地震勘探地震波的產(chǎn)生和類型

地震勘探地震波的產(chǎn)生和類型第1頁/共75頁視速度定理－－拓展dxvdtxz當(dāng)射線垂直觀測面時當(dāng)射線平行觀測面時vdtdz第2頁/共75頁波動方程所謂波動方程就是用數(shù)學(xué)方法來描述波的傳播。即將波傳播這一物理問題歸結(jié)成數(shù)學(xué)問題。

虎克定律：應(yīng)變和應(yīng)力成正比。

E——比例系數(shù)，稱為楊氏模量。

第3頁/共75頁三維波動方程如下u——質(zhì)點(diǎn)的位移或壓力，

x，y，z——直角坐標(biāo)系中的三個分量：

t——時間

v——波傳播的速度。

λ

——傳播介質(zhì)的拉梅系數(shù)

μ——傳播介質(zhì)的切變系數(shù)ρ——傳播介質(zhì)的密度

第4頁/共75頁惠更斯——菲涅爾原理⑴惠更斯原理：任一點(diǎn)子波可作新點(diǎn)的震源在彈性介質(zhì)中，波傳播過程中任一時刻的同一波前面上的任一點(diǎn)均可以做新點(diǎn)的點(diǎn)震源產(chǎn)生新的子波。特點(diǎn)：給出了波的幾何空間位置。

P（f，x，y，z）波動傳播原理第5頁/共75頁同一波陣面上的各點(diǎn)所發(fā)出的子波經(jīng)傳播在空間相遇時可以相互迭加產(chǎn)生干涉。在某觀測點(diǎn)觀測到的是來自各點(diǎn)子波迭加后的總擾動。

⑵菲涅爾原理：（惠氏原理的補(bǔ)充）任一點(diǎn)子波視作來自各方向子波的迭加的總振動。第6頁/共75頁費(fèi)馬原理（最小時間原理）地震波沿最短的射線路徑傳播的時間最小。討論：設(shè)有任兩層均勻等厚介質(zhì)xi＋1xi－1xixixiTviVi+1HHii+1第7頁/共75頁傳播所用時間最短，共用T時間，則有：對T(x)式求極小值：即第8頁/共75頁故有：則得：（射線原理方程）P為射線參數(shù)第9頁/共75頁廣義斯奈爾定律P1P1S1P11P12P1S2PSPS1vp1vs12vp2vs2(p1s1、p1s2為轉(zhuǎn)換波)第10頁/共75頁第二章地震波的產(chǎn)生和類型地震波是彈性波縱波橫波面波反射波透射波折射波第11頁/共75頁地震波在巖石中傳播一、討論條件：⒈波動—是質(zhì)點(diǎn)振動在介質(zhì)中的傳播為彈性波或機(jī)械波⒉地下巖石為均勻的各向同性的完全彈性體⒊巖石存在有兩面性：彈性和塑性第12頁/共75頁

在彈性限度內(nèi)，在作用力很小，作用時間很短，大部分巖石表現(xiàn)出彈性性質(zhì)，一般假設(shè)為各向同性的完全彈性體。⒌巖石的兩面性：①彈性性質(zhì)——作用力很小，作用時間很短，一般巖石表現(xiàn)出彈性性質(zhì)。⒋對巖石的假設(shè)：

②塑性性質(zhì)—作用力較大/很大，作用時間較長/很長時，巖石又表現(xiàn)出塑性性質(zhì)。第13頁/共75頁彈性模量描述了物體的彈性性質(zhì)。常用的彈性模量有五個1、楊氏模量E

楊氏模量是最簡單的沿一個方向拉伸或壓縮的情況，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比例常數(shù)E即楊氏模量。它表示物體對受力作用的阻力(或形變)的度量．堅(jiān)實(shí)物體對拉伸力的阻力愈大(或形變愈小)，則E值愈大。T=E*e2．體變模量K

在靜水壓力均勻作用在物體上時，應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)是體變模量K。如果靜水壓力為P，它使物體體積相對產(chǎn)生微小變化，則K定義為：負(fù)號表示壓力增加使體積變小。它表示物體的抗壓縮性質(zhì)第14頁/共75頁3．拉梅常數(shù)是在簡單切應(yīng)力作用下，應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)。如果切應(yīng)力用F表示，切應(yīng)變用切變角表示，則有它的物理意義是阻止切應(yīng)變的一個量度。液體沒有切應(yīng)變，等于0。如果一個立方體受向上拉伸應(yīng)力T的作用，產(chǎn)生一個向上的應(yīng)變e，而G是阻止橫向壓縮所需的一個橫向拉應(yīng)力，則按下式定義：

