地震勘探的理論基礎(chǔ)

地震勘探原理第一章地震勘探的理論基礎(chǔ)第二章地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)第三章地震波動(dòng)力學(xué)第四章地震勘探的野外采集第五章共反射點(diǎn)多次疊加法第六章反射波地震資料的數(shù)字處理第七章反射波地震資料的解釋第八章地震勘探的應(yīng)用第一章地震勘探的理論基礎(chǔ)一、地震波的基本概念二、地震介質(zhì)模型三、地震波的傳播規(guī)律一、地震波的基本概念彈性形變：物體在外力作用下發(fā)生形變，當(dāng)外力撤銷以后，物體能夠恢復(fù)原狀，這種物體稱為完全彈性體，它所產(chǎn)生的形變稱為彈性形變。彈性:物體能夠產(chǎn)生彈性形變的性質(zhì)叫做彈性。1.巖石的彈性和塑性實(shí)際上，自然界中所有的物體均具有彈性和塑性性質(zhì)。物體主要表現(xiàn)出彈性還是塑性，這取決于物體自身物理性質(zhì)、作用力的大小和特點(diǎn)、作用時(shí)間、外界環(huán)境因素（溫度、壓力）等。塑性形變：物體在外力作用下發(fā)生形變，當(dāng)外力撤銷以后，依然保持已有的形變，這種物體稱為塑性體，它所產(chǎn)生的形變稱為塑性形變。塑性:物體能夠產(chǎn)生塑性形變的性質(zhì)叫做塑性。以炸藥震源為例，當(dāng)?shù)叵聨r石為均勻介質(zhì)時(shí)，炸藥在巖層中爆炸后，一般會(huì)形成三個(gè)區(qū)域：破碎帶(破壞圈)：在炸藥震源附近，巖石受到高溫高壓氣體壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)巖石本身的抗壓強(qiáng)度而發(fā)生破碎，形成一個(gè)空洞的破壞圈。1.地震波的形成塑性帶(塑性形變區(qū))：隨著離開震源距離的增大，巖石受到的沖擊壓力逐漸減小，當(dāng)沖擊壓力小于巖石本身的抗壓強(qiáng)度，巖石不再受破壞，但沖擊壓力超過(guò)了巖石的彈性限度，巖石發(fā)生塑性形變，形成以震源為中心向四周擴(kuò)張的輻射狀裂隙，該區(qū)域稱為塑性帶。彈性帶(彈性形變區(qū))：沖擊能力隨著傳播距離的增大進(jìn)一步減小，在遠(yuǎn)離震源的區(qū)域，巖石受到的沖擊壓力在巖石的彈性限度以內(nèi)，作用時(shí)間也很短，巖石發(fā)生彈性形變，該區(qū)域稱為彈性帶。因此，地震波是一種在巖層中傳播的彈性波。地震波的傳播實(shí)質(zhì)是巖層中彈性形變的傳遞。按照地震傳播空間劃分為體波和面波。體波(BodyWave)：在整個(gè)介質(zhì)的立體空間內(nèi)傳播的波。縱波(PrimaryWave)：簡(jiǎn)稱P波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致。縱波傳播速度快，能量高，可在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)介質(zhì)中傳播。橫波(SheerWave)：簡(jiǎn)稱S波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。橫波傳播速度較慢，能量較低，但破壞性大，在流體中無(wú)法傳播。2.地震波的基本類型面波(SurfaceWave)：在介質(zhì)分界面附近內(nèi)傳播的波。瑞利波(RayleighWave)：又稱地滾波，僅存在在自由表面(地面)附近，并沿地面?zhèn)鞑ァＦ滟|(zhì)點(diǎn)在平行于波傳播方向的垂直面內(nèi)振動(dòng)，振動(dòng)軌跡為一個(gè)逆進(jìn)的橢圓。具有低頻低速、穿透能力弱的特點(diǎn)。拉夫波(LoveWave)：僅當(dāng)上層介質(zhì)中橫波速度小于下層介質(zhì)的橫波速度時(shí)，在兩層介質(zhì)分界面附近存在，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向垂直。瑞利面波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡波傳播方向波傳播方向瑞利面波的波剖面拉夫面波地震波傳播的動(dòng)態(tài)特征可以從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面反映。

動(dòng)力學(xué)研究地震波傳播中振幅、頻率、相位的變化規(guī)律，了解地震波對(duì)地下地質(zhì)體巖性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

