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1、第二章 地震勘探,内容简介：环境与工程物探工作中的地震勘探主要是研究人工激发的地震（弹性）流在浅层岩、土介质中的传播规律。其传播的动态特征集中反映在两个方面，一是被传播的时间与空间的关系，称为运动学特征；另一是波传播中其振幅、频率、相位等的变化规律，称为动力学特征，亦是地质体结构特征的地震信号响应。环境与工程地震勘探的基本任务就是通过研究地震波的波场特征分析浅部地层和构造的分布规律，确定岩、土力学参数等环境与工程勘探中所涉及到的地质问题。,目录,内容简介 第一节 地震波传播的一般规律 一、波的描述 二、地震波的传播 三、浅层地震地质条件,第一节 地震波传播的一般规律,地震波实际上就是弹性振动在
2、岩土中的传播，任一弹性振动也可以是多种谐振的组合，地震波从产生到传播遵循其传播规律。 一、波的描述 地震波类型繁多，它们来自各个物性界面，也可能来自地表；但在描述地震波时主要有质点振动图、波剖面图、地震波的频谱。,第一节 地震波传播的一般规律,（一）质点振动图 在离震源某一确定距离观察该处某质点，位移变化的情况所得的就是质点振动图。如图（2-1b）所示，横坐标为时间t，纵坐标为质点的位移，即P点处质点离开平衡位置的位移量，曲线表示岩石中的某一质点P在爆炸（或锤击）以后，从t0时刻开始离开平衡位置，上下振动，经过t称为振动延续时间；t0为波的初至时间；T*为视周期是相邻波峰或波谷的时间间隔；视周
3、期的例数为视频率f*，以赫兹为单位；离开平衡位置的极值，称为振幅，用A表示（mm）A越大，能量越大。,第一节 地震波传播的一般规律,图（2-1a）表示在地面O点激发的地震波在均匀介质中传播的情况。以O点为圆心的一组同心圆弧分别表示起爆后10ms，20ms，波到达的位置，这些圆弧线称为等时面。在三维空间里，它们是一组同心球面。,图2-1 质点振动图,第一节 地震波传播的一般规律,（二）波剖面图 波剖面图是描述地震波在传播过程中某一时刻t0各处质点的波动景象。 如图2-1所示为起爆后的某一特定时间（t=0.05秒）的波动景象，所有在0.05秒的波前面上的质点均处于开始运动状态，在该时刻波尾面上质点
4、，波动经过后，刚刚恢复到平衡位置，处于静止不动的状态，波前与波尾之间扰动带内的质点在该时刻则处于不同的振动状态。,图2-2 0.05秒时刻的波剖面图,第一节 地震波传播的一般规律,图2-2（b）表示在上述时刻沿地震测线OX的质点，位移（t）与质点空间坐标的关系曲线。曲线相邻波峰或相邻波谷之间的空间距离，称为视波长*，其单位是米或千卡米；其倒数称为视波数K*，单位为1/米或1千米。根据波动理论，波长应是周期与波带的乘积，它表示一个周期内波所传波的距离。波速则表示一个单位长度（例如一千米）中的波长数目。,第一节 地震波传播的一般规律,（三）地震波的频谱 为了能够更细致的分析研究振动形状的特点，解释
5、地震波传播中的许多现象以及弄清适合于接收这些地震波的地震勘探仪器的特性，我们还应对频谱分析的方法有一基本了解。,图2-3 振动的合成,第一节 地震波传播的一般规律,1、地震波的频谱 弹性振动最简单的是谐振，但实际存在的振动大都是复合振动。任意几个简谐振动可以合成一新的较复杂的振动（周期性的或非周期性的）。同样，一个复杂的振动信号可以分解成多个不同频率，不同振幅，不同相位的简谐振动，对于给定的复合振动求其简谐成分的过程称为振动的频谱分解。如图2-3所示，a、b是两个不同频率，不同相位，不同振幅的谐波，两个谐波相加就得如图c示的复合振动。图d是以f为横坐标，以A为纵坐标，并在这个坐标平面上点出每个
