地震勘探原理-第2章地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)1課件

地震勘探原理主講人：陳雙全*2地震勘探原理第1章緒論第2章地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)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)*3第2章地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論幾何地震學(xué):研究地震波波前的空間位置與其傳播時(shí)間的關(guān)系。引用波前、射線等幾何圖形來(lái)描述波的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和規(guī)律。主要內(nèi)容:首先介紹基本概念和地震波在傳播過(guò)程中所遵循的幾個(gè)原理；其次分析在介質(zhì)分界面上產(chǎn)生的反射波、折射波、透射波的條件及這些波的特點(diǎn)；最后討論地震波在層狀介質(zhì)、連續(xù)介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)。*4第2章地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論2.1幾何地震學(xué)基本概念2.2常速單界面的反射波特征及數(shù)學(xué)表達(dá)式2.3變速多界面的反射波特征及數(shù)學(xué)表達(dá)式2.4地震折射波運(yùn)動(dòng)學(xué)*5第2章地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論2.1幾何地震學(xué)基本概念2.2常速單界面的反射波特征及數(shù)學(xué)表達(dá)式2.3變速多界面的反射波特征及數(shù)學(xué)表達(dá)式2.4地震折射波運(yùn)動(dòng)學(xué)*62.1幾何地震學(xué)基本概念2.1.1地震波的基本概念2.1.2地震波的傳播規(guī)律2.1.3地震波的類型*72.1.1地震波的基本概念2.1.1.1地震波2.1.1.2波前、波后和波面2.1.1.3射線2.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面2.1.1.5地震子波2.1.1.6描述波動(dòng)的特征量*82.1.1.1地震波1、什么是波？2、什么是彈性波？3、什么是地震波？地震波是在巖層中傳播的彈性波*91、什么是波波(wave)就是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播形成條件：彈性介質(zhì)、激發(fā)振動(dòng)。*101、什么是波*111、什么是波*121、什么是波*131、什么是波*142.1.1.1地震波1、什么是波？2、什么是彈性波？3、什么是地震波？*152、什么是彈性波*162、什么是彈性波*172、什么是彈性波在消除外力作用后立即恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)的介質(zhì)，在地震勘探中這種傳播地震波的巖層稱為彈性介質(zhì)。振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程稱為“彈性波”*182.1.1.1地震波1、什么是波？2、什么是彈性波？3、什么是地震波？*193、什么是地震波？*203、什么是地震波？*213、什么是地震波？*222.1.1地震波的基本概念2.1.1.1地震波2.1.1.2波前、波后和波面2.1.1.3射線2.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面2.1.1.5地震子波2.1.1.6描述波動(dòng)的特征量*232.1.1.2波前、波后和波面1、波動(dòng)與振動(dòng)振動(dòng)是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，波動(dòng)是振動(dòng)的傳播，即介質(zhì)整體的運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)傳播的速度為波速，與質(zhì)點(diǎn)本身運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)。波速有限是波動(dòng)的必要條件。波動(dòng)伴隨能量傳播。*241、波動(dòng)與振動(dòng)*252、波前、波后和波面波前：某一時(shí)刻介質(zhì)中各點(diǎn)剛好開始振動(dòng)，這一曲面叫波前，也叫波陣面。波后：某一時(shí)刻介質(zhì)中各點(diǎn)的振動(dòng)剛好停止，這一曲面叫波后，也叫波尾。波面：把某一時(shí)刻介質(zhì)中所有相同狀態(tài)的點(diǎn)連成曲面,這個(gè)曲面就叫做這個(gè)時(shí)刻的波面，也叫等相面。波面是波前的“遺跡”，按波面的形狀，可以對(duì)波進(jìn)行分類。球面波、柱面波、平面波。不指明哪一個(gè)時(shí)刻來(lái)討論波前和波后是沒(méi)有意義的。*262.1.1地震波的基本概念2.1.1.1地震波2.1.1.2波前、波后和波面2.1.1.3射線2.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面2.1.1.5地震子波2.1.1.6描述波動(dòng)的特征量*272.1.1.3射線波線：在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，認(rèn)為波及其能量沿著某一條路線傳播，這條路線稱為波線，或射線。射線是一條假想的“線”，射線垂直于波前。*282.1.1地震波的基本概念2.1.1.1地震波2.1.1.2波前、波后和波面2.1.1.3射線2.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面2.1.1.5地震子波2.1.1.6描述波動(dòng)的特征量*292.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面波的完整描述振動(dòng)曲線:表示質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的曲線。振動(dòng)圖:檢波器所在點(diǎn)的振動(dòng)曲線。波形曲線:同一時(shí)刻各點(diǎn)的位移繪制在一個(gè)圖上得到的曲線。波剖面:沿測(cè)線的波形曲線。*302.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面*312.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面*322.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面多個(gè)振動(dòng)圖組成一張野外共炮點(diǎn)地震記錄*332.1.1地震波的基本概念2.1.1.1地震波2.1.1.2波前、波后和波面2.1.1.3射線2.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面2.1.1.5地震子波2.1.1.6描述波動(dòng)的特征量*342.1.1.5地震子波地震子波（wavelet）：當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ヒ欢ň嚯x后，其形狀逐漸穩(wěn)定，具有2-3個(gè)相位，有一定的延續(xù)時(shí)間的地震波，稱為地震子波，它是地震記錄的基本元素。*352.1.1.5地震子波地震子波在繼續(xù)傳播的過(guò)程中，嚴(yán)格來(lái)講其幅度和形狀都會(huì)發(fā)生變化，近似可以認(rèn)為地震子波的形狀基本不變，但其振幅有大有小、極性有正有負(fù)，到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間有先有后。*362.1.1.5地震子波地震勘探的實(shí)質(zhì)利用地震子波從地下地層界面（或巖性界面）反射回地面時(shí)帶回的雙程旅行時(shí)信息（運(yùn)動(dòng)學(xué)）和幅度、形狀（動(dòng)力學(xué)）等變化的信息來(lái)研究界面的埋深及界面上下巖性變化的。*372.1.1.5地震子波雷克(Ricker)子波*382.1.1地震波的基本概念2.1.1.1地震波2.1.1.2波前、波后和波面2.1.1.3射線2.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面2.1.1.5地震子波2.1.1.6描述波動(dòng)的特征量*392.1.1.6描述波動(dòng)的特征量波隨時(shí)間的變化，一種最簡(jiǎn)單的形式是簡(jiǎn)諧波(正弦波)，用正弦的形式表示：