運(yùn)動(dòng)學(xué)研究地震波傳播的時(shí)間與空間的關(guān)系，了解地震波對(duì)地下地質(zhì)體的構(gòu)造響應(yīng)。3.地震波的描述（1）振動(dòng)圖（波形圖）：描述相同質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的位移變化。對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其描述參數(shù)有：周期(T):質(zhì)點(diǎn)完成一次振動(dòng)所需的時(shí)間，單位為毫秒。振幅(A):質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)離開平衡位置的最大位移，單位為微米。頻率(f):質(zhì)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲。圓頻率():單位時(shí)間內(nèi)變化的弧度。波的初至():質(zhì)點(diǎn)剛剛開始振動(dòng)的時(shí)刻，單位為毫秒。初始相位():初始時(shí)刻的相位。簡(jiǎn)諧波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)圖TAtu實(shí)際的地震波是只有短暫延續(xù)時(shí)間的脈沖波，在t1時(shí)刻，波傳播到考查點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)開始振動(dòng)，在t2時(shí)刻，波完全經(jīng)過(guò)考查點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)停止。這種情況下，描述振動(dòng)的參數(shù)為：振幅：振動(dòng)函數(shù)的極值；視周期：相鄰極值之間的時(shí)間間隔；視頻率（主頻）：視周期的倒數(shù)；相位：振動(dòng)極值，或者是偏離零值的半個(gè)周期；延續(xù)時(shí)間：振動(dòng)起止時(shí)間間隔Δt=t2-t1。脈沖波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)圖不同位置點(diǎn)的振動(dòng)圖形是相同/似的，離震源點(diǎn)越遠(yuǎn)，時(shí)間越滯后。（2）剖面圖（波剖圖）：描述不同質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻的位移變化。對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其描述參數(shù)有：波峰:剖面圖中最大的正向位移。波谷:剖面圖中最大的負(fù)向位移。波長(zhǎng)():波在一個(gè)周期中傳播的距離。波數(shù)():單位距離內(nèi)包含的波長(zhǎng)數(shù)目。波速():單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離。簡(jiǎn)諧波的波剖面xu實(shí)際的地震波是只有短暫延續(xù)時(shí)間的脈沖波，波還沒有傳播到的區(qū)域是靜止的，波已經(jīng)傳播過(guò)去的區(qū)域也是靜止的，因此，波剖面的長(zhǎng)度也是有限的。沿著波傳播的方向，最前端是剛開始振動(dòng)的點(diǎn)（可以理解為波前點(diǎn)），最后端是剛結(jié)束振動(dòng)的點(diǎn)（可以理解為波尾點(diǎn)），中間是正在振動(dòng)的點(diǎn)。描述脈沖波的參數(shù)有：波峰：波函數(shù)正極值點(diǎn)；波谷：波函數(shù)負(fù)極值點(diǎn)；視波長(zhǎng)：相鄰波峰（谷）之間的距離；視波數(shù)：視波長(zhǎng)的倒數(shù)。脈沖波的波剖面?zhèn)鞑シ较蛏希煌瑫r(shí)刻的波剖面相同/似，時(shí)間越滯后，離震源點(diǎn)越遠(yuǎn)。（3）頻譜圖：描述質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)振幅、相位與頻率的關(guān)系。振幅譜:振幅與頻率的關(guān)系。相位譜:相位與頻率的關(guān)系。主頻：能量最強(qiáng)的振動(dòng)分量的頻率。頻帶寬度：主頻幅值的所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。（4）波前、波尾與射線波前：空間中剛剛開始振動(dòng)的點(diǎn)連成的曲面。波尾：空間中剛剛停止振動(dòng)的點(diǎn)連成的曲面。振動(dòng)帶：在波前與波尾之間的質(zhì)點(diǎn)，正處在不同強(qiáng)度的振動(dòng)狀態(tài)，該區(qū)間稱為振動(dòng)帶。等相位面：在振動(dòng)帶內(nèi)，振動(dòng)相位相同的各點(diǎn)構(gòu)成的曲面。射線：波從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)的路徑。波前和波尾是隨時(shí)間不斷推進(jìn)的；波前和波尾，是兩個(gè)特殊的等相位面；等相位面與射線永遠(yuǎn)相互垂直。根據(jù)等相位面形態(tài)，可以將波分為：球面波柱面波平面波第一章地震勘探的理論基礎(chǔ)一、地震波的基本概念二、地震介質(zhì)模型三、地震波的傳播規(guī)律假設(shè)地震波在地層中傳播速度都相同，地震波傳播速度與深度的關(guān)系為一條平行于深度軸的直線。這種地震介質(zhì)稱為均勻介質(zhì)。在均勻介質(zhì)中地震波的速度稱為均一速度。1.均勻介質(zhì)模型假設(shè)地層成層分布，地震波在每一層中的傳播速度都是相同，各層之間的速度不相同，這種地層介質(zhì)稱為層狀介質(zhì)。層狀介質(zhì)中的地震波速度又稱為層速度。2.層狀介質(zhì)模型當(dāng)層狀介質(zhì)的層數(shù)無(wú)限增加，每層厚度無(wú)限減小，層狀介質(zhì)可視為連續(xù)介質(zhì)。這種地層中地震波的傳播速度隨深度的增加而連續(xù)變化。線性連續(xù)介質(zhì)：冪函數(shù)連續(xù)介質(zhì)：3.連續(xù)介質(zhì)模型第一章地震勘探的理論基礎(chǔ)一、地震波的基本概念二、地震介質(zhì)模型三、地震波的傳播規(guī)律（1）惠更斯原理（Huygens）

