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1、地震波运动学地震波运动学1地震勘探的基本任务之一是确定地下的地质构造地震勘探的基本任务之一是确定地下的地质构造解解决决该该任任务务主主要要是是利利用用波波的的运运动动学学特特性性，即即研研究究地地震震波波在在传传播播过过程程中中波波前前的的空空间间位位置置与与其其传传播播时时间间之之间间的的几几何何关关系，这种关系可用时间场来描述。系，这种关系可用时间场来描述。所所谓谓时时间间场场即即是是波波至至时时间间的的空空间间分分布布。如如果果已已知知各各种种波波的的时时间间场场，即即可可得得到这些波的运动学特征的完整概念。到这些波的运动学特征的完整概念。2本章主要讨论地震波运动学的正、反演问题本章主要
2、讨论地震波运动学的正、反演问题正正演演问问题题是是给给定定地地下下界界面面的的产产状状要要素素和和速速度度参参数数等等，求求各各种种波波( (包包括括直直达达波波、折折射波和反射波等射波和反射波等) )的时间场的时间场反反演演问问题题是是根根据据实实际际获获得得的的时时间间场场求求取取地下界面的几何形态和运动学参数等。地下界面的几何形态和运动学参数等。3一、直达波一、直达波4 所所谓谓直直达达波波即即是是从从震震源源点点出出发发不不经经反反射射或或折折射射直直接接传传播播到到各各接接收收点的地震波。点的地震波。 当当震震源源位位于于地地表表附附近近，并并采采用用纵测线观测时，其时距曲线方程为：
3、纵测线观测时，其时距曲线方程为：5OSh=0h=0时时xOShxh=0h=0时时直线直线双曲线双曲线6二、地震波的反射和透射二、地震波的反射和透射7纵波入射时的反射和透射纵波入射时的反射和透射转换波的存在转换波的存在8若若设设入入射射纵纵波波的的能能量量为为1 1，并并记记反反射射纵纵波波RPRP和和反反射射横横波波RSRS的的振振幅幅分分别别为为A ARPRP和和A ARSRS，透透射射纵纵波波TPTP和和透透射射横横波波TSTS的的振振幅幅分分别别A ATPTP和和A ATSTS，则则根根据据斯斯奈奈尔尔定定律律、位位移移的的连连续续性性及及应应力力的的连连续续性性，并并根根据据波波动动方
4、方程程，可可推推导导出出描描述述上上述述各各波波在在弹弹性性界界面面上上的的能能量量分分配配表表达达式式，即即ZoeppritzZoeppritz方程：方程：9平面波的法线入射平面波的法线入射根据根据snellsnell定律有：定律有：解解ZoeppritzZoeppritz方程组有方程组有10平面波的倾斜入射平面波的倾斜入射 当当平平面面波波以以不不为为零零的的任任意意角角度度入入射射至至界界面面时时，各各二二次次波波的的能能量量分分配配关关系系完完全全由由ZoeppritzZoeppritz方方程程组组决决定定，此此时时各各波波的的能能量量变变化化不不仅仅与与入入射射角角有有关关，而而且且
5、还还与与速速度度和和密密度度参参数数变变化化有有关关，欲欲直直观观了了解解它它们们之之间间的的关关系系，通通常常采采用用作作图图的的方方法法。下下面面我我们们选选择择一一个个典典型型的的关关系系曲曲线线进进行行分分析析，以以便便从中引出对地震勘探有益的结论。从中引出对地震勘探有益的结论。11图图中中所所示示为为在在条条件件VP2/VP1VP2/VP10.50.5、密密度度比比0.80.8情情况况下下，反反映映反反射射系系数数和和透透射射系系数数同同入入射射角角关关系系的的曲曲线线。入入射射波波由由波波阻阻抗抗大大的的密密介介质质向向疏疏介介质质投投射射。此此时时在在入入射射角角小小于于2020
6、度度时时，除除反反射射纵纵波波外外，能能量量主主要要分分配配在在透透射射纵纵波波上上，横横波波能能量量很很小小，这这同同上上述述法向入射的情况是相符的。法向入射的情况是相符的。随随入入射射角角加加大大，纵纵波波的的某某些些能能量量转转化化为为反反射射横横波波和和透透射射横横波波能能量量，但但主主要要能能量量还还是是在在纵纵波波方方面面，说说明明在在纵纵波波入入射射的的条条件件下下，横横波波的的相相对对强强度度不不是是很很大大，但但值值得得注注意意的的是是，在在入入射射角角40406060度度时时，反反射射横横波波强强度度可可以以超超过过反反射射纵纵波波，说说明明在在远远离离震震源源或或大大倾倾
