u是时间t和测点X的二元函数，为u=u(x,t)，于是可以从两个坐标系统观察振动。,在震法勘探中，由仪器记录的原始曲线均为振动图,：地震波振动位移大小（称振幅值变化） T：振动周期 t：延续时间 t1: 初至,2.波剖面图（波形曲线）,地面 O X1 X2,波射线,波前,波尾
7、,波前：某tk时刻所有刚起振的点连成曲面，叫tk时刻的波前,波尾：某tk时刻所有刚停振的点连成曲面，叫tk时刻的波尾,波剖面图：将某tk时刻不同距离上质点的振动位移连成曲线，叫tk时刻的波剖面图,波长：波峰至相邻波峰间的距离。 波前：该时刻刚刚开始振动的点。 波尾：该时刻刚刚停止振动的点。,3.振动图和波剖面图的关系,区别：,振动图为某一固定位置（即X=常数），质点位移与振动时间的关系：u=f（t）；剖面图则是固定某一时刻tk，质点振动位移与距离的关系：u=f（x）。,联系：,见右图,第三节 地震波的类型及传播特征,一、地震波类型,体波 面波,在整个三维空间传播弹性应变能量，称为体波。,体波可
8、分为纵波（压缩波）和横波（剪切波）,沿介质自由表面或不同介质的分界面传播的波，称为面波。,面波可分为瑞利波和勒夫波,1. 纵波,压缩带,膨胀带,弹性介质发生体积形变（即拉伸与压缩形变）所产生的波动称为纵波。 当纵波在介质中传播时,会形成间隔出现的压缩带和稀疏带,因此,纵波又称为压缩波（P波）。 特点：波的传播方向和质点的振动方向一致。,2. 横波,（b）SH波,（c）SV波,弹性介质发生切变时所产生的波动，即剪切形变在介质中的传播,又称为剪切波（或S波）。 特点：质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。S波可以看作是由两个方向的振动所组成的。（见下图） SH波：质点振动在水平平面内的横波分量。
9、SV波：质点振动在垂直平面内的横波分量。,3. 面波,瑞利波：是沿介质与大气层接触的自由表面传播的面波。（图a） 特点：质点在通过传播方向的垂直面内沿椭圆轨迹作逆时针运动： 椭圆长轴垂直于介质表面； 长短轴之比大致为3：2； 强度随深度呈指数衰减； 水平方向衰减很慢； 瑞利波在地震记录具有频率低,速度接近于横波速度。 勒夫波：沿两种弹性介质分界面传播。这种波一般出现在覆盖层和下伏介质分界面,可看作是SH波的一种特殊形式。由于这种面波对地震勘探影响不大,故研究少。（图b）,二、地震波频谱和振幅,频谱：任何一个地震波皆可用一个波形函数A(t)描述,A(t)可以看作是由无限多个频率连续变化的谐和振动
10、叠加而成。这些谐和振动的振幅和初相位随频率的改变而变化的关系,统称为地震波的频谱。 频谱分为： 振幅谱：振幅随频率变化的关系。 相位谱：初相位随频率的变化关系。 作用：频率分析,根据有效波和干扰波的频段差异 指导野外工作方法的选择 给数字滤波和资料处理等工作提供依据。,1.主频及频带宽度,地震波是人工激发的非周期脉冲振动，可用傅氏积分展开为无限多个频率、不同相位、不同振幅的简谐振动，这个过程叫频谱分析（FFT-快速傅里叶变换）。,经FFT变换的振幅随频率变化的函数称振幅谱,经FFT变换的相位随频率变化的函数称相位谱,主频f0：振幅谱曲线极大值所对应的频率（信号的大部分能量都集中在主频附近的谐振
11、分量中）； 频带宽度：若|A（f）|最大值为1，则可找|A（f）|=0.707的两个频率f1和f2,两者之差f=f2-f1为频带宽度。,2.频谱特征,反射波,面波,直达横波,折射波,工业干扰,风干扰,声波,大量的实际观测和分析,各种不同类型的地震波的能量主要分布频带是不同的。 各种波的主要能量分布： 面波：10-30Hz，具低频特点； 直达波：25-50Hz； 折射波：30-45Hz； 反射波：30-70Hz； 声波：100Hz以上； 工业干扰：50Hz，频带窄； 风草等微震：高频，频带宽。,对于反射波而言，浅层反射的信号频率高、相对深层反射的信号频率较低；且浅层时间短的信号的频带比深层时间长