6、简谐成分相应的位置，或以这些点为顶端画出一些纵线，这些纵线的长度表示了与每个频率的简谐成分相应的振幅。这个表示复合振动各不同频率简谐成分的振幅图形叫它为振幅谱。除了振幅，还应当有表示各个简谐成分起始相位的相位谱即以各简谐成分之频率为横坐标，以相应的起始相位为纵坐标的图形。振幅谱和相位谱一起，才完全确定了一个复合振动是由怎样的一些简谐成分所组成的。而反过来，知道了振幅谱和相位谱，我们就可以根据它们作出复合振动的图象。在后面的讨论中，我们将只谈到振幅谱，简称频谱(图2-4）。,第一节 地震波传播的一般规律,地震勘探中所遇到的地面振动都是短时间的脉冲，是非周期性振动的一种。但实际上脉冲振动是由无数个
7、不同频率，不同振幅和不同相位的简谐振动合成的。这样就能使我们在研究脉冲的性质时归结为对各个简谐振动迭加效果的研究。 2、频谱分解的特点 （1）一个脉冲只对应一个频谱，不同形状的脉冲，其频谱不同。形状相类似的脉冲，则有相类似的频谱。 （2）脉冲长度与频谱宽度的关系是成反比例的。即脉冲延续时间越长，其频谱越窄。 （3）频谱中振幅极大值使质点振动以该频率为主频的振动形式表现出来。 由上述可见，不同振动形状的波对应的频谱不同，也就是说一定的频谱特征表示了一定的振动性质。,图2-4 地震波频谱,第一节 地震波传播的一般规律,3、频谱分解对地震勘探的意义 （1）指导地震勘探工作，提高信噪比 在地震勘探中，
8、所激发的地震波，不仅有有效波，也同时产生各种规则和不规则的干扰波。它们经过不同的路径，传到观测点，为检波器全部接收下来。这样，干扰波的存在严重地妨碍了有效波的接收和分辨，因此，如何根据有效波和干扰波的各种差异和特点，采用不同的工作方法，以提高信噪比，是取得可靠的第一性材料的关键。其中，频谱分解就是一个重要方面。地震勘探经验表明：面波大多是低频，（在几Hz到20Hz左右），频谱与有效波（3080Hz）有较明显的差别，而由风、雨、效能工具及工业机械等所产生的“微震”频谱偏宽，极值不明显。如图2-5所示。,图2-5 几种波的频谱比较,第一节 地震波传播的一般规律,不同的激发方式或不同药量所激发的有效
9、波频谱也略有区别。爆炸激发频谱较锤击为宽，且一般药量主频偏高，药量大全频向低频移动。 同一层反射波频率比折射波高；深层反射波比浅层反射波频率偏低；多次波略比一次波偏低；而纵波比横波明显偏高。 根据勘探目上的我们有选择地应用一定激发和接收方式，压制干扰波。 （3）地震波频谱资料为解决复杂地质构造问题开辟了新途径。 地震波的频谱是地震动力学特点之一，它更细微地反映了地震脉冲的特点。有时两个地震脉冲在波形上可能很相似，难于区别，但它们的频谱特点却可能有明显的差异。这样，根据脉冲的频谱可以比根据波形更精确，更细致地了解震源性质，介质的性质和界面的性质。,第一节 地震波传播的一般规律,二、地震波的传播
10、（一）惠更斯原理、费马原理及视速度定理 1、惠更斯原理 惠更斯原理表明，在弹性介质中，可以把已知t时刻的同一波前面上的各点看作从该时刻产生子波的新点震源，在经过t时间后，这些子波的包络面就是原波到t+t时刻新的波前。应用惠更斯原理可以说明波的反射、折射和绕射现象。见图2-6。,图2-6 惠更斯原理示意图,第一节 地震波传播的一般规律,2、费马原理 费马原理表明，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，亦即波是沿旅行时最小的路径传播的。 根据费马原理，弹性波在弹性介质中传播时，其波前到达某一位置的时间是确定的，因此波前的传播时间可以表示成空间位置的函数，即 t= t (x
11、，y，z) 若知道了上述函数关系，则可确定波前到达空间任一点M(x，y，z)的时间t，因而就确定了时间t的空间分布。 在时间场内，将时间相同的值连起来，组成等时面，用M(x，y，z)=ti表示。显然，ti时刻的波前面与ti时刻的等时面重合，而等时面与射线成正交关系。详见图2-7和图2-8所示。,第一节 地震波传播的一般规律,图2.1.7 均匀介质中的等时面 图2.1.8 等时面族同射线族的正交关系图,第一节 地震波传播的一般规律,3、视速度定理 图2.1.9的A、B为两个检波器，间距为x，地震波沿射线1到达A点的时间为t，沿射线2到达B点的时间为t+t，xt定义为视速度V*。由图可见，地震波沿