所以的物理意義是阻止橫向壓縮所需的拉應(yīng)力的一個量度。阻止橫向壓縮的拉應(yīng)力愈大，值也愈大。

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4．泊松比在簡單拉應(yīng)力(或壓應(yīng)力)作用下，伴隨膨脹(或壓縮)的同時，在垂直應(yīng)力的方向上也產(chǎn)生壓縮(或膨脹)，則定義橫向壓縮(或膨脹)與縱向伸長(或縮短)之比稱為泊松比。

對于直徑為d，長為L的柱件，在張應(yīng)力作用下伸長了，與此同時，直徑變短了，則

第16頁/共75頁⒈縱波（P波）：與體變相對應(yīng)的波特點(diǎn)：①質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向平行。

彈性波的基本類型與地震勘探中的波②在縱波傳播區(qū)域中，介質(zhì)中產(chǎn)生膨脹區(qū)與壓縮區(qū)，在同一地點(diǎn)，隨著時間的變化交替地成為膨脹區(qū)與壓縮區(qū)。第17頁/共75頁第18頁/共75頁壓縮區(qū)壓縮區(qū)膨脹區(qū)③P波傳播第19頁/共75頁⒉橫波（S波）：與切應(yīng)變對應(yīng)的波，波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)的振動方向相垂直。在垂直于波傳播方向的平面內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)彼此發(fā)生橫向錯動。S波傳播方向S波傳播第20頁/共75頁第21頁/共75頁

地震波傳播速度縱波速度橫波速度縱橫波速度比楊氏模量第22頁/共75頁1+()2E=sm()()211E-+=sssl第23頁/共75頁當(dāng)=0.25(巖石)，vp=1.73vS⒊面波⑴定義：在界面附近傳播的波叫面波⑵種類：a.瑞雷面波（R面波）在地表面?zhèn)鞑サ牟?，其軌跡為橢圓。zx第24頁/共75頁b.勒夫面波：在界面附近傳播的波c.斯通利波傳播xyux+uy第25頁/共75頁Rayleigh波傳播特點(diǎn)：(1)能量主要集中在離自由表面約一個波長的范圍內(nèi)；(2)振幅衰減隨傳播距離的平方根成正比，這比體波的球面擴(kuò)散要慢，所以在遠(yuǎn)離震源處，面波可能強(qiáng)于體波；(3)傳播速度比橫波速度還要慢，大約是橫波速度的0.955倍；(4)具有頻散現(xiàn)象；(5)質(zhì)點(diǎn)振動的軌跡為橢圓，所以Rayleigh

波是橢圓極化波第26頁/共75頁Love波特點(diǎn)：SH型；在蓋層的厚度方向振幅分布呈周期性—駐波；波場限于蓋層的分界面附近，在深度方向隨Z的增大而衰減。第27頁/共75頁

彈性波的傳播及其規(guī)律⒈反射界面與波阻抗與反射系數(shù)、透過系數(shù)⑴波阻抗----v×(速度與密度乘積)⑵反射系數(shù)：在P波垂直入射時第28頁/共75頁⑶透過系數(shù)：當(dāng)：①2v2－1v1>0時，反射波與入射波同相位，入、反射P波均以壓縮帶到達(dá)界面。如圖1v12v22v2>1v1入反第29頁/共75頁②2v2

－1v1<0時，反射波與入射波差半個相位，入、反射P波均以疏稀帶到達(dá)界面（半波損失）。2v2<1v11v12v2疏壓第30頁/共75頁⒉彈性波在界面上的傳播任一P波以角入射到界面，在界面產(chǎn)生反射P波、反射S波和透過P波與S波，這種現(xiàn)象稱為波的轉(zhuǎn)換。P1P1S1P11P12P1S2PSPS1vp1vs12vp2vs2第31頁/共75頁同類波——與入射波相同的波轉(zhuǎn)換波——分裂后與入射波不同的波波的轉(zhuǎn)換——當(dāng)P波入射至界面時，產(chǎn)生反射P、S波與透過P、S波的分裂現(xiàn)象第32頁/共75頁一部分反射到第一種介質(zhì)中，另一部分透過到第二種介質(zhì)中，成為反射與透射。（物理中的折射）1v12v2入射波透過波反射波⑴波的反射與透射：當(dāng)波入射至兩種介質(zhì)的分界面時，⒊波的反射與透射第33頁/共75頁①反射線位于入射面內(nèi)②反射角等于入射角，即=⑵反射定律：第34頁/共75頁彈性波在自由表面上的反射PSVPxz第35頁/共75頁彈性波在自由表面上的反射SVSVPxz第36頁/共75頁彈性波在自由表面上的反射SHSHxz第37頁/共75頁⑶透射定律：透射線位于入射面內(nèi)，入射角與透過角的正弦之比等于Ⅰ、Ⅱ介質(zhì)中的波速之比。定律公式：第38頁/共75頁P(yáng)1P11P1S1P12P1S2射線參數(shù)

