地震勘探方法原理课件

《地震勘探方法原理课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地震勘探方法原理课件（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2.3 地震勘探方法原理 实质：以地壳中不同岩、矿石之间弹性差异为基 础，通过观测和研究地震波在地下的传播 特性，探查地质构造和矿产资源。 主要用途：探查油气田地质构造、煤田盆地，深 部构造和区域地壳构造，水、工、环 境地球物理调查。很少用于金属矿勘 探。,特点：高精确度、高分辨率、大穿透深度。 条件：具有规则的岩层分界面。 方法：激发地震波测量震波从震源到检波器时间 由旅行时、速度重建地震波路径构造分析、地 层分析、岩性分析。 折射波法：波的主要沿两个岩层的分界面传播，传播路径 近似水平。 反射波法：波先向下传播，后反射回地表，传播路径基本 是垂直的。,地震波及弹性介质基本理论 (1) 弹性

2、介质 弹性与塑性：物体在外力作用下产生形变，外力取消后，物体能迅速恢复到受力前的形态和大小，这种性质称为弹性。反之，若外力取消后，物体仍保持形变后的某种形态，不能恢复原状，这种性质称为塑性。,各向同性和各向异性：弹性性质与空间方向无关 的称为各向同性介质，反 之称为各向异性介质。 均匀介质和连续介质：速度值与空间坐标无关的 称为均匀介质，反之为非均 匀介质。波的速度值是空间 坐标的连续函数的介质称为 连续介质。,(2) 应力、应变与弹性参数 应力与应变：单位长度所产生的形变称为应变。 单位横截面所产生的内聚力称为应 力单位面积上的作用力。 杨氏模量和泊松比：应力与应变的比值称为杨氏 模量E（拉

3、伸模量）。介质的 横向应变与纵向应变的比值称 为泊松比。,杨氏模量E和泊松比是一对表示介质弹性性质的参数： 负号表示横向与纵向应变方向相反。,体变模量和切变模量 ：任何复杂的形变均可 分为体积形变和形状形变两种简单的形变类 型。这两种简单形变的应力与应变的比值分 别称为体变模量（压缩模量：压力与体积 变化之比）和切变模量（刚性模量：切应 力与切应变之比）。,切变模量（ 刚性模量） 的表达式说明： 越大，切应变越小。 对于液体， =0，即液体不产生切变，只有 体积变化。,拉梅系数：由胡克定律，应力与应变之间存在线 性关系，由线性方程组表示，出现36 个弹性系数。对于各向同性均匀介质， 这些系数大

4、都对应相等，可归结为应力 与应变方向一致和垂直的两个系数和 （切变模量）， 即为拉梅系数。,拉梅系数是为了简化数学运算引入的参数，它与杨氏模量E、泊松比、体变模量、切变模量 组成决定各向同性均匀介质弹性性质的五个重要参数。这些参数表示介质抗形变的能力，其数值越大，表示该介质越难以产生形变。只要知道其中两个就可求出其余三个：,(3) 振动与地震波 振动：质点围绕平衡位置发生的往返运动。 简谐振动：在与位移量成正 比、与位移方向 相反的力作用 下的振动。谐 振动曲线是正弦 或余弦曲线。,振幅A：质点离开平衡位置的最大位移。 周期T：完成一次振动所需时间。沿时间轴从一个 最高点到相邻最高点的时间间隔

5、。 频率f或角频率：一秒钟内完成的振动次数。 初始相位0：振动初始时刻位移值的角变量。,弹性波：是振动形式在介质中的传播，是能量的 传播形式。 波前和波后：在某一时刻，波即将传到和刚刚停 止振动的两个介质曲面，称为波前面和 波后面（波尾）。 波前面和波后面是随时间 不断推进的。,波面：波传播过程中，波前将不断推进扫过介质内部， 介质中每一个这样的曲面就是一个波面。波面上 各点是同时开始振动的，所以波面又叫等时面。,振动曲线和波剖面：某点振幅随时间的变化曲线称为振动曲线；某时刻各点振幅的变化称为波剖面。,波长和速度V：一个周期T内，波传播的距离；或两 个波峰之间的距离，称为波长。波每秒传播的距