7、角角入入射射时时，容容易易接接收收到到反反射的转换横波。射的转换横波。12斯奈尔定律13141 1、反射定律、反射定律 入射角入射角= =反射角反射角入射线和法线和反射线在同一平面内入射线和法线和反射线在同一平面内在在地地震震勘勘探探中中，把把入入射射线线，过过入入射射点点的的界界面面法法线线、反反射射线线三三者者所所决决定定的的平平面面称称为为射射线线平平面面，它它总总是是垂垂直直界界面面的的（这这个个概概念念对对地地震震资资料料的的构构造造解解释释十十分分有有用）。用）。（1 1）当当在在地地面面（界界面面水水平平）上上O O点点激激发发，沿沿测测线线OZOZ接接收收，又又设设地地下下的的
8、反反射射界界面面是是水水平平的的，这这时时射射线线平平面既垂直界面也垂直地面。面既垂直界面也垂直地面。（2 2）如如果果界界面面倾倾斜斜时时，a a当当地地震震测测线线垂垂直直界界面面走走向向时时，射射线线平平面面既既垂垂直直地地面面也也垂垂直直界界面面。b b当当地地震震测测线线不不垂垂直直界界面面走走向向时时，则则射射线线成成平平面面，只只垂垂直直界界面面不不垂直地面。垂直地面。152 2、透射定律（斯奈尔定律）、透射定律（斯奈尔定律）实验得出：实验得出： 如如果果还还有有不不同同波波型型（短短波波和和横横波波）的的反反射射和和透透射射snellsnell定律可扩展成：定律可扩展成：由此引
9、出斯奈尔定律，由此引出斯奈尔定律，n n层介质层介质16 此此透透射射定定律律只只确确定定了了透透射射线线的的方方向向，而而没没有有涉涉及及到到透透射射线线的的强强度度，从而它是向何地震学的一条定律。从而它是向何地震学的一条定律。 条条件件：透透射射定定律律要要求求两两种种介介质质必必须须都都是是各各向向同同性性的的，也也就就是是说说当当在在同同一一种种介介质质传传播播时时，波波的的速速度度是是一一个不随方向而变的常数（层状介质）个不随方向而变的常数（层状介质）17（1 1）反射波）反射波 产生反射波的条件：产生反射波的条件：当入射波垂直入射界面的产生当入射波垂直入射界面的产生反射波的条件为：
10、（不存在转换波时）反射波的条件为：（不存在转换波时）不不同同的的波波阻阻抗抗是是区区分分不不同同介介质质的的根根据据，非非垂垂直入射时条件也近似如此。直入射时条件也近似如此。 反反射射波波的的强强度度（振振幅幅）决决定定于于波波阻阻抗抗差差与与入入射波的强度波阻抗的差值越大，反射波越强。射波的强度波阻抗的差值越大，反射波越强。 18 0时，时，反射波相位与入射波相位相同反射波相位与入射波相位相同 0时，时，反射波相位与入射波相位相反反射波相位与入射波相位相反 叫叫反反射射系系数数，严严格格地地说说，波波阻阻抗抗界界面面才才是是反反射射界界面面，速速度度界界面面不不一一定定是是反反射界面，岩性面
11、也不一定是反射界面射界面，岩性面也不一定是反射界面19（2 2）透过波）透过波 当当2=90时产生滑行波则时产生滑行波则 （V2V1） 20（3 3）滑行波（过渡波）滑行波（过渡波） 产生滑波的条件：产生滑波的条件：下层的波速下层的波速V2大于上层的波速大于上层的波速V1 入射角入射角21反射波时距曲线反射波时距曲线1、均匀介质共炮点时距曲线、均匀介质共炮点时距曲线（1）一个水平界面共炮点反射波时距曲线）一个水平界面共炮点反射波时距曲线 双曲线双曲线 自激自收时间自激自收时间xhOO*Vtxt022反射波时距曲线反射波时距曲线1、均匀介质共炮点时距曲线、均匀介质共炮点时距曲线（2）一个倾斜界面
12、共炮点反射波时距曲线）一个倾斜界面共炮点反射波时距曲线 上倾方向接收上倾方向接收OO*sAxh极小点极小点双曲线双曲线23极小点极小点倾角倾角24反射波时距曲线反射波时距曲线1、均匀介质共炮点时距曲线、均匀介质共炮点时距曲线（2）一个倾斜界面共炮点反射波时距曲线）一个倾斜界面共炮点反射波时距曲线 下倾方向接收下倾方向接收OO*SAxh极小点极小点双曲线双曲线25极小点极小点倾角倾角26 由由此此可可见见，根根据据倾倾斜斜界界面面反反射射波波时时距距曲曲线线的的特特点点，可可以以确确定定界界面面的的倾倾角角和和倾倾向向，采采用用纵纵测测线线时时，声声波波、面面波波、折折射射波波等等时时距距曲曲线
