第三講 北戴河教學實習-初至折射波法[2]課件

1、河北河北 秦皇島秦皇島: 宋先海宋先海電話電話:2013年年7月月1折射波概念（形成機理）折射波概念（形成機理）u根據(jù)斯奈爾定律根據(jù)斯奈爾定律 sin/V1=sin/V2, 當當V2V1時，透射角時，透射角大于大于入射角入射角，隨著入射角，隨著入射角增大，透射角增大，透射角也增大，當也增大，當增大到增大到某一個角度某一個角度i時，可使透射角時，可使透射角=90，這時透射波就以，這時透射波就以V2的的速度沿界面向前滑行，形成滑行波。由于滑行波比入射波速度沿界面向前滑行，形成滑行波。由于滑行波比入射波速度大，所以滑行波比入射波首先到達分界面上的各點，速度大，所以滑行波比入

2、射波首先到達分界面上的各點，根據(jù)惠更斯原理，高速滑行波所經(jīng)過的界面根據(jù)惠更斯原理，高速滑行波所經(jīng)過的界面II上的任何一上的任何一點都可看作是一個新的點震源，由于界面兩側的介質質點點都可看作是一個新的點震源，由于界面兩側的介質質點間存在著彈性聯(lián)系，下面介質間存在著彈性聯(lián)系，下面介質II中質點的振動必然要引起中質點的振動必然要引起上面介質上面介質I中質點的振動，這樣就在上面介質中質點的振動，這樣就在上面介質I中形成了一中形成了一種新波，這種波在地震勘探中稱為折射波，這時的入射角種新波，這種波在地震勘探中稱為折射波，這時的入射角i稱為臨界角稱為臨界角(Critical Angle)，i=arcsin

3、(V1/V2)。2 折射波形成的條件折射波形成的條件對于單層介質和多層介對于單層介質和多層介質質, 形成折射波的條件：形成折射波的條件：(1)下層介質的波速要大下層介質的波速要大于上面所有層介質的波于上面所有層介質的波速。速。(2)入射角要以臨界角入射角要以臨界角i入入射。射。3折射波的特點折射波的特點(1)折射波的波前是一平面，它與界面的夾角為折射波的波前是一平面，它與界面的夾角為 臨界角臨界角i ；(2)折射波的射線是以臨界角折射波的射線是以臨界角i出射的一束平行直線且垂直于波出射的一束平行直線且垂直于波前面；前面；(3)折射波存在著盲區(qū)折射波存在著盲區(qū)(OM)，必須在盲區(qū)以外才可觀測到折

4、，必須在盲區(qū)以外才可觀測到折射波。盲區(qū)大?。ㄅ跈z距）射波。盲區(qū)大?。ㄅ跈z距）Xm=2htani=2h/(V2/V1)2-10.5。 盲區(qū)的大小隨界面的法向深度盲區(qū)的大小隨界面的法向深度h的減小和的減小和V2/V1值的增加而值的增加而減小。減小。 當當V2/V1=1.414時，盲區(qū)大小時，盲區(qū)大小Xm=2h。作為經(jīng)驗準則，折射。作為經(jīng)驗準則，折射波只有在炮檢距（炮點到檢波點的距離）大于兩倍折射界波只有在炮檢距（炮點到檢波點的距離）大于兩倍折射界面的法向深度面的法向深度h時才能觀測到。時才能觀測到。當?shù)叵麓嬖趦蓚€分界面時，盲區(qū)大小當?shù)叵麓嬖趦蓚€分界面時，盲區(qū)大小XM1=2OA，盲，盲區(qū)大小區(qū)大小X

5、M2= 2 (x1+x2)。(4) AM是折射波的第一條射線，也是反射波的射線，稱為臨是折射波的第一條射線，也是反射波的射線，稱為臨界射線，界射線，A點稱為臨界點，點稱為臨界點，M點是折射波的始點。在點是折射波的始點。在M點處點處可同時觀測到折射波和反射波，在可同時觀測到折射波和反射波，在M點以外，總是先觀測到點以外，總是先觀測到折射波。折射波。另外，當?shù)卣鸩ǖ娜肷浣谴笥谂R界角另外，當?shù)卣鸩ǖ娜肷浣谴笥谂R界角i時，入射波的全部能量時，入射波的全部能量都轉換為反射波，即在臨界點以外的分界面上沒有透射波產(chǎn)都轉換為反射波，即在臨界點以外的分界面上沒有透射波產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為波的全反射。生，這種現(xiàn)象稱