又稱為波前原理。已知t時(shí)刻的波前，波前面上每一點(diǎn)（面元）都可以看作是新的子波源，各自發(fā)出子波。各子波分別以介質(zhì)的波速v向各方傳播，形成各自的波前，經(jīng)Δt時(shí)間，它們的包絡(luò)面便是t+Δt時(shí)刻的波前。

根據(jù)該原理，只要知道某一時(shí)刻的波前面位置，通過(guò)幾何作圖方法就能求出地震波在任意時(shí)刻的波前位置。1.地震波傳播的基本原理C.Huygens,(1629-1695),荷蘭物理學(xué)家t時(shí)刻的波前面子波波源時(shí)刻的波前面平面波球面波子波波源t時(shí)刻的波面時(shí)刻的波面（2）惠更斯-菲涅爾原理（Huygens-Fresnel）

惠更斯原理只給出了波傳播時(shí)的幾何空間位置和形態(tài)，沒有給出波的振幅。1814-1815年菲涅爾以波的干涉原理，彌補(bǔ)了惠更斯原理的缺陷，將其發(fā)展成為惠更斯-菲涅爾原理。它的內(nèi)容是：

波動(dòng)在傳播時(shí)，任意觀測(cè)點(diǎn)P處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，相當(dāng)于上一時(shí)刻波前面Q上全部新震源產(chǎn)生的所有子波前相互干涉形成的的合成波。

該原理證明了子波在前面任意新波前處發(fā)生相長(zhǎng)干涉，而在后面任意點(diǎn)處發(fā)生相消干涉，振幅為0。1.地震波傳播的基本原理菲涅爾（Augustin-JeanFresnel，1788-1827）：法國(guó)物理學(xué)家和鐵路工程師，生于法國(guó)布羅利耶，1923年當(dāng)選為法國(guó)科學(xué)院院士，1825年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。菲涅耳由于在物理光學(xué)研究中的重大成就，被譽(yù)為“物理光學(xué)的締造者”。（3）費(fèi)馬原理（Fermat）

波總是沿運(yùn)行時(shí)間最短的路徑傳播。該原理又稱為最小時(shí)間原理、射線原理。

根據(jù)費(fèi)馬原理，可以確定地震波在已知傳播速度的介質(zhì)中的射線形狀。

例如在均勻介質(zhì)中，可知射線形狀為直線，因?yàn)椴ǖ膫鞑ニ俣仍诟魈幎家粯?，其走時(shí)正比于它所經(jīng)過(guò)的路徑，兩點(diǎn)間的最短距離為直線，所以波沿直線傳播比沿其他任何曲線傳播時(shí)間更短。1.地震波傳播的基本原理費(fèi)瑪（Fermat，1601-1665）：法國(guó)的數(shù)學(xué)家，生于法國(guó)南部波蒙鎮(zhèn)，以律師為職業(yè)，長(zhǎng)期任圖盧茲議會(huì)議員。喜歡博覽群書，精通數(shù)國(guó)語(yǔ)言與文學(xué)，愛好自然科學(xué)，特別是數(shù)學(xué)，著有《平面及空間位置理論導(dǎo)言》《求最大和最小值的方法》等。在物理學(xué)上，費(fèi)馬在研究了光的反射現(xiàn)象與折射現(xiàn)象后，提出了費(fèi)馬原理。（1）反射定律