地震波的反射和透射1).Snell定律第39頁/共75頁地震波的反射和透射2).Knott方程入射縱波：反射縱波：反射橫波：透射縱波：透射橫波：第40頁/共75頁地震波的反射和透射2).Knott方程在分界面滿足應(yīng)力和位移連續(xù)條件：第41頁/共75頁地震波的反射和透射2).Knott方程R：反射縱波反射系數(shù)；B：反射橫波反射系數(shù)T：透射縱波透射系數(shù)；D：透射橫波透射系數(shù)第42頁/共75頁

地震波的反射和透射3).平面波法向入射法向入射時定義為阻抗。上式表明，在法向入射時不產(chǎn)生轉(zhuǎn)換橫波。要產(chǎn)生反射波，，即波阻抗不相等的界面構(gòu)成地震反射面。第43頁/共75頁

地震波的反射和透射3).平面波法向入射法向入射時用位移表達(dá)的反射與透射系數(shù)：第44頁/共75頁

地震波的反射和透射3).平面波法向入射法向入射時當(dāng)時，R>0，即反射系數(shù)為正，當(dāng)時，R<0，即反射系數(shù)為負(fù)，表示入射波和反射波具有相同的相位表示入射波和反射波具有相反的相位第45頁/共75頁

地震波的反射和透射3).平面波法向入射法向入射時透射系數(shù)永遠(yuǎn)為正，說明入射波和透射波永遠(yuǎn)同相第46頁/共75頁

地震波的反射和透射4).平面波傾斜入射在傾斜入射時還產(chǎn)生了轉(zhuǎn)換波，能量在分界面的分配完全由Knott方程決定。反射系數(shù)和透射系數(shù)和入射角、分界面兩側(cè)速度、密度等參數(shù)有關(guān)。

第47頁/共75頁地震波的反射和透射4).平面波傾斜入射

為了了解反射系數(shù)和入射角之間的直接關(guān)系，有些學(xué)者對Knott方程做了簡化，如Shuey的小入射角(30o)近似：第48頁/共75頁

地震波的反射和透射4).平面波傾斜入射但非近似方法是通常采用作圖的方法了解他們之間的關(guān)系。一般有兩類模式圖，一類是反射系數(shù)、透射系數(shù)和入射角的關(guān)系，另一類是反射系數(shù)和密度比、速度比的關(guān)系。

第49頁/共75頁地震波在多層介質(zhì)中傳播時，當(dāng)波到達(dá)上層界面時，一部分能量反射，另一部分能量透射。設(shè)入射振幅為單位1的波，則反射振幅為的波返回地面，透射振幅為的波到達(dá)第二界面，當(dāng)振幅為的波到達(dá)第二界面時，又會產(chǎn)生反射和透射，反射波的振幅為，透射波的振幅為。如此等等，在每一個分界面上都能形成反射波和透射波。第50頁/共75頁地震波是彈性波縱波橫波面波反射波透射波折射波五個彈性模量P,SSurface_wave(SV,SH)同類波轉(zhuǎn)換波反射與透射第51頁/共75頁面波能量強(qiáng)，面波區(qū)域基本見不到有效波面波頻帶寬FK譜頻譜相位譜瑞雷第52頁/共75頁斯通利第53頁/共75頁多層介質(zhì)中的多次波與轉(zhuǎn)換波多次波多次波主要分為多次反射波、反射—折射波和折射—反射波三種基本類型。地震波在介質(zhì)中的傳播過程中，凡遇到波阻抗不同的界面，都可能發(fā)生反射。這樣，從一個界面上形成的反射波到達(dá)另一界面時，會又一次形成反射。這種在傳播過程中經(jīng)數(shù)次反射，然后到達(dá)地面的反射波，稱為多次反射波。隨著各反射界面波阻抗差異的不同，多次反射波又分為不同的類型，

第54頁/共75頁第55頁/共75頁一個界面上的反射波到達(dá)折射界面時，在入射角等于臨界角的情況下，會引起沿界面運(yùn)行的滑行波，從而也就形成了折射波。這種在波的傳播過程中，由反射而引起的折射波，叫做反射·折射波。同樣，當(dāng)一個界面上的折射波傳到另一個反射界面時，會形成反射波。我們稱這種由折射波引起的反射波為折射—反射波。

第56頁/共75頁多次波壓制前第57頁/共75頁多次波壓制后第58頁/共75頁前多次波第59頁/共75頁后第60頁/共75頁第61頁/共75頁第62頁/共75頁轉(zhuǎn)換波波在非法線入射的情況下，無論是縱波還是橫波，在介質(zhì)的分界面上不僅要改變波的傳播方向，產(chǎn)生透射和反射，而且會發(fā)生波的分裂，由一種波分裂為兩種類型