6、為波的全反射。 折射波法的觀測系統(tǒng)主要有單邊觀測系統(tǒng)、相遇觀測系統(tǒng)、折射波法的觀測系統(tǒng)主要有單邊觀測系統(tǒng)、相遇觀測系統(tǒng)、追逐觀測系統(tǒng)以及相遇追逐觀測系統(tǒng)，重復相遇追逐觀測系追逐觀測系統(tǒng)以及相遇追逐觀測系統(tǒng)，重復相遇追逐觀測系統(tǒng)等。統(tǒng)等。相遇追逐觀測系統(tǒng)圖相遇追逐觀測系統(tǒng)圖 此次地震勘探實習中，采用的是相遇追逐觀測系統(tǒng)。追此次地震勘探實習中，采用的是相遇追逐觀測系統(tǒng)。追逐炮的作用逐炮的作用：（：（1）可以利用追逐時距曲線與相遇時距曲可以利用追逐時距曲線與相遇時距曲線的平行性延長解釋區(qū)間；（線的平行性延長解釋區(qū)間；（2）確定直達波與折射波的）確定直達波與折射波的交點；（交點；（3）判斷有無穿透現(xiàn)象

7、（有穿透可能就不平行）。）判斷有無穿透現(xiàn)象（有穿透可能就不平行）。 兩相遇炮合格兩相遇炮合格：（：（1）在折射段有相遇點在折射段有相遇點 ；（；（2）互換時）互換時間間T1、T2之差小于之差小于3ms。相遇追逐觀測系統(tǒng)圖相遇追逐觀測系統(tǒng)圖 如圖所示：如圖所示：O1是是O2的追逐的追逐炮，炮，O4是是O3的追逐炮，的追逐炮，S1和和S2兩條時距曲線平行，兩條時距曲線平行，S3和和S4兩條時距曲線相互兩條時距曲線相互平行。用兩個直達波求出平行。用兩個直達波求出上覆風化層波速，用追逐上覆風化層波速，用追逐炮時距曲線延長解釋區(qū)間，炮時距曲線延長解釋區(qū)間，用延長后的時距曲線求出用延長后的時距曲線求出折射

8、波各個檢波點的折射波各個檢波點的t0和和V2，最后求出折射波界面，最后求出折射波界面的法線深度。的法線深度。相遇追逐觀測系統(tǒng)圖相遇追逐觀測系統(tǒng)圖 初至折射波法內業(yè)工作的發(fā)展趨勢是利用微機進行自動化解釋，初至折射波法內業(yè)工作的發(fā)展趨勢是利用微機進行自動化解釋，但解釋員必須掌握解釋的方法與步聚，要求同學完成下述解釋工作：但解釋員必須掌握解釋的方法與步聚，要求同學完成下述解釋工作：（1）根據(jù)）根據(jù)水工（淺層）地震勘探規(guī)范水工（淺層）地震勘探規(guī)范對每炮（張）記錄進行評對每炮（張）記錄進行評價與驗收。價與驗收。（2）進行波的對比和初至走時的判讀。除遵循波對比的一般原則外，）進行波的對比和初至走時的判讀。

9、除遵循波對比的一般原則外，還應注意零偏移距互換道上的走時，還應注意零偏移距互換道上的走時，經(jīng)校正后其時差不超過經(jīng)校正后其時差不超過3ms，對于綜合時距曲線，則時差不超過對于綜合時距曲線，則時差不超過5ms。（3）各項校正處理包括相位校正、震源深度校正和地形校正。對于）各項校正處理包括相位校正、震源深度校正和地形校正。對于初至不清、無法進行初至走時判讀的地震道，可利用相位進行對初至不清、無法進行初至走時判讀的地震道，可利用相位進行對比先讀取相應走時，然后減去相位校正值比先讀取相應走時，然后減去相位校正值t，t值可取初至明值可取初至明顯地震道的相位與初至走時之差的平均值，也可以取自與其相鄰顯地震道