U(t)=Asin(ωt+φ)A-振幅，ω=2πf為圓頻率，φ-初相位。簡(jiǎn)諧波為單頻波，是一種理想的振動(dòng)，但在理論分析上有十分重要的意義。大多數(shù)形式較復(fù)雜的波，可以用簡(jiǎn)諧波的疊加來(lái)表示，方法是付氏(頻譜)分析。*402.1.1.6描述波動(dòng)的特征量周期T頻率f：f=1/T波長(zhǎng)：在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)正弦波沿著波線前進(jìn)的距離。波速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)正弦波沿著波線前進(jìn)的距離*41當(dāng)涉及的波速和波長(zhǎng)時(shí)，我們是沿著波的傳播方向來(lái)考慮問(wèn)題。速度和波長(zhǎng)是沿著波的傳播方向來(lái)考慮問(wèn)題的。若沿著其他方向，則討論的是視速度和視波長(zhǎng)。視速度和視波長(zhǎng)*42視速度和視波長(zhǎng)*43視速度和視波長(zhǎng)*44視速度和視波長(zhǎng)*452.1.1地震波的基本概念2.1.1.1地震波2.1.1.2波前、波后和波面2.1.1.3射線2.1.1.4振動(dòng)圖與波剖面2.1.1.5地震子波2.1.1.6描述波動(dòng)的特征量*462.1幾何地震學(xué)基本概念2.1.1地震波的基本概念2.1.2地震波的傳播規(guī)律2.1.3地震波的類型*472.1.2地震波的傳播規(guī)律2.1.2.0反射和透射2.1.2.1反射定律2.1.2.2透射定律2.1.2.3施奈爾(Snell)定律2.1.2.4費(fèi)馬(Fermat)原理2.1.2.5惠更斯(Huygens)原理*481、反射和透射概念：當(dāng)下行的地震波到達(dá)兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，其中的一部分又回到了上層介質(zhì)中，這種波稱為反射波；另一部分穿過(guò)界面到達(dá)下伏介質(zhì)中的地震波稱為透射波。波阻抗：地震波傳播速度與介質(zhì)密度的乘積（Z=ρ·V）。它是研究界面上地震波反射強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。Z1≠Z2界面上下存在有波阻抗差。界面上下的波阻抗差越大，反射波就越強(qiáng)*49幾種巖石的波阻抗巖石名稱速度(m/s)密度(g/cm3)波阻抗(g/s·cm2×104)土壤200～8001.1～2.02.2～16砂層300～13001.4～2.04.2～26粘土1800～24001.5～2.227～52.8砂巖2000～40002.1～2.842～112石灰?guī)r3200～55002.3～3.073.6～165巖鹽4500～55002.2～2.290～121結(jié)晶巖石4500～60002.4～3.4108～204*502、反射定律和透射定律入射線、反射線和透射線--波的入射、反射和透射用射線表示。法線—在界面上垂直界面且過(guò)入射點(diǎn)的直線。入（反）射角α、α’—入（反）射線與界面法線間的夾角。透射角β—透射線與界面法線間的夾角。入射面—入射線、法線確定的平面，垂直于界面。射線平面—入射線、過(guò)入射點(diǎn)界面法線和反射線確定的平面。用射線來(lái)表示波的反射和透射*512、反射定律和透射定律反射定律

