02-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件

資源學(xué)院：賈豫葛2010年9月14日第一章、基本概念（1）

-地震波資源學(xué)院：賈豫葛第一章、基本概念（1）

-地震波1內(nèi)容：1）地震波的基礎(chǔ)知識2）地震的地質(zhì)地球物理前提3）地震波的時距曲線4）地震勘探野外工作方法5）地震勘探數(shù)據(jù)處理6）地震資料的解釋內(nèi)容：21、地震勘探定義地震勘探是根據(jù)人工激發(fā)（爆炸或撞擊地面）的地震波在地下傳播過程中，遇到彈性性質(zhì)不同的地震界面后，在地層中產(chǎn)生反射和折射，部分地傳回地表。用專門的儀器記錄返回地面的波的旅行時間，研究振動的特征來確定產(chǎn)生反射或折射的界面的埋深和產(chǎn)狀，并根據(jù)所觀測的地震波在介質(zhì)中傳播速度及波的振幅與波形變化，探討介質(zhì)的物性與巖性。

地震波彈性界面路徑改變能量吸收旅行時間、速度（t,v）強度、波形改變（A,f,ф）知構(gòu)造知巖性陸地地震勘探原理示意圖海洋地震勘探原理示意圖1、地震勘探定義地震波彈性界面路徑改變能量吸收旅行3地震勘探原理示意圖地震勘探原理示意圖402-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件5一個反射界面的地震剖面一個反射界面的地震剖面62、地震勘探發(fā)展概述1）地震勘探是地震學(xué)的產(chǎn)物；2）早在1177年，商朝就有地震記載；3）1818年科西發(fā)表了關(guān)于波傳播的論文；4）1828年泊松證明了波有縱波和橫波，并能獨立存在；5）1899年諾特提出了波傳播，會發(fā)生反射和折射；2、地震勘探發(fā)展概述1）地震勘探是地震學(xué)的產(chǎn)物；76）1907年佐普里茲等發(fā)表了地震波的著作，與此同時，瑞雷提出了面波理論；

7）1913年開始應(yīng)用聲波測量水深和冰山的存在位置，19231930年用折射波法找到大量鹽丘；8）1927年美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)校首次開設(shè)物探課；

1937年，采用6道地震儀1940年，為612道二戰(zhàn)后，為24道60年代后，為48道81年后，為4896道現(xiàn)在地震儀道數(shù)已發(fā)展到數(shù)千道，但工程地震一般用2448道。6）1907年佐普里茲等發(fā)表了地震波的著作，與此同時802-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件93、地震勘探用途1）油氣田勘探、煤田勘探2）深部構(gòu)造、區(qū)域構(gòu)造3）工程、環(huán)境地球物理調(diào)查3、地震勘探用途1）油氣田勘探、煤田勘探101）按波的傳播特點劃分（1）反射波法勘探；（2）折射波法勘探；（3）透過波法勘探。

4、地震勘探分類1）按波的傳播特點劃分4、地震勘探分類112）按接收波的類型劃分（1）縱波勘探；（2）橫波勘探；（3）面波勘探。

2）按接收波的類型劃分123）地震按勘察范圍劃分（1）深部地震：尋找石油、天然氣、巖石圈探測等；（2）淺層地震（工程地震）：主要解決各種工程地質(zhì)問題，如探測溶洞、滑波調(diào)查、地基勘查等。

3）地震按勘察范圍劃分（1）深部地震：尋找石油、天然氣、巖石13地震波是機械波的一種機械波定義：機械振動在介質(zhì)中的傳播。形成機械波的兩個必要條件：波源和介質(zhì)。1、地震波什么是波？什么是彈性波？什么是地震波？一、彈性介質(zhì)理論地震波是機械波的一種1、地震波一、彈性介質(zhì)理論14聲波1）什么是波？聲波1）什么是波？15繩子傳播的波繩子傳播的波16水波水波17彈性波：彈性介質(zhì)中傳播的波什么是地震波？彈性波：彈性介質(zhì)中傳播的波什么是地震波？18地震波是地下巖層中傳播的彈性波地震波是地下巖層中傳播的彈性波19彈性波的產(chǎn)生彈性波的產(chǎn)生202、彈性介質(zhì)與粘彈性介質(zhì)1.彈性介質(zhì)彈性:外力體積、形狀變化外力去掉恢復(fù)原狀彈性體：具有這種特性的物體彈性形變：其形變稱為……如彈簧、橡皮等塑性:外力體積、形狀變化去掉外力不恢復(fù)原狀，保持外力作用時的狀態(tài)塑性體：具有這種特性的物體

塑性形變：其形變稱為…….如橡皮泥外力下，是彈是塑，取決于:是否在彈性限度之內(nèi)即三個方面:外力大小、作用時間長短、物體本身的性質(zhì)：產(chǎn)生彈性形變的介質(zhì)叫彈性介質(zhì)。參考書《彈性波動力學(xué)》2、彈性介質(zhì)與粘彈性介質(zhì)1.彈性介質(zhì)彈性:外力體積、21（不同）激發(fā)信號――波形變“胖”，振幅變小。自然界中絕大部分物體，在外力作用下，既可顯彈，也可顯塑

地震勘探，震源是脈沖式的，作用時間很短（持續(xù)十幾～幾十毫秒），巖土受到的作用力很小，可把巖、土介質(zhì)看作彈性介質(zhì)，用彈性波理論來研究地震波。