10、的相位與初至走時之差的平均值，也可以取自與其相鄰地震道的地震道的t值，應根據(jù)該記錄初至波形的情況而定。對于追逐值，應根據(jù)該記錄初至波形的情況而定。對于追逐的記錄，允許對比和讀取第一個振幅的走時，所讀取的各道走時的記錄，允許對比和讀取第一個振幅的走時，所讀取的各道走時t值，要寫在每道的左邊直線上。值，要寫在每道的左邊直線上。（4）時距曲線繪制。比例尺橫坐標上）時距曲線繪制。比例尺橫坐標上lcm2.5m（1：250）；曲線的）；曲線的兩點之間用直線連接，對于可疑點，要在其上方標注兩點之間用直線連接，對于可疑點，要在其上方標注“？”，如，如發(fā)現(xiàn)波被置換，應用符號發(fā)現(xiàn)波被置換，應用符號“或或”標注在置

11、換點旁，并要在每標注在置換點旁，并要在每條曲線上升端的尾部標注記錄的總編號。該炮記錄的震源深度值，條曲線上升端的尾部標注記錄的總編號。該炮記錄的震源深度值，要標注在橫坐標軸相應樁號的下方?；Q時間要用直線表示。如要標注在橫坐標軸相應樁號的下方?；Q時間要用直線表示。如互換道走時不等，應取平均值畫直線，互換時間值互換道走時不等，應取平均值畫直線，互換時間值T要標在互換要標在互換時間直線的中間或上方。時間直線的中間或上方。（5）確定交點、計算有效速度）確定交點、計算有效速度Ve，并延長時距曲線。利用接收段同，并延長時距曲線。利用接收段同側不同位置激發(fā)的折射波時距曲線的平行性，可以確定交點和延側不同

12、位置激發(fā)的折射波時距曲線的平行性，可以確定交點和延長時距曲線。設交點長時距曲線。設交點A坐標為（坐標為（XA，tA），則），則V1=XAtA，要求把，要求把Ve值標在交點與震源連接的下方。因檢波點距值標在交點與震源連接的下方。因檢波點距X0（即檢波器（即檢波器不是連續(xù)布設），所以交點不是連續(xù)布設），所以交點A的位置允許在曲線的的位置允許在曲線的“合理區(qū)間合理區(qū)間”內移動。內移動。（6）定量解釋。方法有多種，可歸納成正三角形和反三角形兩類，前者有）定量解釋。方法有多種，可歸納成正三角形和反三角形兩類，前者有t0差數(shù)時距曲線法（即差數(shù)時距曲線法（即ABC法）、延遲時間法等，法）、延遲時間法等，它們

13、適用于傾角不大它們適用于傾角不大的水平或彎曲折射面（傾角小于的水平或彎曲折射面（傾角小于15度）度）；后者有橢園法（即共軛點法）、；后者有橢園法（即共軛點法）、哈雷斯法、時間場法等，這類方法解釋精度較高，但工作量大，繪制解哈雷斯法、時間場法等，這類方法解釋精度較高，但工作量大，繪制解釋輔助線比較麻煩。釋輔助線比較麻煩。 本次解釋要求采用本次解釋要求采用t0差數(shù)時距曲線法，差數(shù)時距曲線法，求取折射面的法線深度求取折射面的法線深度h和折射層和折射層的波速的波速V2，其基本原理和表達式為：，其基本原理和表達式為：（7）繪制折射面。把它畫在時距曲線的橫坐標軸下方，垂直比例尺）繪制折射面。把它畫在時距曲

14、線的橫坐標軸下方，垂直比例尺可根據(jù)覆蓋層厚度大小而定，以檢波點（測點）為圓心，以可根據(jù)覆蓋層厚度大小而定，以檢波點（測點）為圓心，以(1)式式計算出的計算出的h為半徑畫圓弧，其包絡線即為待求折射面。繪出折射面為半徑畫圓弧，其包絡線即為待求折射面。繪出折射面后，從圖中讀出各測點的覆蓋層厚度后，從圖中讀出各測點的覆蓋層厚度H(視深度視深度)，并把每個測點的，并把每個測點的H值標在地形的相應測點正上方，并把值標在地形的相應測點正上方，并把(2)式求出的式求出的V2值寫在折射值寫在折射層內。層內。（8）測線交點閉合差（）測線交點閉合差（t0與與H）的檢查。要求：）的檢查。要求：t03ms，H10（當（