反射線位于入射面內(nèi)，反射角α’等于入射角α。透射定律：

透射線也位于入射面內(nèi)，入射角的正弦和透射角的正弦之比等于第一和第二兩種介質(zhì)的波速之比,即或此式表示波在兩種介質(zhì)內(nèi)傳播的視速度是相等的。改寫*522、反射定律和透射定律*532、反射定律和透射定律*54地震折射波兩層介質(zhì)，下伏層的速度大于上覆層的速度，即V2>V1，這時(shí)地層中才會(huì)產(chǎn)生折射波?；胁ǎ寒?dāng)入射角等于臨界角時(shí)，透射波的射線與界面平行，以下界面的地震波速度沿界面滑行傳播的波。折射波：滑行波在滑行的過(guò)程中，下層介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，形成新的震源，并在上層介質(zhì)中產(chǎn)生新的地震波。*55地震折射波*56波型轉(zhuǎn)換波在非法線入射的情況下，無(wú)論是縱波或是橫波。在介質(zhì)的分界面上不僅會(huì)改變波的方向，產(chǎn)生反射和透射，而且會(huì)發(fā)生波的分裂。由一種波分裂為兩種不同類型的波，同時(shí)會(huì)有縱波和橫波的反射和透射。同類波和轉(zhuǎn)換波

稱與原來(lái)入射波類型相同的反射和透射波為同類波，而改變了波型的反射波和透射波為轉(zhuǎn)換波。*573、縱橫波的反射和透射定律(Snell定律)當(dāng)波通過(guò)兩個(gè)聲阻抗不同的均勻介質(zhì)界面時(shí)，波前進(jìn)的方向就會(huì)發(fā)生改變，考慮縱波和橫波時(shí)，這種變化可以表示為：

式中θP1是介質(zhì)1中縱波的入射角，VP1、VP2、VS1、VS2分別為介質(zhì)1和2的縱橫波速度，其中P為一常數(shù)，稱射線路徑參數(shù)。*58多層水平介質(zhì)的斯奈爾（Snell）定律

綜合反射定律和透射定律的內(nèi)容，擴(kuò)展到多層水平層狀介質(zhì)的情況，可以得到斯奈爾定律。它還包括橫波和縱波的傳播。設(shè)各層的縱波、橫波速度分別用Vp1,Vs1,Vp2,Vs2,......Vpi,Vsi表示，則斯奈爾定律的形式如下：

P稱為射線參數(shù)。在水平層狀介質(zhì)中，當(dāng)波的某條射線以某一角度入射到第一個(gè)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(duì)應(yīng)于一個(gè)射線參數(shù)值Pi

*594、費(fèi)馬原理*605、惠更斯原理*615、惠更斯原理*625、惠更斯原理*632.1.2地震波的傳播規(guī)律2.1.2.0反射和透射2.1.2.1反射定律2.1.2.2透射定律2.1.2.3施奈爾(Snell)定律2.1.2.4費(fèi)馬(Fermat)原理2.1.2.5惠更斯(Huygens)原理*642.1幾何地震學(xué)基本概念2.1.1地震波的基本概念2.1.2地震波的傳播規(guī)律2.1.3地震波的類型*65地震波的類型*66地震波的類型*67縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，傳播速度最快。又稱壓縮波(compressional)、膨脹波(dilatational)、縱波(longitudinal)或P-波(P-Wave)*68橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，速度比縱波慢，也稱剪切(shear)波、旋轉(zhuǎn)(rotational)波、橫波(transverse)或S-波(S-wave)，速度小于縱波約0.7倍。*69兩種振動(dòng)方向的橫波SV和SH波在三維體介質(zhì)中，橫波的振動(dòng)與傳播方向垂直有兩個(gè)方向，可把橫波分為SV和SH波兩種形式：如果振動(dòng)發(fā)生在通過(guò)波傳播方向的垂直平面內(nèi)稱SV波，在水平面內(nèi)則稱SH波。SV波SH波*70面波面波

一種質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)沿著或靠近介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牡卣鸩?，振幅隨深度以指數(shù)規(guī)律衰減。其速度可由大約一個(gè)波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)介質(zhì)的彈性性質(zhì)所定，速度約為橫波的0.92倍。在地震勘探中，通常指地滾波(groundroll)。包括瑞利波、樂(lè)夫波等。其中最重要的面波是瑞利波。在地震勘探中，面波被作為一種干擾波處理，并且發(fā)展相應(yīng)的觀測(cè)和處理技術(shù)。但在一些工程勘探中被作為一種有效的勘探方法。*71樂(lè)夫波*72瑞利波瑞利波是最常見的沿地面?zhèn)鞑サ拿娌ā?73反射和透射波的強(qiáng)度和極性垂直入射時(shí)，入射波振幅(A入)與反射振幅(A反)之比可用波阻抗來(lái)表示。反射系數(shù)透射系數(shù)R+T=1注意：自由界面上的位移總振幅為介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)位移振幅的兩倍。垂直入射反射和透射系數(shù)*74極性反射波強(qiáng)度