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1、1,地震勘探的理论基础,2,1.1 岩石弹性理论 1.2 地震波的基本概念 1.3 地震波的分类 1.4 地震波传播的基本规律和理论 1.5 地震勘探的地震地质条件,3,1、地震勘探 地震勘探是根据人工激发（爆炸或撞击地面）的地震波在地下传播过程中，遇到弹性性质不同的地震界面后，在地层中产生反射和折射，部分地传回地表。用专门的仪器记录返回地面的波的旅行时间，研究振动的特征来确定产生反射或折射的界面的埋深和产状，并根据所观测的地震波在介质中传播速度及波的振幅与波形变化，探讨介质的物性与岩性。,地震勘探是当前油气、煤炭勘探中最重要的一种方法(90%)。 弹性波的传播取决于岩石的弹性性质，因此有必要
2、讨论岩石弹性理论的基本知识。,1.1 岩石弹性理论,4,5,2、弹性介质和粘弹介质 弹性介质：在外力作用下，物体的体积或形变发生相应的变化，这种变化称为物体的形变，当外力去掉后，物体又恢复到原来的状态，这种特征称为弹性。 具有这种特征的物体叫做完全弹性体或理想弹性体，其形变称为弹性形变，反之，若外力去掉后，仍保持其受外力时的形状，这种物体称为塑性体，其形变称为塑性形变。,6,粘弹性体： 物体在小外力、长时间作用下会出现不能恢复原状的形变，这种外力撤销后形变仍然存在的性质与粘滞性的液体形状十分相似，称这种性质为粘滞性。 我们称既有弹性，又有粘滞性的性质为粘弹性，称具有这种性质的物体为粘弹性体。,
3、各向同性介质：弹性性质与空间方向无关的介质。 各向异性介质：弹性性质与空间方向有关的介质。,7,3、应力和应变 应力：当弹性体在外力作用下发生形变时，总有一种力使弹性体恢复其原状，这种力为内力，而单位面积上的内力为应力。 应变：弹性体受应力作用，产生的体积和形状的变化称为应变，只发生体积变化而形状不变的应变为正应变，反之，只发生形状变化的应变称为切应变。,应力与应变成正比关系的物体叫完全弹性体， 胡克定律表示了应力与应变之间的线性关系。 对于1维弹性体，胡克定量为F=-KX 对于3维弹性体，用广义胡克定量表示。,8,9,4、描述弹性体的参数 (1) 杨氏弹性模量：表示膨胀或者压缩的情况下应力与
4、应变的关系，所以又叫做压缩模量。 固体介质对拉伸力的阻力越大，则杨氏弹性模量越大，物体越不容易变形。反之，坚硬的不易变形的物体，杨氏模量大。,F/S为作用于单位面积上的力，称为应力。 为弹性体在力方向上的相对形变，称为应变。,物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。,（2）泊松比（定义为外力作用下，弹性体的横向应变与纵向应变之比）, = 弹性体的横向应变/纵向应变 =（d/d）/（l/l）,物理意义：描述弹性体形状改变的物理量。,（3） 体积弹性模量 K （定义为应力与弹性体的体应变之比）,K = 应力/体应变 =（F/S）/（V/V） （kg/cm2）,体应变也称膨胀率,如果介质坚硬，在同样
5、作用力下，横向应变小，泊松比就小，可小到0.05，而对于软的未胶结的土或者流体，泊松比可高达0.45-0.5，一般岩石泊松比0.25左右。,物理意义：描述弹性体的抗压缩性质。,（4）剪切模量,剪切应变：弹性体的形状改变而体积未发生变化。,：切变角,tg =l/d,当很小时，tg = l/d,切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。,= 切应力/切应变 =（Ft/s）/ = （Ft/s）/l/d,剪切模量是弹性体在剪切力Ft作用下，剪切应力（Ft/s）与剪切应变之比。,物理意义：阻止剪切应变的一个度量。,液体的剪切模量为0，没有抗剪切能力。液体不会产生横波。,12,弹性参数之间的关系：,对于各
