地震波的基本概念

關(guān)于地震波的基本概念第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三課程內(nèi)容

第1章緒論

第2章地震波運動學理論第3章地震資料采集方法與技術(shù)第4章地震波速度第5章地震資料解釋的理論基礎(chǔ)第6章地震資料構(gòu)造解釋第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第2章地震波運動學理論第一節(jié)幾何地震學基本概念第二節(jié)常速單界面的反射波路徑及數(shù)學表達式第三節(jié)變速多界面的反射波路徑及數(shù)學表達式第四節(jié)地震折射波運動學第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念一、地震波的基本概念二、地震波的傳播規(guī)律三、地震波的類型第2章地震波運動學理論第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念

地震波的運動學（Kinematicsofseismicwave)是研究地震波波前面的空間位置與其傳播時間的相互關(guān)系，它與幾何光學相似，是引用波前、射線等幾何圖形來描述波的運動過程和規(guī)律，因此也稱幾何地震學。一、地震波的基本概念1、地震波振動——介質(zhì)中每一個點圍繞平衡位置的運動。波動——振動在介質(zhì)中的傳播過程。波動是一種不斷變化、不斷推移的運動過程。振動和波動的關(guān)系就是部分和整體的關(guān)系。第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念

振動總有一定的能量，既然波動是振動在介質(zhì)中的傳播過程，那么伴隨著振動的傳播，當然也就有能量的傳播。波動是能量傳播的重要方式之一，其特點是：當能量在介質(zhì)中通過波動從一個位置傳到另一個位置時，介質(zhì)本身并不傳播。

彈性理論的研究表明，每種物體在外力作用下，整體表現(xiàn)為彈性還是塑性主要取決于具體的條件，例如物體本身的物理性質(zhì)，作用力的大小和特點（延續(xù)時間的長短、變化的快慢等），以及所處的外界環(huán)境（溫度、壓力等）。在壓力很大、作用時間很長的條件下，大部分物體都表現(xiàn)為塑性性質(zhì)。反之，在外力很小、作用時間很短的情況下，大部分物體都具有彈性性質(zhì)。

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在壓力很大、作用時間很長的條件下，大部分物體都表現(xiàn)為塑性性質(zhì)。反之，在外力很小、作用時間很短的情況下，大部分物體都具有彈性性質(zhì)。

物體受力的三種狀態(tài)：①彈性形變②塑性形變③永久形變①②③ef第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念

地震勘探中形成地震波的過程是：若激發(fā)方式為炸藥爆炸，那么在炸藥包附近,爆炸產(chǎn)生的強大壓力大大超過巖石的極限強度,巖石遭到破壞形成一個破壞帶。隨著離開震源距離的增大，壓力減小,但仍超過巖石的彈性限度，該范圍巖石發(fā)生塑性形變，形成一些輻射狀或環(huán)狀裂隙的塑性帶。再向外,壓力降低到彈性限度以內(nèi),又因為炸藥爆炸所產(chǎn)生的是一個延續(xù)時間很短的作用力,該區(qū)域的巖石發(fā)生彈性形變,即為彈性帶。由此可見,地震波就是一種在巖層中傳播的彈性波。圖2-1-1爆炸產(chǎn)生的三個帶第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念2、波前、波后和波面

波前——介質(zhì)中的各點剛剛開始振動，這一曲面S2稱作波在t1時刻的波前或波陣面。波后——在V0和V1的分界面S1上，介質(zhì)中各點剛剛停止了振動，這一曲面S1叫做波在t1時刻的波后或波尾。不指明哪一個時刻的波前和波后是沒有意義的。

震源S1S2t1t2第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念波面——介質(zhì)中每一個同時開始振動的曲面。在波的傳播過程中，波前將不斷推進而掃過介質(zhì)的全部。因此，波前在整個介質(zhì)中都留有遺跡。換句話說，通過介質(zhì)中的任何一點，都有一個波面。在介質(zhì)中任取一點P，再找出介質(zhì)中和P點同時開始振動的那些點，將這些點連成一個曲面，就是通過P點的波面。由此可見，波面是波前的“遺跡”，波面是同相的、等時的和靜止的。S1S2t1t2第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念按照波面的形狀，可以對波進行分類。如果所有的波面都是球面則為球面波；如果都是柱面則為柱面波；如果都是互相平行的平面就叫做平面波。波面的形狀取決于波源的形狀和介質(zhì)的性質(zhì)。3、射線在幾何地震學中，通常認為波及其能量是沿著一條“路徑”從波源傳到所考慮的一點P，然后又沿著那條“路徑”從P點傳向別處。這樣的假想路徑就叫做通過P點的波線或射線。在波動所及的介質(zhì)中，通過每一點都可以設(shè)想有這么一條波線。在各向同性介質(zhì)中，波線和所過各點處的波面相垂直。例如，在均勻介質(zhì)中的球面波，波線就是從波源向外的半徑，這就是“射線”一詞的由來。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念4、振動圖與波剖面波動是一種很復雜的運動過程。在這種過程中，介質(zhì)中的無數(shù)個小部分都在振動，而且不同部分的振動還可以在相位、強度等方面有所不同。這樣復雜的運動，是不能用單獨一條曲線來描述其全過程的。例如，指定了一個點P1,它的振動可以用一條振動曲線來反映，如上圖所示。但是，這樣的任何一條曲線，只是反映無限多個點中某一指定點而已。在地震勘探中，每個檢波器所記錄的，便是那個檢波器所在點處的地面振動，它的振動曲線習慣上叫做該點的振動圖。