13、线不不是是双双曲曲线线，这这可可以以作作为为一一种种区区分分反反射波和上述几种波的根据。射波和上述几种波的根据。27反射波时距曲线反射波时距曲线（2）水平层状介质情况下共炮点反射波时距曲线）水平层状介质情况下共炮点反射波时距曲线以三层为例以三层为例xOtxt0取取不不同同的的值值就就可可得得出出一一系系列列（t t，x x）值值，根根据据这这些些值值用用描描点点法法就就可可以以得得到到R2R2界界面面的的反反射射波波时时距曲线。距曲线。h1 V1H2V228我们还可以把方程改变一下 所以这是以这是以P表示的时距曲线参数方程表示的时距曲线参数方程 三层三层29以以P表示的时距曲线参数方程表示的时
14、距曲线参数方程 多层多层30由二项式展开由二项式展开略去高次项略去高次项因因为为31均均方方根根速速度度32V1V2V3Vn均均方方根根速速度度33多次反射波多次反射波34 当当地地下下存存在在强强波波阻阻抗抗界界面面时时( (如如在在水水域域开开展展调调查查时时的的水水底底界界面面、浅浅层层基基岩岩面面等等) )，往往往往能能够够产产生生多多次次反反射射波波。多多次次反反射射波波可可分分为为全全程程多多次次波波和和层层间间多多次次波波等等，在在地地震震记记录录上上出出现现得得最最多多、也也比比较容易识别的是全程多次反射波。较容易识别的是全程多次反射波。35全程二次反射波全程二次反射波36在激
15、发点接收，即在激发点接收，即x0很小时很小时37三、折射波三、折射波38 透透射射波波在在第第二二种种介介质质中中沿沿界界滑滑行行，其其沿沿界界面面滑滑行行的的速速度度为为V2V2，这这种种现现象象叫叫全全反反射射，我我们们把把开开始始出出现现“全全反反射射”时时的的入入射射角角叫叫临临界界角角，即当入射角即当入射角= =临界角时产生滑行波。临界角时产生滑行波。 由由于于滑滑行行波波沿沿界界面面滑滑行行引引起起另另外外的的效效应应，由由于于介介质质1 1与与介介质质2 2是是密密接接的的，滑滑行行波波传传播播过过程程中中，反反过过来来影影响响第第一一种种介介质质，并并在在第第一一种种介介质质中
16、中激激发发新新的的波波，这这种种由由滑滑行行波波引引起起的的波波在在地地震震勘勘探探中中叫叫折折射射波波。（首首波波）（即即透透射射波波的的能能量量都都集集中中在在界界面面附附近近，能能不不断断向向上上转转化化给给首首波波，形成折射波的能量）形成折射波的能量） 形成折射波的条件：形成折射波的条件： V2V2V1 =CV1 =C39 对对于于多多层层介介质质只只有有当当下下伏伏地地层层速速度度大大于于上上伏伏地地层层的的所所有有各层速度时才能产生折射波。各层速度时才能产生折射波。在在实实际际的的地地层层剖剖面面中中只只有有某某些些地地层层能能满满足足形形成成折折射射波波这这个个条条件件，因因此此
17、“折折射射层层”的的数数目目要要比比“反反射射层层”的的数数目目少少得得多。多。40地震波的折射及其特征地震波的折射及其特征4142两层介质折射波时距曲线43二层水平界面二层水平界面V1V2AMGPhxiB44时时距距曲曲线线tx1/V2t01/V1由此可见，可利用直达波时距曲线求出V1，利用折射波时距曲线求出V2和截距时间t0，即可按上述公式求出震源点下界面的埋藏深度。45两层水平界面的盲区两层水平界面的盲区V1V2AMGPhxiB4647直达波与折射波直达波与折射波48i下倾方向接收折射波下倾方向接收折射波i iiOSBDAEGHiii49i上倾方向接收折射波上倾方向接收折射波iiiiOS
18、BDEAHGi50上上倾倾、下下倾倾方方向向接接收收折折射射波波陡陡缓缓因因此此，通通常常可可以以从从这这两两条条时时距距曲曲线线的的陡陡缓缓情情况况定定性性判判断断其折射界面的倾斜方向。其折射界面的倾斜方向。下下倾倾方方向向时时距距曲曲线线的的斜斜率率较较大大，视视速速度度小小，曲曲线线陡陡；上上倾倾方方向向折折射射波波的的斜斜率率小小，视视速速度度大大，曲线较平缓。曲线较平缓。51如如果果从从直直达达波波资资料料求求得得V1V1，并并从从折折射射波波时时距距曲曲线线上上分分别别求求得得两两条条曲曲线线的的视视速速度度，便便可可利利用用该该式式求求取取折折射射波波临临界界角角和和界界面面的的