各向同性介質(zhì)：凡彈性性質(zhì)與空間方向無關(guān)的介質(zhì)各向異性介質(zhì):凡彈性性質(zhì)與空間方向有關(guān)的介質(zhì)沉積穩(wěn)定的沉積巖區(qū)，各向同性，簡化問題

地震勘探中，只要巖土性質(zhì)差異不大，都可以將巖土作為各向同性介質(zhì)來研究，這樣可使很多彈性理論問題的討論大為簡化。2.粘彈性體（介質(zhì)）

粘滯性：小外力、長時間不能恢復(fù)原狀

粘彈性：既有彈性，又有粘滯性的性質(zhì)淺震中：接收信號

原因：吸收高頻，能量損耗。

顯然，巖土既有彈性、又有粘滯性，巖土層就可以稱為粘彈性體（介質(zhì)）。（不同）激發(fā)信號――波形變“胖”，振幅變小。自然界中絕大部22二、應(yīng)力和應(yīng)變1．應(yīng)力設(shè)有一直桿，長L，直徑d，橫截面積為S受外力F拉長，長變?yōu)長ˊ=L+，直徑變?yōu)閐ˊ=d-直桿內(nèi)部質(zhì)點之間會產(chǎn)生一個對抗外力使物體恢復(fù)原狀的內(nèi)力。顯然，大小和外力相等，方向相反。正應(yīng)力：單位面積上所產(chǎn)生的內(nèi)力，用T表示剪切應(yīng)力：相切于單位面積上的內(nèi)力，用τ表示T

＝

2．應(yīng)變定義：彈性介質(zhì)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的形狀和體積的變化體應(yīng)變：體積發(fā)生變化（膨脹或壓縮）

θ

=VVDe=線應(yīng)變：單位長度的伸長（或縮短）量二、應(yīng)力和應(yīng)變1．應(yīng)力設(shè)有一直桿，長L，直徑d，橫截面積為2302-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件24

剪切應(yīng)變：彈性介質(zhì)在剪切力作用下，形狀發(fā)生變化。當(dāng)切應(yīng)力較小時，可用直角的改變量

（也叫偏轉(zhuǎn)角）來度量eτ

==圖1.2立方體單元受力后的形變(a)體積壓縮(b)剪切應(yīng)變剪切應(yīng)變：彈性介質(zhì)在剪切力作用下，形狀發(fā)生變化。當(dāng)切應(yīng)力25剪切應(yīng)變角度改變量總角度改變量：切應(yīng)變分量剪切應(yīng)變角度改變量總角度改變量：切應(yīng)變分量26同理總角度改變量：3個切應(yīng)變分量同理總角度改變量：27對角線轉(zhuǎn)角在yoz平面上的投影對角線轉(zhuǎn)角在yoz平面上的投影28同理對角線旋轉(zhuǎn)：3個角應(yīng)變分量同理對角線旋轉(zhuǎn)：29應(yīng)力和應(yīng)變Hooke虎克定理：應(yīng)力和應(yīng)變成正比在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力與伸長量成正比

f=-kx應(yīng)力和應(yīng)變Hooke虎克定理：應(yīng)力和應(yīng)變成正比f=-kx3002-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件312）各向異性各向同性1）cij=cij36個cij變?yōu)?1個cij21個cij變?yōu)?個彈性參數(shù)2）各向異性各向同性1）cij=cij36個cij變?yōu)?132三、彈性模量1．彈性模量的定義彈性模量也叫彈性參數(shù)或彈性系數(shù)，它表示了彈性體應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，反映了彈性體的彈性性質(zhì)。(1)楊氏模量當(dāng)彈性體在彈性限度內(nèi)單向拉伸時，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為楊氏模量（拉伸模量）。E=楊氏模量（)三、彈性模量1．彈性模量的定義彈性模量也叫彈性參數(shù)或彈性系數(shù)33(2)泊松比（σ）在拉伸形變中，直桿的橫切面會減小。反之，在軸向擠壓時，橫截面將增大。也就是說，在拉伸或壓縮形變中，縱向增量L和橫向增量d的符號總是相反的。泊松比:介質(zhì)的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值

σ=-

(3)體變模量一個體積為V的立方體，在流體靜壓力P的擠壓下所發(fā)生體積形變。即每個正截面的壓體變模量（壓縮模量）:

壓力P與體積相對變化之比K=

-

(2)泊松比（σ）在拉伸形變中，直桿的橫切面會減小。反之，34(4)切變模量（μ）切變模量（剛性模量）:表示了物體切應(yīng)力與切應(yīng)變之比μ=

對于液體:μ=0，不產(chǎn)生切應(yīng)變，只有體積變化。(5)拉梅常數(shù)（λ、μ）彈性力學(xué)中：受力物體內(nèi)任意點受力沿坐標(biāo)軸分為三個分力，每個分力都會引起縱向和橫向沿三個軸的應(yīng)力與應(yīng)變。按照廣義虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，于是應(yīng)有36個彈性系數(shù)。對各向同性介質(zhì)，這些系數(shù)大都對應(yīng)相等，可歸結(jié)為:兩個系數(shù)λ、μ（合稱拉梅系數(shù)）:應(yīng)力與應(yīng)變方向一致和互相垂直以上五個彈性參量，由彈性理論可證明，對于各向同性介質(zhì)，其中任意一個參量，都可以用任意兩個其它的參量表示出來，只寫出其中一組：楊氏模量泊松比體變模量(4)切變模量（μ）切變模量（剛性模量）:表示了物體切應(yīng)力35以上討論可知，彈性參數(shù)是應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)，表示介質(zhì)抵抗形變的能力，其數(shù)值愈大，表示該介質(zhì)愈難以產(chǎn)生形變。據(jù)試驗和理論推導(dǎo)，E、σ、μ都大于零，泊松比(σ)在0～0.5之間變化。一般巖石的σ值在0.25左右，極堅硬巖石的σ值僅為0.05，流體的σ值為0.5，而軟的、沒有很好膠結(jié)土的σ值可達0.45。表1.1中列舉出一些巖石和介質(zhì)的彈性參數(shù)。