12、射线传播的真速度V=s/t，因为 所以 （2-1） 式中为地震波射线与其自身的地表投影的夹角。式 (2-1)表示了视速度与真速度之间的关系，可以看出，视速度总是大于真速度。当=0时，V*=V，即波沿观测方向传播，其视速度就是真速度；当=90时，V*，即若沿波前面观测波的传播程度，此时波前面上各点的扰动都同时到达，好像有一波动以无穷大的速度传播样；在均匀各向同性介质中，由于V不变，V*的变化反映了地震波入射角的变化。在浅层地震反射勘探中，近炮点记录道接收到的反射波视速度高，相邻记录道之间反射波的时差小，远炮点记录道接收到的反射波视速度低，相邻记录道接收到的反射波时差大。,第一节 地震波传播的一般
13、规律,图2-9 视速度示意图 图2-10 纵波入射时的反射和透射,第一节 地震波传播的一般规律,（二） 平面波的反射和透射 同光线在非均匀介质中传播一样，地震波在遇到弹性分界面时亦要产生反射和透射。首先从平面波理论出发(认为波前面是平面，它以恒定的入射角投射到分界面上)讨论平面波的反射和透射。 （1）斯奈尔(Snell)定律 假设界面R将空间分为上、下两部分W1和W2，上半空间纵、横波传播速度为VP1、VS1，下半空间为 VP2、VS2，如图2-10。当一平面纵波以1角投射至界面时，根据惠更斯原理，波前到达界面上的点可看成一新震源，并产生新扰动向介质四周传播，从而形成反射和透射的纵波和横波(S
14、V波)。根据光学原理，不难证明在弹性分界面上入射波、反射波和透射波之间的关系为： （2-2） 该式即为斯奈尔定律，又称为反射和透射定律。其中称为射线参数，它取决于波的入射角度，、 、2、1、2分别为入射波、反射和透射纵波以及反射和透射横波与界面法线的夹角。,第一节 地震波传播的一般规律,（2）平面波的法线入射 当地震波垂直入射到界面上时，1=0，如图2-11所示，据斯奈尔定律，1=2=1=2=0解方程组 (2-3)可得 (2-3) 式(2-3)中第一个方程表明，在平面波垂直入射时，不存在转换横波，因为此时转换波的反射系数ARS和透射系数ATS均为零；第二个方程说明，欲使反射波强度不为零的条件是
15、： 或 （2-4） 这意味着波阻抗不相等的界面构成地震反射界面。于是式(2-4)可以说是地震反射波界面形成的必要条件。显然满足不等式 (2-4)，可以是，亦可以是。当时，ARP为止，说明反射波振幅和入射波振幅同相；反之，ARP为负，表示它们反相，即相位相差。分析式(2-3)中第三个方程可以看出，透射系数永远为正，故透射波同入射波永远是同相的。,图2.1.11 平面波垂直入射,第一节 地震波传播的一般规律,三、浅层地震地质条件 地震勘探的效果在很大程度上取决于工作地区是否具有应用地震勘探的前提，也就是工区的地震地质条件。在浅层地震勘探中，其地震地质条件主要是指浅部岩土介质的性质和地质特征，以及地
16、表的各种影响因素。可从以下几个方面来讨论。 1、疏松覆盖层 近地表的上层和岩石，由于长期受到风吹、日晒、雨淋、溶蚀等物理化学的风化作用而变得破碎疏松，当地震波在这种疏松层中传播时，其波速要比下部未经风化的完整岩石的波速小得多，故称之为“低速带”。由于低速带的存在，往往使地表覆盖层和下部基岩之间形成一个明显的速度界面(下部基岩波速大于其覆盖层波速),浅层地震折射波法就是利用这一速度界面来探测基岩面的埋深和起伏的。但是，当用地震反射波法探测地表下较深处的地层时，由于“低速带”的存在，使反射波的走时产生“滞后”现象，这时往往需要对“低速带”的影响进行校正，才能对反射波作出正确的识别和处理。另外低速带下界面易产生多次反射波而使地震记录复杂化，也是一种不可忽视的干扰因素。,第一节 地震波传播的一般规律,除此之外，疏松层对地震波有较强的吸收作用。按照胶结摩擦理论，认为在疏松层中吸收系数和频率的平方成正比，即=Bf2(B为与介质有关的系数)，显然，波的频率越高