地震波入射到兩種介質(zhì)的分界面上時(shí)，一部分能量被反射回去，形成反射波。

反射定律：反射線、入射線、法線位于同一平面內(nèi)；反射線、入射線分居法線兩側(cè)；反射角等于入射角。2.地震波在分界面上的傳播規(guī)律設(shè)入射波振幅為，反射波振幅為，則反射波振幅與入射波振幅之比，稱為反射系數(shù)，記作。產(chǎn)生反射波的必要條件：上下介質(zhì)波阻抗不相等?；蛘哒f(shuō)，反射界面為波阻抗界面、反射系數(shù)不為0。一般情況下，反射系數(shù)R的取值范圍為。反射波的強(qiáng)度，取決于反射系數(shù)的大小。反射波極性的變化，取決于反射系數(shù)的正負(fù)。當(dāng)波垂直入射到界面上，不考慮波形轉(zhuǎn)換等能量損失，反射系數(shù)可表示為：稱為波阻抗。（2）透射定律

地震波入射到兩種介質(zhì)的分界面上時(shí)，一部分能量被反射回去，形成反射波，另一部分進(jìn)入下層介質(zhì)中，形成透射波。

透射定律：透射線、入射線、法線位于同一平面內(nèi)；透射線、入射線分居法線兩側(cè)；入射角的正弦與透射角的正弦之比等于入射波速度與透射波速度之比，即設(shè)入射波振幅為，反射波振幅為，透射波振幅為，則透射波振幅與入射波振幅之比，稱為透射系數(shù)，記作。產(chǎn)生透射波的必要條件：上下介質(zhì)速度不相等。或者說(shuō)，透射界面為速度界面、透射系數(shù)不為0。一般情況下，透射系數(shù)T的取值范圍為。透射波的強(qiáng)度，取決于透射系數(shù)的大小。透射波極性，總是與射波波極性一致。當(dāng)波垂直入射到界面上，不考慮波形轉(zhuǎn)換等能量損失，根據(jù)能量守恒定律，入射波總振幅等于反射波振幅與透射波振幅之和。因此，透射系數(shù)可表示為：（3）斯奈爾定律(Snell)

地震波入射到介質(zhì)的分界面上時(shí)，不僅產(chǎn)生反射縱波和透射縱波，還會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，形成反射橫波和透射橫波，這些波的傳播遵循斯奈爾定律，即由斯奈爾定律可知，只要入射縱波的入射角一定，反射縱波、反射波橫波、透射縱波、透射橫波的路徑就被唯一確定下來(lái)，

也就為一個(gè)固定值，稱為射線參數(shù)。（4）折射波

據(jù)透射定律，當(dāng)時(shí)，透射角大于入射角。當(dāng)入射角增大，透射角也隨之增大。若入射角增大到某一角度時(shí)，透射角達(dá)到90°，此時(shí)透射波就以速度沿界面滑行，稱為滑行波?；胁ㄔ谠诮橘|(zhì)1中產(chǎn)生擾動(dòng)，從而在上層介質(zhì)中形成一種新的地震波，稱為折射波。此時(shí)的入射角稱為臨界角，點(diǎn)為臨界點(diǎn)。折射波產(chǎn)生的必要條件：下伏介質(zhì)波速要大于上覆所有介質(zhì)的波速；入射角達(dá)到臨界角。折射波的特點(diǎn)：折射波的波前是界面上各點(diǎn)震源向上面介質(zhì)中發(fā)出的半圓形子波的包絡(luò)，它與界面的夾角為臨界角；折射波的射線是垂直于波前面的一族平行直線，并與界面法線的夾角為臨界角；折射波存在盲區(qū)（MM’），必須在盲區(qū)以外才能觀測(cè)到折射波，且盲區(qū)的大小為：波的全反射：當(dāng)?shù)卣鸩ǖ娜肷浣谴笥谂R界角時(shí)，入射波的全部能量轉(zhuǎn)換成反射波，即在臨界點(diǎn)以外的分界面上沒有透射波產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫做波的全反射。地層屏蔽現(xiàn)象：當(dāng)反射界面下伏地層速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上覆地層速度時(shí)，這時(shí)臨界角就很小，臨界點(diǎn)緊緊靠近震源點(diǎn)下放，能夠產(chǎn)生透射波