19、倾倾角角。由由临临界界角角和和V1V1又又能能求求出出界面速度界面速度V2V252直直角角三三角角形形OCEOCE和和直直角角三三角角形形BAEBAE中中，角角OECOEC和和角角BEABEA为为对对顶顶角角，所所以以有有角角COECOE等等于于角角ABEABE等于入射角等于入射角粉线垂直于所交的黑线粉线垂直于所交的黑线OAxmBCEh下倾方向接收的盲区下倾方向接收的盲区53下倾方向接收的盲区下倾方向接收的盲区同理可推出同理可推出上倾方向接收的盲区上倾方向接收的盲区54整个盲区的范围为整个盲区的范围为55弯曲界面折射波弯曲界面折射波折折射射界界面面不不一一定定都都是是平平面面，可可能能是是凹凹
20、凸凸不不平平的的曲曲面面，界面倾角不是常量。从界面倾角不是常量。从中中很很容容易易看看出出倾倾角角变变化化，时时距距曲曲线线的的斜斜率率随随之之变变化化，所以曲界面折射波时距曲线的斜率是可变的。所以曲界面折射波时距曲线的斜率是可变的。56时时距距曲曲线线与与界界面面的的弯弯曲曲形形状状成成镜镜像像对对称称，如如图图所所示示。当当折折射射界界面面为为凸凸形形时时，其其时时距距曲曲线线呈呈向向上上弯弯曲曲的的凹凹曲曲线线；当当折折射射界界面面为为凹凹形形时时，其其时时距曲线呈向下弯曲的凸曲线。距曲线呈向下弯曲的凸曲线。？视视速速度度定定理理出出射射角角度度57 随随着着凸凸界界面面曲曲率率半半径径
21、的的减减小小，波波将将出出现现一一个个特特殊殊现现象象，即即穿穿透透现现象象，便便无无法法得得到到真真实实的的时时距距曲曲线线应应特特别别指指出出的的是是折折射射界界面面为为凸界面时，还可能产生穿透现象。凸界面时，还可能产生穿透现象。58对对折折射射波波来来说说，追追逐逐时时距距曲曲线线是是彼彼此此平平行行的的，而而存存在在穿穿透透现现象象时时追逐时距曲线则不平行。追逐时距曲线则不平行。如如图图下下半半部部所所示示，其其时时距距曲曲线线是是向向上上弯弯曲曲的的，与与折折射射波波时时距距曲曲线线相相似似，它它干干扰扰了了折折射射波波的的辨辨认。认。为为了了识识别别穿穿透透现现象象，我我们们可可采
22、采取取追追逐逐观观测测，即即接接收收地地段段不不变变，激激发发点点位位置置改改变变，这这样样可可以以得得到到两两支支时时距距曲曲线线，称称追逐时距曲线。追逐时距曲线。5960iii折射波勘探时，对倾斜界面的倾角有如下要求：红线蓝线61水平三层介质水平三层介质V1V2AM1GP1h1xi1V3h2M2P1i262tx1/V2t01时时距距曲曲线线t021/V36364特殊构造折射波特殊构造折射波65在在层层状状介介质质上上进进行行折折射射波波法法勘勘探探时时，如如果果发发现现时时距距曲曲线线上上有有不不正正常常的的滞滞后后段段或或突突然然的的“脱脱节节”现现象象，很很可可能能就就是是存存在在局局
23、部部性性低低速速体体(或或不不连连续续的的低低速速层层)的的一一种种标标志志。图图为为一一个个反反映映低低速速透透镜镜体体的的折折射射波波时时距距曲曲线线图图，根根据据其其相相遇遇时时距距曲曲线线上上的的“滞滞后后”时时间间的的异异常常范范围围，可可大大致致确确定定此此透透镜镜体体沿沿测测线线分分布布的的长长度度。另另外外根根据据“滞滞后后”时时间间，还还可可以以近近似似估估算算出出透透镜镜体体的的中中心心厚度。厚度。66图图中中表表示示一一个个间间断断的的低低速速层层对对时时距距曲曲线线产产生生的的影影响响。当当折折射射波波通通过过低低速速层层时时，在在时时距距曲曲线线上上表表现现“脱脱节节”现现象象，根根据据其其“脱脱节节”时时间间的的大大小小，可可利利用用和和计计算算透透镜镜体体厚厚度度同同样样的的办办法法来来估估算算该该低低速速层层的的厚厚度度。这这种种间间断断的的低低速速层层和和尖尖灭灭层层的的情情况况非非常常相相似似，对对时时距距曲曲线线的的影影响响也也大致类同。大致类同。67四四、地地震震波波在在水水平平层层状状介介质质和和连连续续变变化化介介质质中中的传播的传播68 地震波在水平层状介质中的传播地震波在水平层状介质中的传播69 地震波在连续介质中的传播地震波在连续介质中的传播70六、地震波的绕射和散射六、地震波的绕射和散射71