6、离，称为速度。 地震波的形成：在激发脉冲的挤压下，质点产生围绕其 平衡位置的震动，形成初始地震子波，在介质中 沿射线方向四面八方传播，形成地震波。,(4) 地震子波的描述 地震子波：由震源激发、经地下传播并被接收的 一个短脉冲振动，称为该振动的地震 子波。 地震子波基本属性之一非周期性：地震子波 的一个基本属性是振动的非周期性。,任何一个非周期性振动可以有许多不同频、不同振幅、不同起始相位的谐振动合成。,地震子波基本属性之二：地震子波具有确定的起始时 间和有限的能量。因此，振动经过很短的一段 时间即衰减。 地震子波的延续时间长度：地震子波衰减时间长短称 为地震子波的延续时间长度。它决定了地震勘

7、 探的分辨率。,地震波动力学 地震波传播的动态特征可以通过运动学和动 力学两个方面反映。 动力学研究地震波传播中振幅、频率、相位 的变化规律，了解地震波对地下地质体岩性结构 的响应。 运动学研究地震波传播的时间与空间的关系，了解地震波对地下地质体的构造响应。,(1) 地震波的类型 地震波的类型：分为两类。一类是体波，它在整 个弹性体内传播，又分为纵波（P 波）和横波（S波）。另一类是面 波，它只存在于岩层分界面附近， 并沿介质的自由面或界面传播， 包括瑞利面波（R波）和勒夫面波 （L波）。,体 波 纵波（P波）：弹性介质在正应力作用下发生体应 变产生的波动称为纵波。,体 波 横波（S波）：弹性

8、介质在切应力作用下发生切应 变产生的波动称为横波。横波质点 振动方向与波传播方向垂直，又可 分为SH波和SV波。,面 波 瑞利波：在自由表面上产生的沿自由表面传播的 面波。地震勘探中的面波指瑞利波。 勒夫波：分布在低速层与高速层分界面上，与SH 波类似，又称横面波。,(2) 地震波的传播特点： 对于P波，波动方程为： 对于S波，波动方程为： P波、S波速度为：,纵、横波速度比： 如果已知P波、 S波速度，则： 可以通过此式，研究地下介质泊松比，作地震岩性分析和预测油藏。,(3) 地震波的能量与吸收： 波的能量E：地震波的传播实际是能量的传播。频率为f、振幅为A的波，在体积为W、密度为的介质中传

9、播时，其能量可表示为： 上式说明：波的能量E与振幅A的平方、频率f的平方以及介质的密度成正比。,能量密度：包含在介质中，单位体积内的能量称为能 量密度。 上式说明：波的能量密度也正比于振幅A的平方。 波的强度I：波前面上,单位时间t、单位面积S的能量 式中V为速度。因此，波的强度I正比于振幅A的平方。,地震波的吸收：实际介质中，对地震波的能量具有不同 程度的吸收作用。 品质因素Q：地震波的吸收可以用品质因素描述。Q定 义：在一个周期（或一个波长距离）内， 振动损耗能量E与总能量E之比的倒数 Q值越大，能量损耗越小，介质越接近完全弹性,吸收系数：波在粘滞介质中传播时，它的振幅被吸收衰减，衰减的快

10、慢有吸收系数确定 式中为波长。,(6)地震波的反射、透射和折射 入射波、反射波、透射波和界面法线的关系,反射波的形成 反射定律：反射角等于入射角，反射线、入射线位于反射界面 法线的两侧，反射线、入射线和法线位于同一个平 面内。 波阻抗Z：密度和波速的乘积射角称为波阻抗。上、下两层介质 的波阻抗差别越大，反射波越强。 反射系数R：反射波振幅和入射波振幅之比称为反射系数。,反射波形成条件：地下岩层存在波阻抗分界面，即 反射系数R的取值范围及其极性： R有正负值，当R0，ZnZn-1，反射波和入射波相位相同，都为正极性，地震记录初至波上跳；当R0，ZnZn-1，反射波和入射波相位相差1800，入射波

