應用地球物理導論及地震波傳播理論

應用地球物理導論教材及參考書1、王秀明《應用地球物理方法原理》，石油工業(yè)出版社，2000。2、惲玲聆等，《地球物理學原理及應用》，南京大學出版社，1987。3、傅承義等《地球物理學基礎》，科學出版社，1985。4、史謌《地球物理學基礎》，北京大學出版社，2002。5、劉光鼎《地球物理引論》，上?？茖W技術出版社，2005。課程的性質(zhì)和任務《應用地球物理導論》是地質(zhì)工程專業(yè)的選修課。通過該課程的學習，使學生掌握地球物理學的基本原理，懂得地球物理學在勘探石油、礦產(chǎn)、水資源等自然資源以及其它學科應用中一般的技術和方法。本課程在教學中，主要講述地球物理學各個學科分支的基本原理及其應用，著重介紹地震學理論及地震勘探技術。本課程理論性和實踐性都比較強，學生在學習本課程時，要求具有一定的數(shù)理知識，以及基礎地質(zhì)學方面的先行基礎知識。課程的要求

要求學生了解和掌握有關地震學、震源物理、重力學、地磁學、地電學和地熱學等方面的概念和基本原理，以及作為探測手段，各種地球物理方法的工作原理、方法技術和實際應用。課程的基本內(nèi)容1、地震波傳播理論：彈性理論簡介；地震波的形成，性質(zhì)和類型；地震波的反射和透射；震相。2、地球內(nèi)部構造：地殼、地幔和地核；地球內(nèi)部的物質(zhì)組成；地球的非彈性；寬頻帶數(shù)字地震觀測與地球動力學。3、地震位錯和震源物理：地震斷層和震源機制；大地震破裂過程；地震前兆和地震預測；震源物理理論。4、地震勘探：地震勘探的基本方法；地震探測的野外工作方法；人工地震探測深部地殼和上地幔。課程的基本內(nèi)容（續(xù)）5、重力學：地球的重力場；地殼均衡；重力測量和重力儀；重力改正和重力異常；重力資料在地殼構造研究中的應用。6、地磁學和古地磁學：地磁場的基本概念；磁法勘探；古地磁學的基本原理和工作方法；古地磁的應用。7、地電學：大地電場；大地電磁測深的原理和應用。8、地熱學：熱傳遞的物理基礎；大地熱流密度；巖石圈的熱-流變結構。學習重點地震學理論及其應用考核方式期末遞交總結報告第一章地震波傳播理論第一節(jié)彈性理論簡介第一章地震波傳播理論應力與應變1、應力分析有關應力的幾個概念體積力——作用于物體內(nèi)每一點上，如重力、熱應力。面力——僅僅作用在物體的表面上，如兩個運動表面之間的摩擦力。第一節(jié)彈性理論簡介第一章地震波傳播理論正應力——垂直于物體內(nèi)某個給定平面并作用于此平面上的力。切應力——平行于物體內(nèi)某個給定平面并作用于此平面上的力。有關應力的幾個概念（續(xù)）拉為正壓為負應力分量的正負號約定

正應力

使微元或其局部順時針方向轉動為正；反之為負。切應力

過一點不同方向面上應力的集合，稱之為這一點的應力狀態(tài)。應力指明應力狀態(tài)

哪一個面上？

哪一點？

哪一點？

哪個方向面？應力張量物體中的應力狀態(tài)是用應力張量來表示的。i=x,y,z

j=x,y,z應力張量

yxzxy平面應力狀態(tài)xyxy單向應力狀態(tài)純剪應力狀態(tài)應變分析應變張量i=x,y,z

j=x,y,z11應力－應變關系

1＋

xyx1－

x

－泊松比yzx應力－應變關系

應力－應變關系

廣義胡克定理

彈性理論的基本方程彈性力學的基本方程平衡方程幾何關系形變連續(xù)方程物理方程（本構關系）彈性理論的基本方程平衡方程張量的形式Xi——體積力彈性理論的基本方程幾何關系彈性理論的基本方程形變連續(xù)方程彈性理論的基本方程形變連續(xù)方程彈性理論的基本方程物理方程（本構關系）第一章地震波傳播理論第二節(jié)地震波的形成和類型

中國地震學家張衡地震學家古登堡——核幔邊界的發(fā)現(xiàn)者地震學家莫霍洛維奇——Mohorovicic地殼與地幔邊界（莫霍面）的發(fā)現(xiàn)者地震學家杰菲里斯——Jeffreys杰出地震學家、地球動力學家地震學家里克特——里氏震級的發(fā)明者地震波是地震發(fā)生時由震源向四周傳播的彈性波。地震發(fā)生時，震源區(qū)的介質(zhì)發(fā)生急速的破裂和運動，形成波源。地震波到達地面時，將引起地面振動，造成破壞。地震波是彈性波。第二節(jié)地震波的形成和類型

