第篇地震波動(dòng)力學(xué)

1、 地震勘探主要是研究人工激發(fā)的地震（彈性）波在淺層巖、土介質(zhì)中的傳播規(guī)律。其傳播的動(dòng)態(tài)特征集中反映在兩個(gè)方面，一是波傳播的時(shí)間與空間的關(guān)系，稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；另一是波傳播中它的振幅、頻率、相位等的變化規(guī)律，稱為動(dòng)力學(xué)特征。前者是地震波對(duì)地下地質(zhì)體的構(gòu)造響應(yīng)，后者則更多地表現(xiàn)出地下地質(zhì)體的巖性特征，有時(shí)亦是地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特征的響應(yīng)。我們把上述兩種特征統(tǒng)稱為地震波的波場(chǎng)特征。第1篇 地震勘探成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 工程地震勘探的基本任務(wù)就是通過研究地震波的波場(chǎng)特征，以解決淺部地層和構(gòu)造的分布，確定巖、土力學(xué)參數(shù)等工程和水文勘探中所涉及到的地質(zhì)問題。 本篇的重點(diǎn)是討論地震波場(chǎng)的基本理論和方法。在此基礎(chǔ)上

2、，引入近年來在工程勘探和檢測(cè)中較新或常用的方法技術(shù)，如瑞雷波法、CT成像技術(shù)、樁基檢測(cè)、PS波測(cè)井等，并結(jié)合工程實(shí)例，討論一般性應(yīng)用問題。 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院1、 地震波動(dòng)力學(xué)1.1 彈性理論基礎(chǔ) 地震勘察是通過觀測(cè)和研究人工激發(fā)的彈性波在巖石中的傳播規(guī)律來解決工程及環(huán)境地質(zhì)問題的一種地球物理方法。1.1.1 理想介質(zhì)和粘彈性介質(zhì) 由彈性力學(xué)的理論可知，任何一種固體，當(dāng)它受外力作用后，其質(zhì)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生相互位置的變化，也就是說會(huì)發(fā)生體積或形狀的變化，稱為形變。外力取消后，由于阻止其大小和形狀變化的成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院內(nèi)力起作用，使固體恢復(fù)到原來的狀態(tài)，這就是所謂的彈性。外力取消后，能夠立

3、即完全地恢復(fù)為原來狀態(tài)的物體，稱為完全彈性體，通常稱之為理想介質(zhì)。反之，若外力去掉后，仍保持其受外力時(shí)的形態(tài)，這種物體稱為塑性體，亦稱為粘彈性介質(zhì)。 在外力作用下，自然界大部分物體，既可以顯示彈性也可以顯示粘彈性，這取決于物體本身的性質(zhì)和外力作用的大小及時(shí)間的長(zhǎng)短。 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 地震波傳播范圍內(nèi)，絕大多數(shù)巖石都可以近似地看成是完全彈性體（理想介質(zhì)）來研究。 1927年勒夫（Love. A. E. H）證明由于彈性能是應(yīng)變的單值函數(shù)，系數(shù)和必須相等，因此36個(gè)彈性系數(shù)可以減少到21個(gè)。當(dāng)我們研究的彈性體如果是各向同性介質(zhì)，勒夫進(jìn)一步證明這些系數(shù)可以減少到只剩二個(gè)，我們把它表示為和，

4、稱為拉梅常數(shù)。 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 當(dāng)值比較大時(shí)，值就變小，這說明常數(shù)的物理意義是阻止切應(yīng)變的一個(gè)度量，因此它常常亦被稱為剪切模量。對(duì)于大多數(shù)巖土介質(zhì)，帕，而對(duì)于液體，此時(shí)切變無窮大有時(shí)為了方便起見，除了上述二個(gè)彈性常數(shù)以外，還應(yīng)用其他一些彈性常數(shù)。最普通的是楊氏模量E，泊松比和體積壓縮模量K。這三個(gè)彈性系數(shù)的定義分別是：楊氏模量E表示為當(dāng)圓的或多角形柱體試件，在其一端面上受力，而側(cè)面為自由面時(shí)，所加應(yīng)力與相對(duì)伸長(zhǎng)之比， 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院圖1.1.23 均勻介質(zhì)中的等時(shí)面圖1.1.24 等時(shí)面族同射線族的正交關(guān)系成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 對(duì)于各向同性的彈性介質(zhì)而言，5個(gè)彈性常數(shù)中

5、只要知道其中的2個(gè)，就可求出另外的3個(gè)。成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院橫波亦為線性極化波，因?yàn)槠滟|(zhì)點(diǎn)是在一維空間內(nèi)振動(dòng)。但由于在球坐標(biāo)標(biāo)內(nèi)同r是互為正交的，故橫波的質(zhì)點(diǎn)位移振動(dòng)方向有別于縱波，它同波的傳播方面r垂直。在研究中，通常把橫波看作是由兩個(gè)方向的振動(dòng)所組成，一個(gè)是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在垂直平面內(nèi)的橫波分量，稱為SV波，另一個(gè)是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在水平平面內(nèi)的橫波分量，稱之為SH波，如圖1.1.10。成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院圖1.1.10 橫波的傳播特征 成都理工大學(xué)信息工