6、向同性的介质而言，只要知道5个弹性参数中的2个，就可以求出其他3个。,13,14,1.2 地震波的基本概念 1）、什么是波？ 2）、什么是弹性波？ 3）、什么是地震波？,地震勘探的理论基础,15,关于波动的感性认识，可通过观察水面上各点的运动来得到。如果将一石块扔进平静的湖水中，水面上就会出现一圈圈的波纹。水面的这种运动，就是最直观的一种波动。水面上被石头打中的那一点叫做波源，因为所有的波纹都似乎是从那一点“发源的”。应该注意，每条波纹都不是固定在水面上，而是不断变化，不断扩大，不断运动的。任何一种固定的画面，都不能真正代表波动过程。,1）、什么是波 ?,16,当石头刚刚掉下去时，水面上被石头
7、打中的那一部分就开始下陷；然后在表面张力等的作用下，那一部分水面又开始上升。这样被打中的一部分水面就首先开始振动起来而形成波源。但是，水面是一个整体，它的各个部分是互相联系着的。一个部分一经振动，势必牵动周围的其他部分也随后振动起来，这些被牵动的部分接着又牵动更远的部分。于是，从一个部分(波源)开始的振动，就通过水面上各个相邻部分的联系而由近及远地传播开去。在这个例子中，振动是沿着水面传播的。这种传播振动的物质叫做媒质或介质。一般所说的波或波动就是振动在周围介质中的传播。,17,波就是振动在介质中的传播,18,弹性波：弹性介质中传播的波,2）、什么是弹性波,19,3）、什么是地震波,波动产生：
8、弹性体内相邻质点间的应力变化会产生质点的相对位移，存在应力梯度时,下面讨论地震波的形成过程：,物体在受到由小逐渐增大的力作用时，大体上经历三种状态：,外力小：在弹性限度以内，物体产生弹性形变；,外力增大：到超过弹性限度，物体产生塑性形变；,外力继续增大：超过了物体的极限强度，物体就会被拉断或压碎。,岩层中用炸药爆炸：激发地震波时,炸药包附近：压力周围岩石的弹性极限，岩石被破碎形成一个破坏圈,离开震源一定距离：压力减小，但仍超过岩石的弹性限度，岩石不发生破碎，但发生 塑性形变，形成一系列裂缝的塑性及非线性形变带,塑性带以外：随着距离增加，压力降低到弹性限度内，岩石发生弹性形变,因此，地震波是一种
9、在岩层中传播的弹性波,20,地震波是地下岩层中传播的弹性波,21,地震子波 炸药震源爆炸在弹性变形区域形成弹性波，研究表明弹性波在近距离内会发生较大变化，传播一定距离（几百米）后，其形状逐渐稳定，具有2-3个相位，有一定延续时间的地震波，称为地震子波，它是地震记录的基本元素。并且认为在以后的传播中，地震子波不再发生变化。,零相位子波,最小相位子波,混合相位子波,最大相位子波,判断依据： 能量集中的位置,几种地震子波的类型：,23,地震勘探原理（实质） 利用地震子波从地下地层界面（或者岩性界面）反射回地面时带回来的双层旅行时信息（运动学）和振幅、相位（动力学）等变化的信息来研究界面的埋深及界面上
10、下岩性变化的。,24,褶积：在泛函分析中，卷积、旋积或摺积(英语：Convolution)是通过两个函数f 和g 生成第三个函数的一种数学算子，表征函数f 与g经过翻转和平移的重叠部分的面积。,25,X=1，1，1，1，1，1 Y=1,1,1,1 X*Y= 1 2 3 4 4 4 3 2 1 w(t)=0,0,0,1,2,1,0,0,0 R(t)=0,-0.5,0 S(t)= w(t)* R(t)= 0 0 0 0 -0.5 -1 -0.5 0 0 0 0,26,1.3 地震波的分类,地震勘探的理论基础,27,按波传播的范围分类 体波： 波在介质中以整个立体空间传播，称体波，有两种类型的波，纵
11、波和横波。 面波： 波在自由表面或岩体分界面上传播，称面波。在地表常见的面波有瑞利波、拉夫波，在井中有斯通利波、和管波等，还有槽波。,28,A,B,图中A和B分别为什么波？其常见的类型有哪些？,29,纵波 质点振动方向与波的传播方向一致，传播速度最快。又称压缩波(compressional)、膨胀波(dilatational)、纵波(longitudinal)或P-波(P-Wave)。 纵波振动模式-固体内部质点交替压缩或拉伸，小单元体积发生膨胀或收缩。 质点的运动方向与波的传播方向平行。,30,31,质点振动方向与波的传播方向垂直，速度比纵波慢，也称剪切(shear)波、旋转(rotatio