11、与反射波反相，反射波为负极性，地震记录初至波下跳。,透射波的形成 透射定律：反射线、透射线位于法线的两侧，入射线、透射线、 法线在同一个射线平面内，反射角和入射角满足斯 奈尔定律。,斯奈尔定理：入射角的正弦和透射角的正弦之比等于入射波和透射波速度之比。当V1V2，则，透射波射线靠近法线偏折，当V1V2，则，透射波射线远离法线，向界面靠拢。实际地层中，波的透射多属此类。,地震波在多层水平层状介质中的传播,透射系数T：透射波振幅和入射波振幅之比称为透射系数。 透射波形成条件：地下岩层存在速度分界面，即VnVn-1时， 才能形成透射波。 波的强度条件：速度界面是透射界面，波阻抗界面是反射界 面。当入

12、射波振幅Ai一定时，T越大，则R越 小，即透射波强，反射波弱；反之，T越小， 则R越大，即透射波弱，反射波强。,折射波的形成 折射波：对于V2V1的水平速度界面，由斯奈尔定律可知，当入 射角大于某临界角i时，可使透射角等于900，此时透 射波以V2速度沿界面滑行。根据斯奈尔定律，可求得 临界角i为,折射波的形成与传播,折射波的波前、射线和盲区：折射波的波前是界面上各 点源向上覆介质中发出的半圆形子波的包线。折射波的 射线是垂直于波前的一簇平行直线，并与界面法线的夹 角为临界角。从震源到观测到折射波的始点之间，不存 在折射波，称为折射波的盲区。盲区半径XM为 一般情况下，折射波只有在炮检距大于两

13、倍折射界面深度时才能观测到，即 折射波形成条件：下伏介质波速必须大于上覆介质波速,(7)地震波的频谱和振幅 振幅谱A(f)和相位谱(f)：地震波随传播距离的增加和深 度的加大，波的频率会发生变化，高频成 分逐渐被吸收，使视周期变大，延续时间 增长。研究振幅和相位随频率的变化规律， 叫频谱分析，前者称为振幅谱，后者称为 相位谱。,复杂周期振动的频谱：一个复杂的周期振动是由许多不同 频率的简谐振动合成的，可以利用傅立叶级数展开为许多 简谐振动，其数学表示为 式中各项为不同振幅、不同频率、不同相位的简谐振动。如果把各个分震动的振幅A和圆频率的关系表示在A为纵坐标，为横坐标的坐标平面内，所得图像就为振

14、幅谱。,非周期振动的振幅谱,地震波的频谱：地震波是非周期的脉冲振动，其振幅谱主要 用主频和频宽两个参数来描述。主频是振幅谱的峰值频率， 即频谱曲线极大值所对应频率。频宽是振幅谱的峰值的 0.707倍对应的两个频率值之间的频率范围。一般，反射波 的能量主要分布在3070Hz频带内。且，浅层反射波的频率 较高，中、深层反射波的频率较低。,地震波振幅的影响因素： 激发条件的影响：包括激发方式、激发强度等 接受条件的影响：包括检波器、放大器的频率改造等 波传播机制的影响：包括波前扩散、地层吸收、反射与透射损 失等。 波前扩散（球面扩散）：随传播距离的增大 ，波前球面扩展，但总能量不变，而使单位 面积上

15、的能量减少。,地震波运动学 运动学研究地震波传播过程中波前的空间位 置与传播时间之间的几何关系，从而确定地下地 质体的地质构造。 通常可以通过几何作图反映物理过程，简单 直观反映波传播中，不同时刻的路径和空间几何 位置，因此也被称为几何地震学。,地震波的运动学研究可以用波前面来描述，也 可以用射线来描述。对于波前而言利用惠更斯原 理确定，对于射线而言利用费马原理确定。,地震波的传播原理： 地震波的运动学研究可以用波前面来描述，也 可以用射线来描述。对于波前而言利用惠更斯原 理确定，对于射线而言利用费马原理确定。 惠更斯原理：又称波前原理。任何时刻，波前面上每一点 都可以看作一个新的点震源，产生子波前，