15、當H10m時），或時），或H0.5m（當（當H10m時），如果時），如果超出上述要求，應檢查在波的對比時，是否有錯。在此基礎上考超出上述要求，應檢查在波的對比時，是否有錯。在此基礎上考慮在慮在“合理區(qū)間合理區(qū)間”內調整內調整V1值，直至達到上述要求，然后取不同值，直至達到上述要求，然后取不同測線在交點上的測線在交點上的H平均值。平均值。（9）平面圖的繪制。把全工區(qū)測點展在圖上，并標上）平面圖的繪制。把全工區(qū)測點展在圖上，并標上H值，就可以值，就可以勾繪覆蓋層等厚度平面圖，如果是繪制折射面高程圖，則應把測勾繪覆蓋層等厚度平面圖，如果是繪制折射面高程圖，則應把測點的高程減去點的高程減去H值以后，再

16、把高程數(shù)據(jù)標在測點上，然后繪圖。值以后，再把高程數(shù)據(jù)標在測點上，然后繪圖。 四 初至折射靜校正 基準面校正需要風化層速度和厚度的信息，但是，野外測量工作有時不能準確地提供這些信息。風化層的速度低于下伏地層的速度，因此地震記錄上能夠記錄到來自風化層底界的折射波，一般情況下，折射波先于地下反射到達地表，我們能夠比較容易地從地震記錄中識別折射波，進而拾取到折射波的初至時間。初至時間中包含風化層厚度和速度的信息，利用這些信息所進行的靜校正，通常稱為初至折射靜校正。一、水平風化層的折射靜校正 圖5-8是水平界面折射波傳播示意圖，圖中風化層的厚度為 ，風化層的速度為 ，下伏基巖的速度為 ，且 ，地震波在S

17、點激發(fā)，當?shù)卣鸩ㄈ肷浣沁_到臨界角 時，產(chǎn)生折射波。 直達波斜率為 ，折射波斜率為 ，折射波在時間軸上的截距為 ，下面推導如何由 、 和 ，計算風化層厚度 ，進而計算基準面靜校正量 。wzwvbvbwvvc1/wv1/bvobtwvbvobtwzDT折射波初至時間表達為進一步寫成式中 臨界角wbwSBBCCGtvvv（5-6)2 tancoscoswwcwwcbwczxzztvvv (5-7)csinwcbvv (5-8)222wbwb wbzvvxtv vv (5-9)obbxttv(5-10)我們知道，折射波時距方程是下面的線性方程將(5-8)式代入(5-7)式，整理后因此，由風化層速度 ，

18、基巖速度 和折射波的截距 ，可以計算風化層厚度 222wbwobb wzvvtv v(5-11)wvbvobtwz222bw obwbwv v tzvv(5-12)對比(5-9)式和(5-10)式，得到bcbcwcwwbbcwcwwcwwbcwcwwvxvzvzvxvzvzvzvzxvztcossin2cos2tan2cos2costan2cos1cossin22ccbwcvvsinbbwwbwbcbwwbwbcbbwwcwwvxvvvvzvxvvvvzvxvvvzvzt222222cos)(2cos2cos2bwbcvvv22cos1、試推導折射波截距時間t0b的表達式 在地表起伏的情況下，

19、初至波不再是一條標準的直線，此時很難測量初至波的斜率和截距時間，另外，當觀測系統(tǒng)的最小炮檢距大于折射波的第一接收點 時，地震記錄初至中觀測不到直達波。這種情況下無法使用(5-12)式計算風化層的厚度。二、加減法折射靜校正（t0差數(shù)法）0 x222bw obwbwv v tzvv(5-12) 加減法折射靜校正也需要拾取折射波初至時間，但是它不需要計算初至時間的斜率和截距，圖5-9是加減法折射靜校正示意圖，圖中有三個炮點檢波點對，分別是 、 和 ，現(xiàn)在定義兩個時間變量 和 。ADDGAGttABCDDEFGABFGABCDDEFGABFGtttttttt（5-14)（5-15)tan2()2()c