6、程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院圖1.1.11 波的振動(dòng)圖形 圖1.1.12 波剖面圖成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院1.2.3 地震波的頻譜由震源激發(fā)、經(jīng)地下傳播并在地面或井中接收到的地震波通常是一個(gè)短的脈沖振動(dòng)，應(yīng)用信號(hào)分析領(lǐng)域中的廣義術(shù)語(yǔ)，稱該振動(dòng)為地震子波。它可以被理解為有確定起始時(shí)間和有限能量，在很短時(shí)間內(nèi)衰減的一個(gè)信號(hào)。地震子波振動(dòng)的一個(gè)基本屬性是振動(dòng)的非周期性。因此，它的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有別于描述周期振動(dòng)的振幅、頻率、相位等參數(shù)，而用振幅譜、相位譜（或頻譜）等概念來描述。 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 地震波的動(dòng)力學(xué)特征既可以用隨時(shí)間而變化的波形來描寫

7、，也可以用其頻譜特性來表述。前者是地震波的時(shí)間域表征，后者則是其頻率域表征。由于它們具有單值對(duì)應(yīng)性，因此在任何一個(gè)域內(nèi)討論地震波都是等效的。 地震子波的另一個(gè)屬性是它具有確定的起始時(shí)間和有限的能量，因此經(jīng)過很短的一段時(shí)間即衰減，衰減時(shí)間的長(zhǎng)短稱為地震子波的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度，以后將會(huì)討論到，它決定了地震勘探的分辨能力，而且可以很容易地證明：地震子波的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度同它的頻譜的頻帶寬度成反比。 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院2波的吸收衰減 由于地下介質(zhì)的非完全彈性和不均勻性，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^地層介質(zhì)傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)波的吸收現(xiàn)象。此時(shí)，介質(zhì)的振動(dòng)粒子之間產(chǎn)生摩擦，地震波的一部分能量轉(zhuǎn)換成熱。地下介質(zhì)彈性越好，能量損失

8、就越少。這表明分選、膠結(jié)好的地層波的吸收作用也小。由此可得出以下結(jié)論：波的吸收一般隨著深度的增加而減小。淺層地震勘探中，因調(diào)查的目的層大多為未膠結(jié)的第四系軟土沉積層，故地震波在軟土地層中傳播時(shí)波的吸收作用大。成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 在實(shí)際介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收衰減作用，濾去了較高的頻率成分而保留較低的頻率成分，巖土介質(zhì)的這種作用稱為大地濾波作用。高頻成分的損失，改變了脈沖的頻譜成分，使頻譜變窄，因而使激發(fā)的短脈沖經(jīng)大地濾波作用后其延續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，分辨率降低。如圖1.1.21所示，這種經(jīng)大地濾波作用后輸出的波稱為地震子波。成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院圖1.1.21 大地

9、濾波作用對(duì)波形的改造成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院圖1.1.22 惠更斯原理示意圖 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院2費(fèi)馬原理 費(fèi)馬原理表明，地震波沿射線傳播的旅行時(shí)和沿其它任何路徑傳播的旅行時(shí)相比為最小，亦波是沿旅行時(shí)間最小的路徑傳播(最小時(shí)間原理)的。在時(shí)間場(chǎng)內(nèi)，將時(shí)間相同的值連起來，組成等時(shí)面，等時(shí)面與射線成正交關(guān)系。成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院1.5.2 橫向分辨率 廣義繞射理論說明，地面上某點(diǎn)O（自激自收點(diǎn)）的能

10、量都是地下界面上每一繞射點(diǎn)對(duì)它“貢獻(xiàn)”的結(jié)果，問題是每一個(gè)點(diǎn)的“貢獻(xiàn)”都是等量的嗎？理論和實(shí)踐證明它們不是等量的并且有一個(gè)確定的范圍。分析認(rèn)為在地面O點(diǎn)觀測(cè)到的波的能量主要是由該范圍內(nèi)的繞射點(diǎn)形成的繞射波對(duì)該觀測(cè)點(diǎn)的“貢獻(xiàn)”。這個(gè)帶我們稱為菲涅爾帶。如圖1.1.36所示。從O點(diǎn)發(fā)出一球面波，波前到達(dá)界面上時(shí)形成繞射，考慮到所有繞射對(duì)O點(diǎn)的貢獻(xiàn)，要使得所有繞射成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院圖1.1.37 反射波的透過損失成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息

11、工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院影響地震波速度的因素：1巖土介質(zhì)的密度一般情況下，巖石越致密，波速越高， 2. 即同樣巖性的巖土介質(zhì)，當(dāng)孔隙度大時(shí)，其速度值相對(duì)變小。 3地層埋深和地質(zhì)年代一般情況下巖石埋藏得越深，反映它們的年代越老，承受上覆地層壓力的時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，這就是所謂的壓實(shí)作用。因此同樣巖性的巖石，埋藏深、時(shí)代老的要比埋藏淺、時(shí)代新的巖石速度更大。 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院 當(dāng)已知彈性模量及密度可求取縱橫波速度值，反之，由縱橫速度值可求得各種彈性模量成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院1.7.2 淺層地震地質(zhì)條件 地震勘探的效果在很大程度上取決于工作地區(qū)是否具有應(yīng)用地震勘探的前提，也就是工區(qū)的地震地質(zhì)條件。在淺層地震勘探中，其地震地質(zhì)條件主要是指淺部巖土介質(zhì)的性質(zhì)和地質(zhì)特征，以及地表的各種影響因素?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面來討論。1疏松覆蓋層2潛水面和含水層3地質(zhì)剖面的均勻性 成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院4地震界面和地質(zhì)界面的差異 地震界面是指地震波傳播時(shí)與波速變化有關(guān)的波