表1.1介質(zhì)的彈性參數(shù)

參數(shù)介質(zhì)楊氏模量E體變模量K切變模量μ拉梅系數(shù)λ泊松比σ密度ρ(N/cm2×106)(g/cm2)鋼20178110.307.70鋁77.52.55.50.352.70玻璃75330.25～2.55花崗巖7322.50.25～2.67石灰?guī)r5.53.523.50.20～0.32～2.65砂巖4.531.52.50.20～0.28～2.45頁巖32110.22～0.40～2.35以上討論可知，彈性參數(shù)是應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)36四、波動方程若應(yīng)力體內(nèi)兩相鄰質(zhì)點應(yīng)力相同，無相對運動，靜止平衡狀態(tài)若二者之間有應(yīng)力差，產(chǎn)生波動為研究彈性波動形成的物理機制和傳播規(guī)律，須建立波的運動方程（波動方程）波動方程:研究介質(zhì)中質(zhì)點位移隨時間和空間的變化規(guī)律。在彈性理論中，對于均勻、各向同性、理想彈性介質(zhì)中的三維波動方程式為牛頓第二定律：F=ma四、波動方程若應(yīng)力體內(nèi)兩相鄰質(zhì)點應(yīng)力相同，無相對運動，靜止平37式中，u,v,w分別為x,y,z方向上的位移，λ,μ為拉梅常數(shù)，ρ為介質(zhì)密度為體積應(yīng)變。

為拉普拉斯算子。若波動引起介質(zhì)的形變，只有體積上的變化而無旋轉(zhuǎn)時，那么方程式變?yōu)榇朔匠檀淼牟ǚQ為疏密波，或壓縮波。式中，u,v,w分別為x,y,z方向上的位移，λ,μ為拉梅常38此方程代表的波稱為剪切波，或等容波疏密波與剪切波的波動方程可以寫成如下簡單的形式式中:，分別代表縱波（疏密波）和橫波（剪切波）的傳播速度。若波動引起介質(zhì)的形變，只有剪切變形和轉(zhuǎn)動而無體積變化時，則方程變?yōu)榇朔匠檀淼牟ǚQ為剪切波，或等容波疏密波與剪切波的波動方程393、地震波動的形成波動產(chǎn)生：彈性體內(nèi)相鄰質(zhì)點間的應(yīng)力變化會產(chǎn)生質(zhì)點的相對位移，存在應(yīng)力梯度時下面討論地震波的形成過程：物體在受到由小逐漸增大的力作用時，大體上經(jīng)歷三種狀態(tài)：外力?。涸趶椥韵薅纫詢?nèi)，物體產(chǎn)生彈性形變；外力增大：到超過彈性限度，物體產(chǎn)生塑性形變；外力繼續(xù)增大：超過了物體的極限強度，物體就會被拉斷或壓碎。巖層中用炸藥爆炸：激發(fā)地震波時炸藥包附近：壓力＞周圍巖石的彈性極限，巖石被破碎形成一個破壞圈離開震源一定距離：壓力減小，但仍超過巖石的彈性限度，巖石不發(fā)生破碎，但發(fā)生塑性形變，形成一系列裂縫的塑性及非線性形變帶塑性帶以外：隨著距離增加，壓力降低到彈性限度內(nèi)，巖石發(fā)生彈性形變因此，地震波是一種在巖層中傳播的彈性波3、地震波動的形成波動產(chǎn)生：彈性體內(nèi)相鄰質(zhì)點間的應(yīng)力變化會40在外力的作用下，彈性介質(zhì)中存在兩種擾動。對應(yīng)，即介質(zhì)中產(chǎn)生了體積形變，體積形變的傳播形成縱波；的擾動對應(yīng)，介質(zhì)中質(zhì)點產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)形變（切應(yīng)變），切應(yīng)變的傳播形成橫波。1）和2）它們都屬于體波。此外，還有沿自由表面?zhèn)鞑サ拿娌ā?）脹縮力的擾動2）旋轉(zhuǎn)力在外力的作用下，彈性介質(zhì)中存在兩種擾動。對應(yīng)，即介質(zhì)中產(chǎn)生了41地震子波炸藥震源爆炸在彈性變形區(qū)域形成彈性波，研究表明彈性波在近距離內(nèi)會發(fā)生較大變化，傳播一定距離（幾百米）后便相對穩(wěn)定，形成地震子波。并且認為在以后的傳播中，地震子波不再發(fā)生變化。地震子波421、地震波的分類橫波特點:周期長、振幅大、波速慢，100-800m/s縱波特點:周期短，振幅小,波速快，200-1400m/s面波比體波衰減慢、振幅大、周期長、傳播遠。建筑物破壞主要由面波造成。體波橫波（S波）縱波（P波）面波瑞利波勒夫波地震波基本概念1、地震波的分類橫波特點:周期長、振幅大、縱波特點:周期短，43體波和面波體波和面波44脹縮力體積應(yīng)變，引起的波動（縱波，P波）；2、縱、橫波的形成及其特點