20、oswwcwbwcbzzCDCHtvvvv (5-16)從圖5-9可以看出由于 ，所以sinwcbvv222wbwbwzvvtv v (5-17)obtt (5-18)與(5-11)式進行比較，得到現(xiàn)在計算 ，從圖5-9看出將(5-16)式代入(5-20)式，有t (5-19)22tan2coswwcwcbbzzxtvvv(5-20)x式中 炮點A到檢波點D的距離當風化層地面水平時bbwbbwvBEvBCvABvCEvBCvABt2221、記錄質量的評價及初至拾取、記錄質量的評價及初至拾取(1)資料質量評價的原則資料質量評價的原則折射波野外資料采集的質量評價，首先便是地震記錄道上觀察初至波的起

21、折射波野外資料采集的質量評價，首先便是地震記錄道上觀察初至波的起 跳是否明顯、清晰。其次是通過跳是否明顯、清晰。其次是通過SeisImager軟件讀取初至時間，根據(jù)兩個軟件讀取初至時間，根據(jù)兩個零偏移距炮點的時間互換的原則，初至時間零偏移距炮點的時間互換的原則，初至時間T越接近資料采集的質量高。越接近資料采集的質量高。(2)初至的定義初至的定義初至時間是指最先到達的有效波的時間，也稱波的起跳時間。波的正負起初至時間是指最先到達的有效波的時間，也稱波的起跳時間。波的正負起跳取決于儀器，此時實習均為負起跳。初至時間的拾取是利用波的對比原跳取決于儀器，此時實習均為負起跳。初至時間的拾取是利用波的對比

22、原則，確定初至波（包括直達波和折射波），讀取波的起跳時間。當某道上則，確定初至波（包括直達波和折射波），讀取波的起跳時間。當某道上的有效波初至不清楚時，可利用相位對比，讀取相位的時間，并對改道進的有效波初至不清楚時，可利用相位對比，讀取相位的時間，并對改道進行相位校正。對于相遇炮的記錄一定要讀取初至時間，而對于追逐炮的記行相位校正。對于相遇炮的記錄一定要讀取初至時間，而對于追逐炮的記錄，當大多數(shù)道上的初至不明顯時，可讀取所有道上的相位時間，而不做錄，當大多數(shù)道上的初至不明顯時，可讀取所有道上的相位時間，而不做相位校正。相位校正。(3)初至拾取的具體方法初至拾取的具體方法通過通過SeisImag

23、er軟件手動和自動結合讀取初至時間，將光標點在地震記錄軟件手動和自動結合讀取初至時間，將光標點在地震記錄道上最早起跳的點上，通過軟件自動和手動讀取數(shù)據(jù)。道上最早起跳的點上，通過軟件自動和手動讀取數(shù)據(jù)。 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m

24、 sec) Source=-12.0m350. dat正追逐炮正追逐炮 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m sec) Source= 0.0m351. dat正相遇炮正相遇炮 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10

25、.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m sec) Source= 34.5m356. dat反相遇炮反相遇炮 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30

26、.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m sec) Source= 46.5m358. dat反追逐炮反追逐炮 2、相遇追逐時距曲線的繪制、相遇追逐時距曲線的繪制 3、確定交點、計算有效速度、確定交點、計算有效速度Ve (1)利用追逐炮與相遇炮平行性確定交點位置利用追逐炮與相遇炮平行性確定交點位置利用接收段同側不同位置激發(fā)的折射波時距曲線的平行利用接收段同側不同位置激發(fā)的折射波時距曲線的平行性，在相遇炮明顯發(fā)生轉折的點即為交點。因為檢波點性，在相遇炮明顯發(fā)生轉折的點即為交點。因為檢波點距不為零（即不是連續(xù)布設的），所以交點的位置在曲距不為零（即不是連續(xù)布設的），所以交點的位置在曲線的線的“合理區(qū)間合理區(qū)間”內移動。內移動。(2)