第二節(jié)地震波的形成和類型爆炸對巖石介質(zhì)的影響地震斷層正斷層逆斷層走滑斷層

壓縮力張性力洋中脊（擴張邊界）海溝（俯沖邊界）轉換斷層地震波的波長和振幅地震波的動力學特征波前、波后和波面波面——具有相同相位振動的面地震波的動力學特征根據(jù)波面，可分為球面波、柱面波、平面波等。地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波。地震縱波（P波）

類似于空氣中傳播的聲波縱波（P波）速度

地殼內(nèi)6km/s（彈性地球介質(zhì)）

地幔內(nèi)

8km/s

地核內(nèi)11km/s大地震發(fā)生時，震中附近的人們首先會感覺到一個強烈的上下顛簸形式的震動，這就是地震P波的作用。地震橫波

（S波）橫波（S波）速度

地殼內(nèi)

4km/s地幔內(nèi)

4.5km/s（彈性地球介質(zhì)）

外核

0 內(nèi)核

3.5km/s

地震面波大地震發(fā)生之后，如果其震源很淺，在地震S波之后，會有一個速度略小于S波，大約為S波速度0.9倍的面波緊隨其后，沿著地表傳播，由于面波的衰減比體波要小，所以能夠傳播得更遠，時間持續(xù)得更長，地震面波的傳播特征，某種程度上可以類比于海面上的波浪傳播，既有上下震動，又有水平搖晃。瑞雷波勒夫波3分量地震儀示意圖振動曲線和波形曲線振動曲線——波在傳播過程中，質(zhì)點只是繞著平衡位置振動，某個質(zhì)點的振動位移對時間的函數(shù)u=u1(t)就是振動曲線振動曲線和波形曲線波形曲線——各個質(zhì)點在某一時刻的振動位移。寬頻帶三分量地震儀

全球地震臺網(wǎng)分布目前，全球已經(jīng)建立了覆蓋比較良好的地震觀測網(wǎng)絡，可以實時監(jiān)測確定地球任何角落發(fā)生的地震。地震圖垂直分量垂直分量南北分量東西分量南北分量東西分量臺站KTJ臺站AMJ惠更斯原理克里斯蒂安·惠更斯(ChristianHaygen，1629—1695)荷蘭物理學家、數(shù)學家、天文學家。1629年出生于海牙?；莞箤αW的發(fā)展和光學的研究都有杰出的貢獻，在數(shù)學和天文學方面也有卓越的成就，是近代自然科學的一位重要開拓者?；莞乖?.介質(zhì)中波動傳播到的各點，都可看成發(fā)射球面子波的子波源（點波源）。2.以后的任意時刻這些子波的包絡面就是新的波前。平面波t+

t時刻波面u

t波傳播方向t時刻波面球面波t+

t復習：波動中的幾個概念1.波線由波源發(fā)出的，指向波的傳播方向的射線為波線。2.波面振動相位相同的各點組成的曲面。3.波前某一時刻波動所達到最前方的各點所連成的曲面。波線平面波球面波波前波面波線波面波前波的反射與折射

當波傳播到兩種介質(zhì)的分界面時，一部分反射形成反射波，另一部分進入介質(zhì)形成折射波。①.入射線、反射線和界面的法線在同一平面上；1、反射定律①.入射線、反射線和界面的法線在同一平面上；波的反射與折射②.反射角等于入射角。2、折射定律①.入射線、折射線和界面的法線在同一平面上；②.--斯涅耳定律②.若u1>u2

時，i>r，波從波疏媒質(zhì)進入波密媒質(zhì)，折射線靠近法線。若u1<u2

時，i<r，波從波密媒質(zhì)進入波疏媒質(zhì)，折射線偏離法線。③.波進入介質(zhì)后頻率不變，而波長和波速發(fā)生改變。①.u1/u2（或n21)為第二種介質(zhì)相對第一種介質(zhì)的折射率。3、注意幾點地震概念：震源、震中與震中距等震中震源深度震源地球表面