12、的信号频带要宽，即信号的时间长短与频带宽度成反比。见图：,大地低通滤波器效应： 地震波在传播过程中随着距离（或深度）的增加，高频成分会很快地损失，而且波的振幅按指数规律衰减。实际地层对波的这种改造，称之为大地低通滤器效应。,(a)反射波波形,(b)相应的振幅谱,不同类型的震波，其频谱也有差别，同一界面的反射横波比纵波频谱低、频带窄。见右图,不同方式的震源激发，地震波频谱也有差别。如右图：(1)为炸药、(2)为锤击、(3)为高频震源枪,三、地震波传播速度,地震波在介质中的传播速度取决于介质的弹性参数和波类型。,纵波,横波,纵横波比,Vp/Vs与泊松比的关系 对于岩土介质来说,越坚硬致密越小,越松
13、软越大,液体的泊松比最大 =0.5；多数岩石从0.2到0.3。当从00.5,Vp/Vs从21/2； 横波速度比纵波速度低,横波分辩薄层比纵波深；岩层富含水或油气时,纵波速度影响大,横波无影响,可利用Vp/Vs来判断岩土介质的含水性。,Vp/Vs与泊松比的关系表,面波,对于三种波的传播速度，根据上述理论公式可知：,且当=0.25时,同种介质中,四、地震波传播原理,研究地震波在传播中的空间位置与传播时间的关系称为地震波的运动学；而研究波形、频率、相位、振幅等与空间位置的关系称为地震波的动力学。,地震波的运动学特征表现为地震波在传播中所遵循的规律-传播原理。,1. 惠更斯原理-波前原理,惠更斯原理是
14、说明波前向前传播的规律：在弹性介质中，已知t时刻的同一波前面上的各点，可以把这些点看作从该时刻产主子波的新的点振源，经过t时刻后，这些子波的包络面就是t+ t时刻新的波前面。,2. 费马原理-射线原理、最小时间原理,费马原理的通俗表达：波在各种介质中的传播路线，满足所用时间为极值的条件。,费马原理可以这样来描述，地震波沿射线传播的旅行时和沿其他任何路径传播的旅行时相比为最小，也就是说，波沿旅行时最小的路径传播，这一最小路径称作射线。在均匀介质中，两点间传播时间最短的路径是连接这两点的直线。对于非均匀介质，这种最佳路径不再是直线，而成为曲线，但射线与波前面总是垂直的。,3. 视速度定理,均匀介质
15、中地震波是按射线传播的，正常时在波的传播方向上测得的速度：,为波传播的真速度,S,波射线,而沿其它任何方向测得的速度均被称为视速度 见下图,旅行时间 t,S,x,x1,x2,波的传播方向,测试方向,t1,t2,此时的真实速度应为：,称为视速度定理,S,x,x1,x2,波的传播方向,t1,t2,因真实速度为介质固有的，为常数；而视速度是随测试方向而变的，为真速度的1/sin倍。其变化特征为：, =90时,V*=V, =0时,V*, 由0 90时,V*由V, V*V,五、地震勘探的基本原理,波阻抗：,弹性波在介质中的传播速度与介质密度的乘积,波阻抗=V （g/scm2）,波阻抗界面或弹性分界面 ：
16、,V11V22,勘探的基本原理为波的传播规律。人工激发的地震波在介质中传播过程中，当遇到弹性分界面时将产生反射、折射和透射现象，同时产生可以返回地面的反射波和折射波。,地震波的传播规律类似于光学，叫斯奈尔（Snell）定律,几个概念：,1.地震波的反射和透射,反射定律：入射线反射线及入射点处在同一平面内，入射线反射线在法线两侧，入射角等于反射角。,透射定律：透射线在入射线和入射点法线处所决定的平面内，入射线和透射线分别位于入射点法线两侧。,入射线,反射线,透射线,法线,V2,V1,根据斯奈尔定律，地震波的反射、透射遵循：,地震波的反射和透射,同类波的反射与透射,地震波的反射和透射,转换波的反射与透射,同类波