從上討論知:外力作用下，存在兩種擾動旋轉(zhuǎn)力剪切應(yīng)變，引起的波動（橫波，S波）。統(tǒng)稱體波縱波：間隔形成壓縮帶（密集帶）和膨脹帶（稀疏帶），傳播方向與振動方向一致，Vp橫波：傳播方向與振動方向相垂直，波速――Vs水平面內(nèi)分量：稱SH波垂直面內(nèi)分量：稱SV波脹縮力體積應(yīng)變，引起的波動（縱波，P波）；2、縱、橫波的45從波動方程知：縱、橫波傳播速度為則縱、橫波速度之比為從波動方程知：縱、橫波傳播速度為則縱、橫波速度之比為46

討論：①σ＝0.25,一般巖石,Vp/Vs=②σ＝0，極堅硬巖石,Vp/Vs=③σ＝0.5，浮土,於泥土,Vp/Vs∞④橫波最小波速=0,液體和氣體中不存在橫波。解決某些特殊問題，如探測充滿液體的洞穴（如溶洞）,Vs=0表1.2Vp/Vs值與介質(zhì)泊松比的關(guān)系σ00.10.20.250.30.40.5Vp/Vs1.411.501.631.731.872.45∞討論：①σ＝0.25,一般巖石,Vp/Vs=②σ＝473、體波（1）縱波（Push）：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向平行?？梢栽诠獭?、液中傳播。***常見機械波中，聲波是縱波；地震波既有橫波又有縱波。（2）橫波（Shake）：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直。在橫波中，凸起的最高處叫做波峰，凹下的最低處叫做波谷。只能在固體中傳播。3、體波48地震P波（縱波）和S波（橫波）運行時彈性巖石運動的形態(tài)地震P波（縱波）和S波（橫波）運行時彈性巖石運動的形態(tài)4902-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件5002-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件5102-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件52球面波傳播示意圖縱波傳播示意圖球面波傳播示意圖縱波傳播示意圖53球面橫波的質(zhì)點位移球面橫波的質(zhì)點位移54水波水波55水波水波56繩子傳播的波繩子傳播的波574、面波

當(dāng)P波和S波到達地球的自由面或位于層狀地質(zhì)構(gòu)造的界面時，在一定條件下會產(chǎn)生其他類型地震波。這些波中最重要的是瑞利波和勒夫波。這兩類波沿地球表面?zhèn)鞑?；巖石振動振幅隨深度增加而逐漸減小至零。由于這些面波的能量被捕獲在表面才能沿著或近地表傳播，否則這些波將向下反射進入地球，在地表只有短暫的生命。兩種面波的速度都比體波小，但在地震記錄上，面波的振幅一般比體波大，原因之一是：體波是在三維中傳播，而面波則是二維的，所以體波位移隨距離的遞減率要比面波快。在離開震源一定距離后，地震記錄上的面波就比較顯著了。不過地震的面波成分和它的激發(fā)條件極有關(guān)系。大地震的面波總是很顯著的，但小地震的面波有時并不發(fā)育。4、面波58體波和面波體波和面波59勒夫波是地震面波中最簡單的一種類型。洛夫波：是1911年英國力學(xué)家洛夫（Love）首先提出的。洛夫波產(chǎn)生的條件：介質(zhì)至少要有兩層，上層中的Vs要小于下層中的Vs。面波存在于分界面之下，傳播速度介于上下層兩個橫波速度之間。洛夫波是橫波，其質(zhì)點運動與分界面平行。Vs上

﹤VL﹤Vs下

洛夫波使巖石質(zhì)點運動類似SH波，運動沒有垂向位移。巖石運動在一垂直于傳播方向上在水平面內(nèi)從一邊到另一邊。雖然勒夫波不包括垂直地面運動的波，但它們在地震中可以成為最具破壞性的，因為它們常具有很大振幅，能在建筑物地基之下造成水平剪切。勒夫波是地震面波中最簡單的一種類型。60勒夫面波：低速帶頂?shù)捉缑妫叫薪缑娴牟▌?，振動方向垂直傳播方向，SH波特點：對縱波勘探影響不大，對橫波勘探嚴重干擾瑞利面波：自由界面，地滾波，R波特點：低頻、低速，能量大（強振幅），旋轉(zhuǎn)（鉛垂面，橢圓，逆轉(zhuǎn)）天然地震中，危害極大勒夫面波：低速帶頂?shù)捉缑?，平行界面的波動，振動方向垂直傳播?1瑞利面波的地面運動不同于洛夫波。1885年首次由瑞利（Rayleigh）描述，它們是地震波中最近似水波的。巖石質(zhì)點向前、向上、向后和向下運動，沿波的傳播方向作一垂直平面，質(zhì)點在該平面內(nèi)運動，描繪出一個橢圓。勒夫波和瑞利波的速度總比P波小，與S波的速度相等或小一些。VR≈0.9Vs

瑞利波存在于地球表面之下，是1885年英國物理學(xué)家瑞利（Rayleigh）首先在理論上導(dǎo)出，以后在地震記錄中得到證實。這種波的振幅在地面最大，隨著深度而指數(shù)縮減。它有一定的傳播速度VR，比橫波速度Vs略小一些。當(dāng)波向前傳播時，介質(zhì)質(zhì)點的運動軌跡是向后倒轉(zhuǎn)的橢圓。這樣的運動不是單純的脹縮或畸變。瑞利波不是單純的P或S（Sv），而是兩種成分都有。瑞利面波的地面運動不同于洛夫波。62瑞雷面波的傳播向前、向上、向后、向下瑞雷面波的傳播向前、向上、向后、向下6302-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件6402-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件65