震源：指地球內(nèi)部發(fā)生地震的地方（實際上為一區(qū)域）；

震源深度：將震源視為一點，此點到地面的垂直距離，稱為震源深度；

震中：震源在地面上的投影點（區(qū)域），稱為震中區(qū)；

極震區(qū)：地面上受破壞最嚴重的地區(qū)，稱為宏觀震中；

震中距：從震中到地面上任何一點，沿地球表面所量得的距離。（來源:中國地震信息網(wǎng)）基本概念：地震震級與地震烈度等地震震級：根據(jù)地震儀測得的地震波振幅，來表示地震釋放能量大小的一種量度。有兩種標度形式：體波震級（里氏震級）和面波震級；地震烈度：地震烈度是指地面及房屋等建筑物受地震破壞的程度。對同一個地震，不同的地區(qū)，烈度大小是不一樣的。距離震源近，破壞就大，烈度就高；距離震源遠，破壞就小，烈度就低。

小于三度：人無感受，只有儀器能記錄到；三度：夜深人靜時人有感受；四-五度：睡覺的人驚醒，吊燈擺動；六度：器皿傾倒、房屋輕微損壞；六-七度：房屋破壞，地面裂縫；九-十度：房倒屋塌，地面破壞嚴重；十-十二度：毀滅性的破壞地震時地面受到的影響或破壞程度；震中烈度：震中區(qū)的烈度；等震線：地面上相同烈度點的連接線。

（來源:中國地震信息網(wǎng)）

震相在地震圖上顯示的性質(zhì)不同或傳播路徑不同的地震波組叫震相。各種震相在到時、波形、振幅、周期和質(zhì)點運動方式等方面都各有它們自己的特征。震相特征取決于震源、傳播介質(zhì)和接收儀器的特性。由于這些波組都有一定的持續(xù)時間，所以不同震相的波形互相重疊，產(chǎn)生干涉，使地震圖呈現(xiàn)出一幅復雜圖形，以致在一般情況下，只能識別震相的起始。地震學的任務之一就是分析、解釋各種震相的起因和物理意義，并利用各種震相特征測定地震的基本參數(shù)，研究震源的力學性質(zhì)和探討地球內(nèi)部構造等。里氏（Richter）震級的確定ML=logA+2.76logΔ-2.48目前，由于地震觀測技術的發(fā)展，觀測儀器的不同，所用確定震級的公式形式上與上述公式相近，但系數(shù)P、Q、R依地震記錄儀器的不同而不同：ML=PlogA+QlogΔ+R

這里：A為儀器記錄地震P（或S）波的最大振幅，Δ為臺站震中距

地震震源的確定：簡單來講，利用地震臺站觀測到的地震P波與S波的時間差，乘以地震波表面視速度V（一般為8公里每秒），即可確定地震臺站與地震源間的距離，同時利用多個（最少三個）臺站的數(shù)據(jù)，我們即可以確定震源的具體位置。震相P震相和S震相分別代表來自震源的兩種體波。在P震相中，質(zhì)點沿著波的傳播方向運動。在震中距為105°的范圍以內(nèi)，P震相是地震圖上的初至震相。其后是S震相，它的振幅、周期都比P震相大，質(zhì)點運動垂直于傳播方向。S波可分為SV和SH兩種成分。SV的質(zhì)點振動限定在豎直的入射面內(nèi)，而SH的質(zhì)點振動則在水平方向。對于淺源近地震，從震源經(jīng)過地殼上層(花崗巖層)傳播到地表的直達波，用Pg和Sg表示。在地殼上下層分界面（康拉德界面C）上傳播的首波用P*和S*表示。莫霍界面M上的首波用Pn、Sn表示，該面上的反射波用P11、S11表示。當震源位于花崗巖中時，在一定距離內(nèi)可以觀測到Pg、Sg、Pn、Sn、P*、S*、P11、S11等震相。

震相體波傳至地球表面可發(fā)生一次或多次反射。在反射時如不改變其波的性質(zhì),則反射后的震相分別用PP、PPP、SS、SSS等表示。反射后，波的性質(zhì)也可以發(fā)生轉換，如SP、PPS等,SP震相表示入射到地表面時為S波，經(jīng)過反射后轉換為P波。在地核-地幔界面上反射的波用PcP、ScS、PcS、ScP等表示。這類震相可以在近震的地震圖上出現(xiàn)，在震中距為30°～40°時甚為顯著。它們是研究地核界面的重要震相。震相地核震相穿過地核又回到地面的體波稱為地核穿透波，相應的震相稱為核震相。外核只能傳播縱波,以K表示在外核中傳播的那部分縱波。PKP、SKS、PKS、SKP分別表示4種不同的地核穿透波。當?shù)睾舜┩覆ㄔ诘睾私缑鎯?nèi)反射時用KK表示，于是有SKKS、SKKP。SKPPKP表示S