12、nal)波、横波(transverse)或S-波(S-wave)，速度小于纵波约0.7倍。,横波振动模式-小单元体积发生形变，体积不变。 质点振动方向与波传播方向垂直。,横波,32,33,两种振动方向的横波SV和SH波,在三维体介质中，横波的振动与传播方向垂直有两个方向，可把横波分为SV和SH波两种形式： 如果振动发生在通过波传播方向的垂直平面内称SV波， 在水平面内则称SH波。,SV波,SH波,34,35,从波动方程知：纵、横波传播速度为:,则纵、横波速度之比为:,指出图中分别是什么类型的波，其传播有何特点？,36,讨论：0.25, 一般岩石, Vp/Vs =,0，极坚硬岩石, Vp/Vs
13、=,0.5，浮土,於泥土, Vp/Vs,横波最小波速=0, 液体和气体中不存在横波。,解决某些特殊问题，如探测充满液体的洞穴（如溶洞）, Vs=0,表 Vp/Vs值与介质泊松比的关系,37,面波 一种质点振动沿着或靠近介质表面传播的地震波，振幅随深度以指数规律衰减。其速度可由大约一个波长的深度范围内介质的弹性性质所定，速度约为横波的0.92倍。 在地震勘探中，通常指地滚波(ground roll)。包括瑞利波、乐夫波等，其中最重要的面波是瑞利波。 在地震勘探中，面波被作为一种干扰波处理，并且发展相应的观测和处理技术。 但在一些工程勘探中被作为一种有效的勘探方法。,38,瑞利波-1885年首次由
14、瑞利（Rayleigh）描述，它们是地震波中最近似水波的。岩石质点向前、向上、向后和向下运动，沿波的传播方向作一垂直平面，质点在该平面内运动，描绘出一个椭圆。,瑞利波是最常见的沿地面传播的面波。 瑞利波振动模式-质点的振动轨迹在铅直面内(X-Z平面)是椭圆。波沿椭圆轨迹作逆时针方向运动(与地滚波近似)。 瑞利波具有低频特性，在X方向衰减较慢。但在随深度方向衰减很快(约两个波长)。,39,洛夫波-地震面波中最简单的一种类型，存在于表面介质和覆盖层之间。 洛夫波： 1911年英国力学家洛夫（Love）首先提出的。 洛夫波产生的条件：介质至少要有两层，上层中的Vs要小于下层中的Vs。面波存在于分界面
15、之下，传播速度介于上下层两个横波速度之间。洛夫波是横波，其质点运动与分界面平行。 Vs上 VL Vs下 洛夫波使岩石质点运动类似SH波，运动没有垂向位移。岩石运动在一垂直于传播方向上在水平面内从一边到另一边。虽然勒夫波不包括垂直地面运动的波，但它们在地震中可以成为最具破坏性的，因为它们常具有很大振幅，能在建筑物地基之下造成水平剪切。,40,勒夫面波：低速带顶底界面，平行界面的波动，振动方向垂直传播方向，SH波,特点：对纵波勘探影响不大，对横波勘探严重干扰,瑞利面波：自由界面，地滚波，R波,特点：低频、低速，能量大（强振幅），旋转（铅垂面，椭圆，逆转） 天然地震中，危害极大,目前在岩土工程测试中
16、以应用瑞雷面波勘探为主。,41,瑞雷波法勘探实质上是根据瑞雷面波传播的频散特性，利用人工震源激发产生多种频率成分的瑞雷面波，寻找出波速随频率的变化关系，从而最终确定出地表岩土的瑞雷波速度随场点坐标(x，z)的变化关系，以解决浅层工程地质和地基岩土的地震工程等问题。,42,利用人工激发的瑞雷波可以解决如下几方面的具体浅 层地质问题。 (1) 地层划分：通过对瑞雷波频散曲线进行定性及定量解释，得到各地层的厚度及弹性波的传播速度。 (2) 地基加固处理效果评价：通过实测地基加固前后的波速差异得到处理后的地基较处理前的物理力学性质的改善程度。 (3) 岩土的物理力学参数原位测试：通过对实测资料的反演解释，可以得到岩、土 层的S波速度、P波速度及密度等参数。,(4) 公路、机场跑道质量无损检测：利用人工激发的高频瑞雷波，可以确定路面的 抗折、抗压强度及路基的载荷能力，以及各结构层厚度。该方法用于机场跑道及高等公路 的另一项意义是实现质量随年代变化的连续监控。 (5