5）波的特點1）在波的傳播過程中，介質(zhì)中各質(zhì)點均做受迫振動，振動頻率等于波源的振動頻率。2）離波源近的點（前質(zhì)點）先振動，離波源遠的點（后質(zhì)點）后振動，后振動質(zhì)點總是模擬前振動質(zhì)點的振動，在步調(diào)上比前質(zhì)點略慢。波動是相位的傳播。3）波在同一種均勻介質(zhì)中是勻速傳播的，波速v=s/t=λ/T，而介質(zhì)中的質(zhì)點只在自己的平衡位置附近作簡諧振動，并不隨波一起遷移，波的傳播過程實際上是振動形式和能量的傳播。4）在固體中，可以傳播縱波和橫波；在液體和氣體中，只能傳播縱波。5）波的特點666）描述機械波的物理量（1）頻率和周期：由波源決定，即介質(zhì)中質(zhì)點的振動頻率和周期。

周期(T)波前進一個波長距離所需的時間。周期表征了波的時間周期性。

頻率同周期一樣表征了波的時間周期性。

注意：波的周期和頻率與波源的振動的周期和頻率相同，與媒質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。（2）波長和波數(shù)：在波動中，對平衡位置的位移總相等的兩個相鄰質(zhì)點間的距離。波長反映了波的空間周期性。波長還等于：波在一個周期中向前傳播的距離、橫波中兩個相鄰波峰或波谷間的距離、縱波中兩個相鄰疏部或密部間的距離。6）描述機械波的物理量67（3）波速：由介質(zhì)本身性質(zhì)決定。v=s/t=λ/T。振動狀態(tài)在媒質(zhì)中的傳播速度。表征波的時間周期性與空間周期性的關(guān)系。注意：波速實質(zhì)上是相位傳播的速度，也稱為相速度；其大小主要決定于媒質(zhì)的性質(zhì)，與波的頻率無關(guān)。（3）波速：由介質(zhì)本身性質(zhì)決定。v=s/t=λ/T。注意：6802-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件69資源學(xué)院：賈豫葛2010年9月14日第一章、基本概念（1）

-地震波資源學(xué)院：賈豫葛第一章、基本概念（1）

-地震波70內(nèi)容：1）地震波的基礎(chǔ)知識2）地震的地質(zhì)地球物理前提3）地震波的時距曲線4）地震勘探野外工作方法5）地震勘探數(shù)據(jù)處理6）地震資料的解釋內(nèi)容：711、地震勘探定義地震勘探是根據(jù)人工激發(fā)（爆炸或撞擊地面）的地震波在地下傳播過程中，遇到彈性性質(zhì)不同的地震界面后，在地層中產(chǎn)生反射和折射，部分地傳回地表。用專門的儀器記錄返回地面的波的旅行時間，研究振動的特征來確定產(chǎn)生反射或折射的界面的埋深和產(chǎn)狀，并根據(jù)所觀測的地震波在介質(zhì)中傳播速度及波的振幅與波形變化，探討介質(zhì)的物性與巖性。

地震波彈性界面路徑改變能量吸收旅行時間、速度（t,v）強度、波形改變（A,f,ф）知構(gòu)造知巖性陸地地震勘探原理示意圖海洋地震勘探原理示意圖1、地震勘探定義地震波彈性界面路徑改變能量吸收旅行72地震勘探原理示意圖地震勘探原理示意圖7302-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件74一個反射界面的地震剖面一個反射界面的地震剖面752、地震勘探發(fā)展概述1）地震勘探是地震學(xué)的產(chǎn)物；2）早在1177年，商朝就有地震記載；3）1818年科西發(fā)表了關(guān)于波傳播的論文；4）1828年泊松證明了波有縱波和橫波，并能獨立存在；5）1899年諾特提出了波傳播，會發(fā)生反射和折射；2、地震勘探發(fā)展概述1）地震勘探是地震學(xué)的產(chǎn)物；766）1907年佐普里茲等發(fā)表了地震波的著作，與此同時，瑞雷提出了面波理論；

7）1913年開始應(yīng)用聲波測量水深和冰山的存在位置，19231930年用折射波法找到大量鹽丘；8）1927年美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)校首次開設(shè)物探課；

1937年，采用6道地震儀1940年，為612道二戰(zhàn)后，為24道60年代后，為48道81年后，為4896道現(xiàn)在地震儀道數(shù)已發(fā)展到數(shù)千道，但工程地震一般用2448道。6）1907年佐普里茲等發(fā)表了地震波的著作，與此同時7702-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件783、地震勘探用途1）油氣田勘探、煤田勘探2）深部構(gòu)造、區(qū)域構(gòu)造3）工程、環(huán)境地球物理調(diào)查3、地震勘探用途1）油氣田勘探、煤田勘探791）按波的傳播特點劃分（1）反射波法勘探；（2）折射波法勘探；（3）透過波法勘探。

4、地震勘探分類1）按波的傳播特點劃分4、地震勘探分類802）按接收波的類型劃分（1）縱波勘探；（2）橫波勘探；（3）面波勘探。

2）按接收波的類型劃分813）地震按勘察范圍劃分（1）深部地震：尋找石油、天然氣、巖石圈探測等；（2）淺層地震（工程地震）：主要解決各種工程地質(zhì)問題，如探測溶洞、滑波調(diào)查、地基勘查等。