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為了反映各點間的振動關(guān)系，常常采用描繪波形曲線的方法，即把在同一時刻各點的位移畫在同一個圖上。選定一個時刻t1，我們用縱坐標代表各物質(zhì)小塊離開平衡位置的位移，橫坐標為各點的距離x，就得到一條曲線。這條曲線就叫做波在t1時刻沿x方向的波形曲線。在地震勘探中，通常把沿著測線畫出的波形曲線叫做“波剖面”。

第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三介質(zhì)中不同點的振動曲線地面振動是一點的運動；波動是振動的傳播，即介質(zhì)整體的運動。振動傳播的速度為波速，與質(zhì)點本身運動的速度無關(guān)。波速有限是波動的必要條件。波動伴隨能量傳播。第一節(jié)幾何地震學基本概念總結(jié)第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三振動曲線：表示質(zhì)點振動的曲線。振動圖：檢波器所在點的振動曲線。波形線：同一時刻各點的位移繪制在一個圖上得到的曲線。波剖面：沿測線的波形曲線?？偨Y(jié)地面t1時刻波剖面t2時刻波剖面第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念5、地震子波(wavelet)爆炸脈沖的變化如右圖所示。具有多個相位、延續(xù)60～100毫秒的穩(wěn)定波形（圖c）稱為地震子波。如果把某個反射界面以上的地層介質(zhì)視為一個濾波器，該濾波器的輸入就是激發(fā)脈沖，其輸出則為激發(fā)的單位脈沖通過該濾波器的時間響應(yīng)，從這個意義上講，地震子波就是地震能量由震源通過復雜的地下路徑傳播到接收器所記錄下來的質(zhì)點運動速度(陸上檢波器)或壓力(海上檢波器)的遠場時間域響應(yīng)。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念

廣泛用于地震正演模型計算和地震資料解釋中的雷克（Ricker）子波，在時間域可表示為：在頻率域可表示為：

式中f(t)與F(f)互為傅立葉變換，fp為頻譜的峰值頻率。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念雷克子波的基本圖形如下圖所示，(a)是子波波形，(b)是振幅譜。雷克子波是零相位子波，故其相位譜恒為零。

第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念6、描述波動的特征量常見的術(shù)語：頻率、周期、振幅、波長、速度、視速度、視波長。正弦波：質(zhì)點振動為簡諧振動的波。速度和波長是沿著波的傳播方向來考慮問題的。若沿著其他方向，則討論的是視速度和視波長。tTA第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念視波長與真波長、視速度與真速度的關(guān)系：式中θ是波的入射角（射線與界面法線的夾角）。因為sinθ≤1，所以Va和λa不小于它們的真實速度V和波長λ。第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念二、地震波的傳播規(guī)律

1、反射定律由實驗總結(jié)得出的反射定律如下：反射線位于入射平面內(nèi)，反射角等于入射角，即。射線平面與界面的關(guān)系分以下兩種情況加以討論：R第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念水平界面的射線平面測線垂直界面走向的傾斜界面，既垂直界面也垂直地面射線平面既垂直界面也垂直地面第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念測線不垂直界面走向的傾斜界面，射線平面垂直界面，但不垂直地面。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念2、透射定律由實驗總結(jié)得出的透射定律如下：透射線也位于入射面內(nèi)，入射角的正弦與透射角的正弦之比等于第一、二兩種介質(zhì)中的波速之比，即：若把上式改寫成如下形式：或此式表明：沿著界面，波在兩種介質(zhì)中傳播的視速度是相等的。第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念

由右下圖可以看到所謂全反射現(xiàn)象的存在。如果V2>V1，則有sinθ2>sinθ1，即θ2>θ1

；當θ1增大到一定程度但還沒到90o時，θ2已經(jīng)增大到90o這時透射波在第二種介質(zhì)中沿界面“滑行”，出現(xiàn)了“全反射”現(xiàn)象，因為θ1再增大，就不能出現(xiàn)透射波了。開始出現(xiàn)“全反射”時的入射角叫做臨界角；因為這時θ2=90o，sinθ2=1，所以臨界角θc滿足下列關(guān)系式：全反射示意圖第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念3、斯奈爾（Snell）定律設(shè)各層的縱波、橫波速度分別用Vp1，Vs1，Vp2，Vs2，......Vpi，Vsi表示，θ下標代表各種波的入射角，則斯奈爾定律可表示為：式中P稱為射線參數(shù)。在水平層狀介質(zhì)中，當波的某條射線以某一角度入射到第一個界面后，再向下透射的方向?qū)⒂缮鲜經(jīng)Q定，這條射線就對應(yīng)于一個射線參數(shù)值Pi。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念4、費馬（Fermat）原理費馬原理較通俗的表達是：波在各種介質(zhì)中的傳播路徑，滿足所用時間為最短的條件。費馬原理示意圖第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念5、惠更斯（Huygens）原理惠更斯原理是利用波前概念來研究波的傳播的。表述為：在已知波前面（等時面）上的每一個點都可視為獨立的、新的子波源，每個子波源都向各方發(fā)出新的波，稱其為子波，子波以所在處的波速傳播，最近的下一時刻的這些子波的包絡(luò)面或線便是該時刻的波前面。這樣從前一個波前面位置移到下一個波前面位置，如法炮制，便可得到介質(zhì)中的等時面系，因而得到波在該介質(zhì)中傳播的全部特點。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)幾何地震學基本概念