3）地震按勘察范圍劃分（1）深部地震：尋找石油、天然氣、巖石82地震波是機械波的一種機械波定義：機械振動在介質(zhì)中的傳播。形成機械波的兩個必要條件：波源和介質(zhì)。1、地震波什么是波？什么是彈性波？什么是地震波？一、彈性介質(zhì)理論地震波是機械波的一種1、地震波一、彈性介質(zhì)理論83聲波1）什么是波？聲波1）什么是波？84繩子傳播的波繩子傳播的波85水波水波86彈性波：彈性介質(zhì)中傳播的波什么是地震波？彈性波：彈性介質(zhì)中傳播的波什么是地震波？87地震波是地下巖層中傳播的彈性波地震波是地下巖層中傳播的彈性波88彈性波的產(chǎn)生彈性波的產(chǎn)生892、彈性介質(zhì)與粘彈性介質(zhì)1.彈性介質(zhì)彈性:外力體積、形狀變化外力去掉恢復(fù)原狀彈性體：具有這種特性的物體彈性形變：其形變稱為……如彈簧、橡皮等塑性:外力體積、形狀變化去掉外力不恢復(fù)原狀，保持外力作用時的狀態(tài)塑性體：具有這種特性的物體

塑性形變：其形變稱為…….如橡皮泥外力下，是彈是塑，取決于:是否在彈性限度之內(nèi)即三個方面:外力大小、作用時間長短、物體本身的性質(zhì)：產(chǎn)生彈性形變的介質(zhì)叫彈性介質(zhì)。參考書《彈性波動力學(xué)》2、彈性介質(zhì)與粘彈性介質(zhì)1.彈性介質(zhì)彈性:外力體積、90（不同）激發(fā)信號――波形變“胖”，振幅變小。自然界中絕大部分物體，在外力作用下，既可顯彈，也可顯塑

地震勘探，震源是脈沖式的，作用時間很短（持續(xù)十幾～幾十毫秒），巖土受到的作用力很小，可把巖、土介質(zhì)看作彈性介質(zhì)，用彈性波理論來研究地震波。

各向同性介質(zhì)：凡彈性性質(zhì)與空間方向無關(guān)的介質(zhì)各向異性介質(zhì):凡彈性性質(zhì)與空間方向有關(guān)的介質(zhì)沉積穩(wěn)定的沉積巖區(qū)，各向同性，簡化問題

地震勘探中，只要巖土性質(zhì)差異不大，都可以將巖土作為各向同性介質(zhì)來研究，這樣可使很多彈性理論問題的討論大為簡化。2.粘彈性體（介質(zhì)）

粘滯性：小外力、長時間不能恢復(fù)原狀

粘彈性：既有彈性，又有粘滯性的性質(zhì)淺震中：接收信號

原因：吸收高頻，能量損耗。

顯然，巖土既有彈性、又有粘滯性，巖土層就可以稱為粘彈性體（介質(zhì)）。（不同）激發(fā)信號――波形變“胖”，振幅變小。自然界中絕大部91二、應(yīng)力和應(yīng)變1．應(yīng)力設(shè)有一直桿，長L，直徑d，橫截面積為S受外力F拉長，長變?yōu)長ˊ=L+，直徑變?yōu)閐ˊ=d-直桿內(nèi)部質(zhì)點之間會產(chǎn)生一個對抗外力使物體恢復(fù)原狀的內(nèi)力。顯然，大小和外力相等，方向相反。正應(yīng)力：單位面積上所產(chǎn)生的內(nèi)力，用T表示剪切應(yīng)力：相切于單位面積上的內(nèi)力，用τ表示T

＝

2．應(yīng)變定義：彈性介質(zhì)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的形狀和體積的變化體應(yīng)變：體積發(fā)生變化（膨脹或壓縮）

θ

=VVDe=線應(yīng)變：單位長度的伸長（或縮短）量二、應(yīng)力和應(yīng)變1．應(yīng)力設(shè)有一直桿，長L，直徑d，橫截面積為9202-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件93

剪切應(yīng)變：彈性介質(zhì)在剪切力作用下，形狀發(fā)生變化。當(dāng)切應(yīng)力較小時，可用直角的改變量

（也叫偏轉(zhuǎn)角）來度量eτ

==圖1.2立方體單元受力后的形變(a)體積壓縮(b)剪切應(yīng)變剪切應(yīng)變：彈性介質(zhì)在剪切力作用下，形狀發(fā)生變化。當(dāng)切應(yīng)力94剪切應(yīng)變角度改變量總角度改變量：切應(yīng)變分量剪切應(yīng)變角度改變量總角度改變量：切應(yīng)變分量95同理總角度改變量：3個切應(yīng)變分量同理總角度改變量：96對角線轉(zhuǎn)角在yoz平面上的投影對角線轉(zhuǎn)角在yoz平面上的投影97同理對角線旋轉(zhuǎn)：3個角應(yīng)變分量同理對角線旋轉(zhuǎn)：98應(yīng)力和應(yīng)變Hooke虎克定理：應(yīng)力和應(yīng)變成正比在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力與伸長量成正比

f=-kx應(yīng)力和應(yīng)變Hooke虎克定理：應(yīng)力和應(yīng)變成正比f=-kx9902-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件1002）各向異性各向同性1）cij=cij36個cij變?yōu)?1個cij21個cij變?yōu)?個彈性參數(shù)2）各向異性各向同性1）cij=cij36個cij變?yōu)?1101三、彈性模量1．彈性模量的定義彈性模量也叫彈性參數(shù)或彈性系數(shù)，它表示了彈性體應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，反映了彈性體的彈性性質(zhì)。(1)楊氏模量當(dāng)彈性體在彈性限度內(nèi)單向拉伸時，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為楊氏模量（拉伸模量）。E=楊氏模量（)三、彈性模量1．彈性模量的定義彈性模量也叫彈性參數(shù)或彈性系數(shù)102(2)泊松比（σ）在拉伸形變中，直桿的橫切面會減小。反之，在軸向擠壓時，橫截面將增大。也就是說，在拉伸或壓縮形變中，縱向增量L和橫向增量d的符號總是相反的。泊松比:介質(zhì)的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值

σ=-

(3)體變模量一個體積為V的立方體，在流體靜壓力P的擠壓下所發(fā)生體積形變。即每個正截面的壓體變模量（壓縮模量）:

壓力P與體積相對變化之比K=

-

(2)泊松比（σ）在拉伸形變中，直桿的橫切面會減小。反之，103(4)切變模量（μ）切變模量（剛性模量）:表示了物體切應(yīng)力與切應(yīng)變之比μ=

對于液體:μ=0，不產(chǎn)生切應(yīng)變，只有體積變化。(5)拉梅常數(shù)（λ、μ）彈性力學(xué)中：受力物體內(nèi)任意點受力沿坐標(biāo)軸分為三個分力，每個分力都會引起縱向和橫向沿三個軸的應(yīng)力與應(yīng)變。按照廣義虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，于是應(yīng)有36個彈性系數(shù)。對各向同性介質(zhì)，這些系數(shù)大都對應(yīng)相等，可歸結(jié)為:兩個系數(shù)λ、μ（合稱拉梅系數(shù)）:應(yīng)力與應(yīng)變方向一致和互相垂直以上五個彈性參量，由彈性理論可證明，對于各向同性介質(zhì)，其中任意一個參量，都可以用任意兩個其它的參量表示出來，只寫出其中一組：楊氏模量泊松比體變模量(4)切變模量（μ）切變模量（剛性模量）:表示了物體切應(yīng)力104以上討論可知，彈性參數(shù)是應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)，表示介質(zhì)抵抗形變的能力，其數(shù)值愈大，表示該介質(zhì)愈難以產(chǎn)生形變。據(jù)試驗和理論推導(dǎo)，E、σ、μ都大于零，泊松比(σ)在0～0.5之間變化。一般巖石的σ值在0.25左右，極堅硬巖石的σ值僅為0.05，流體的σ值為0.5，而軟的、沒有很好膠結(jié)土的σ值可達0.45。表1.1中列舉出一些巖石和介質(zhì)的彈性參數(shù)。

表1.1介質(zhì)的彈性參數(shù)

參數(shù)介質(zhì)楊氏模量E體變模量K切變模量μ拉梅系數(shù)λ泊松比σ密度ρ(N/cm2×106)(g/cm2)鋼20178110.307.70鋁77.52.55.50.352.70玻璃75330.25～2.55花崗巖7322.50.25～2.67石灰?guī)r5.53.523.50.20～0.32～2.65砂巖4.531.52.50.20～0.28～2.45頁巖32110.22～0.40～2.35以上討論可知，彈性參數(shù)是應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)105四、波動方程若應(yīng)力體內(nèi)兩相鄰質(zhì)點應(yīng)力相同，無相對運動，靜止平衡狀態(tài)若二者之間有應(yīng)力差，產(chǎn)生波動為研究彈性波動形成的物理機制和傳播規(guī)律，須建立波的運動方程（波動方程）波動方程:研究介質(zhì)中質(zhì)點位移隨時間和空間的變化規(guī)律。在彈性理論中，對于均勻、各向同性、理想彈性介質(zhì)中的三維波動方程式為牛頓第二定律：F=ma四、波動方程若應(yīng)力體內(nèi)兩相鄰質(zhì)點應(yīng)力相同，無相對運動，靜止平106式中，u,v,w分別為x,y,z方向上的位移，λ,μ為拉梅常數(shù)，ρ為介質(zhì)密度為體積應(yīng)變。

為拉普拉斯算子。若波動引起介質(zhì)的形變，只有體積上的變化而無旋轉(zhuǎn)時，那么方程式變?yōu)榇朔匠檀淼牟ǚQ為疏密波，或壓縮波。式中，u,v,w分別為x,y,z方向上的位移，λ,μ為拉梅常107此方程代表的波稱為剪切波，或等容波疏密波與剪切波的波動方程可以寫成如下簡單的形式式中:，分別代表縱波（疏密波）和橫波（剪切波）的傳播速度。若波動引起介質(zhì)的形變，只有剪切變形和轉(zhuǎn)動而無體積變化時，則方程變?yōu)榇朔匠檀淼牟ǚQ為剪切波，或等容波疏密波與剪切波的波動方程1083、地震波動的形成波動產(chǎn)生：彈性體內(nèi)相鄰質(zhì)點間的應(yīng)力變化會產(chǎn)生質(zhì)點的相對位移，存在應(yīng)力梯度時下面討論地震波的形成過程：物體在受到由小逐漸增大的力作用時，大體上經(jīng)歷三種狀態(tài)：外力小：在彈性限度以內(nèi)，物體產(chǎn)生彈性形變；外力增大：到超過彈性限度，物體產(chǎn)生塑性形變；外力繼續(xù)增大：超過了物體的極限強度，物體就會被拉斷或壓碎。巖層中用炸藥爆炸：激發(fā)地震波時炸藥包附近：壓力＞周圍巖石的彈性極限，巖石被破碎形成一個破壞圈離開震源一定距離：壓力減小，但仍超過巖石的彈性限度，巖石不發(fā)生破碎，但發(fā)生塑性形變，形成一系列裂縫的塑性及非線性形變帶塑性帶以外：隨著距離增加，壓力降低到彈性限度內(nèi)，巖石發(fā)生彈性形變因此，地震波是一種在巖層中傳播的彈性波3、地震波動的形成波動產(chǎn)生：彈性體內(nèi)相鄰質(zhì)點間的應(yīng)力變化會109在外力的作用下，彈性介質(zhì)中存在兩種擾動。對應(yīng)，即介質(zhì)中產(chǎn)生了體積形變，體積形變的傳播形成縱波；的擾動對應(yīng)，介質(zhì)中質(zhì)點產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)形變（切應(yīng)變），切應(yīng)變的傳播形成橫波。1）和2）它們都屬于體波。此外，還有沿自由表面?zhèn)鞑サ拿娌ā?）脹縮力的擾動2）旋轉(zhuǎn)力在外力的作用下，彈性介質(zhì)中存在兩種擾動。對應(yīng)，即介質(zhì)中產(chǎn)生了110地震子波炸藥震源爆炸在彈性變形區(qū)域形成彈性波，研究表明彈性波在近距離內(nèi)會發(fā)生較大變化，傳播一定距離（幾百米）后便相對穩(wěn)定，形成地震子波。并且認為在以后的傳播中，地震子波不再發(fā)生變化。地震子波1111、地震波的分類橫波特點:周期長、振幅大、波速慢，100-800m/s縱波特點:周期短，振幅小,波速快，200-1400m/s面波比體波衰減慢、振幅大、周期長、傳播遠。建筑物破壞主要由面波造成。體波橫波（S波）縱波（P波）面波瑞利波勒夫波地震波基本概念1、地震波的分類橫波特點:周期長、振幅大、縱波特點:周期短，112體波和面波體波和面波113脹縮力體積應(yīng)變，引起的波動（縱波，P波）；2、縱、橫波的形成及其特點

從上討論知:外力作用下，存在兩種擾動旋轉(zhuǎn)力剪切應(yīng)變，引起的波動（橫波，S波）。統(tǒng)稱體波縱波：間隔形成壓縮帶（密集帶）和膨脹帶（稀疏帶），傳播方向與振動方向一致，Vp橫波：傳播方向與振動方向相垂直，波速――Vs水平面內(nèi)分量：稱SH波垂直面內(nèi)分量：稱SV波脹縮力體積應(yīng)變，引起的波動（縱波，P波）；2、縱、橫波的114從波動方程知：縱、橫波傳播速度為則縱、橫波速度之比為從波動方程知：縱、橫波傳播速度為則縱、橫波速度之比為115

討論：①σ＝0.25,一般巖石,Vp/Vs=②σ＝0，極堅硬巖石,Vp/Vs=③σ＝0.5，浮土,於泥土,Vp/Vs∞④橫波最小波速=0,液體和氣體中不存在橫波。解決某些特殊問題，如探測充滿液體的洞穴（如溶洞）,Vs=0表1.2Vp/Vs值與介質(zhì)泊松比的關(guān)系σ00.10.20.250.30.40.5Vp/Vs1.411.501.631.731.872.45∞討論：①σ＝0.25,一般巖石,Vp/Vs=②σ＝1163、體波（1）縱波（Push）：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向平行?？梢栽诠?、氣、液中傳播。***常見機械波中，聲波是縱波；地震波既有橫波又有縱波。（2）橫波（Shake）：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直。在橫波中，凸起的最高處叫做波峰，凹下的最低處叫做波谷。只能在固體中傳播。3、體波117地震P波（縱波）和S波（橫波）運行時彈性巖石運動的形態(tài)地震P波（縱波）和S波（橫波）運行時彈性巖石運動的形態(tài)11802-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件11902-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件12002-1-地震勘探-地震波基本概念1彈性波課件121球面波傳播示意圖縱波傳播示意圖球面波傳播示意圖縱波傳播示意圖122球面橫波的質(zhì)點位移球面橫波的質(zhì)點位移123水波水波124水波水波125繩子傳播的波繩子傳播的波1264、面波

當(dāng)P波和S波到達地球的自由面或位于層狀地質(zhì)構(gòu)造的界面時，在一定條件下會產(chǎn)生其他類型地震波。這些波中最重要的是瑞利波和勒夫波。這兩類波沿地球表面?zhèn)鞑ィ粠r石振動振幅隨深度增加而逐漸減小至零。由于這些面波的能量被捕獲在表面才能沿著或近地表傳播，否則這些波將向下反射進入地球，在地表只有短暫的生命。兩種面波的速度都比體波小，但在地震記錄上，面波的振幅一般比體波大，原因之一是：體波是在三維中傳播，而面波則是二維的，所以體波位移隨距離的遞減率要比面波快。在離開震源一定距離后，地震記錄上的面波就比較顯著了。不過地震的面波成分和它的激發(fā)條件極有關(guān)系。大地震的面波