地震勘探读书笔记

长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏26030901131一、地震波的能量1．地震波的能量E谐波在介质中传播时的能量EWfAE22(6.1-26)E——能量A——振幅f——频率W——体积ρ——密度2．能量密度ε单位体积内的能量叫能量密度．．．．22fAWE(6.1-27)3．能流密度（波强度）I单位时间内通过单位面积的能量叫能流．．密度（或波强度）．．．．．．．．I．如果dt时间内通过ds面积的能量为ε·Vdtds(体积)则2AVdtdsVdtdsI(6.1-28)4．球面波的能流密度P19-P11设两球面半径为r1、r2两球上部分面积为S1、S2S2P11图6.1-6根据单位时间内通过S1、S2的能量相等，即I1S1=I2S2(6.1-29)振动r1r2S1长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏260309011322112SSII(6.1-30)222211rSrSd(6.1-31)222121rrSS(6.1-32)222112rrII(6.1-33)2AI2112rrAA(6.1-34)振幅与传播距离成反比，即球面扩散定性解释：相同的能量分布在不同的面积上形成球面扩散。（殊途同归）二、地震波的波形图和波剖面1．波前、波尾、射线例：水波纹，波前、波尾都是圆的，随时间的增加半径在增加。波前射线（1）波前面振动区最前端刚开始振动的质点与未振动的质点之间的分界面叫波前面。振动振动区波尾长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏26030901133（2）波尾面振动区的后端刚停止振动的质点与已经停止振动的质点之间的分界面叫波尾面。（3）等相位面（等时面，波面）具有相同的振动相位的质点的连线。平面波——波前面是平面球面波——波前面是球面柱面波——波前面是柱面（4）射线波传播的实际路径，也叫波线，射线永远垂直于波面。说明：地震勘探中主要研究平面波和球面波波前波前射线平面波球面波2．振动曲线从（6.1-24）或（6.1-25）可见，位移是时间t和空间r的函数，即u=u(r,t)固定r时，u=u(t)叫波形图（振动曲线、振动图）．．．．．．．．．．．．．固定t时，u=u(r)叫波剖面．．．定义：在任一固定的距离r=r1处，观测质点A波动的位移随时间的变化u(t)，叫振动曲线。波峰——位移的正极值。波谷——位移的负极值。相位——振动曲线上的一个波峰或一个波谷。长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏26030901134视振幅A——位移的极值。视周期T——两相邻波峰或波谷之间的时间间隔。视频率f——视周期的倒数**1Tf振动延续时间Δt——初至与终止时间的差值。Δt=t2-t1地震野外记录的是振动曲线。u(t)T固定r=r1处Or1Au=u(t)记录0t1t2t点初至终止时P11图6.1-7振动曲线t同相轴初至连线SOX地面y0hVPRV2OZ长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏260309011353．波剖面对某一固定的时间t1时刻，沿某一方向上不同位置上的质点的振动情况。视波长*——两相邻的波峰或波谷间的距离。视波数*k——单位距离内的波长数目，**1k。波剖面长度Δr——振动区长度，（球层厚度），Δr=r2-r1u(r)O固定t=t1时波尾u=u(r)波前0r1r2r波尾波前P11图6.1-8波剖面4.波的传播观察波剖面可以看出，在波到达的质点处，质点离开平衡位置产生位移。振动的质点又波及邻近静止的质点使其振动，这样由此及彼，形成质点振动的相互传递，形成波动的传播。5.波剖面与振动曲线之间联系式：*****fVTV(6.1-35)******11VfTVk(6.1-36)三、地震波场的计算——克希霍夫（Kirchoff）积分公式序：地震波在理想的均匀无限弹性介质中传播。如何计算波到达空间任意一点的波场？1.惠更斯原理（P13图6.1-11）长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏26030901136任一时刻波前面上的每一点都可以看作一个新的点源，向前发射子波，子波的包络面就是下一时刻的波前（1690年）。tt+Δt时时刻刻波波前前P13图6.1-11惠更斯原理示意图说明：惠更斯原理主要研究了波前传播问题，只是给出了波传播的空间几何位置，它很不完善。例如：它没有说明波为什么只向前传不向后传？也没有说明传播过程中能量强弱如何变化？也没有说明传播过程中波场如何计算？2.菲涅耳原理波前面上所有新的子波源，在空间观测点上相互干涉叠加，其叠加结果就是．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．观测点上的总振动。．．．．．．．．．说明：①提出了任一观测点上波场如何计算的设想，并没有具体计算。②仍没解释波为什么只向前传而不向后传？3.克希霍夫积分（1883年）计算出空间任一点的波场。定量地计算了波为什么只向前传而不向后传。长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏26030901137nθrφ(x1,y1,z1,t)Vrtt1M(x1,y1,z1)),,,(tzyxQP13图6.1-12克希霍夫积分示意图如果围绕着震源的封闭曲面Q，已知Q面上波动的位移位φ(x,y,z,t)及其导数,且这些值是连续的（没有奇点）。那么可以算出Q面以外任意观测点M(x1,y1,z1)上由震源引起的位移位为：dQtnrVrnrrntzyxQ11)1(41),,,(111(6.1-37)式中[]不是方括号，表示计算t时刻的位移位要用到t1=t-Vr时刻的位移位及其对时间对空间的导数，故[φ]叫延迟位。r——M点到Q面上各点的距离n——Q面的外法线方向。说明：（6.1-37）更深层的的含义①已知Q面上的是位移位，算出来的是M点上的位移位。②已知Q面上的是位移，算出来的是M点上的位移。③1883年出现克希霍夫公式，1983年用于生产实践，用地面波场计算地下任一点的波场。4.倾斜因子（1）倾斜因子不同射线方向的波对特定点的影响是不一样的，可以用倾斜因子K（θ）来描述。····长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏26030901138)cos1(2)(jK(6.1-43)例：阳光，地球，直射，斜射，季节。(2)K（θ）物理意义①当θ=0时，jK)(是最大值，该方向就是射线方向。②当2或23时，2)(jK，只有最大值的一半。③当θ=π时，K（θ）=0，也就是射线的反方向，即没有能量向后传。可见：克希霍夫积分解决了波传播过程中能量的计算问题，也解决了波为什么不向后传的问题。四、矿井地震波法在井下超前探测的应用摘要：物探作为一种新的勘探技术正在被越来越多的使用，地震波法作为物探的一种主要方法在矿井地质勘探尤其是井下超前探测中发挥着重要作用。本文以矿井地质探测仪6A30在井下的使用为基础，以实际生产中的应用为例子，介绍地震波勘探的原理、井下使用方法、适用范围、结果分析等，结合实际揭露相互印证，提高探测精度从而更好的为安全生产服务。关键词：矿井地震波；超前探测；应用㈠、地震波勘探原理：不同岩层物理性质的差异，地震波在不同岩层中的传播速度也不同。1：地震波勘探的基本原理地震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时，遇到不同的波阻抗界面时，在界面处会发生反射，透射（折射）等现象，这些在不同波阻抗界面发生反射、透射（折射）的地震波可被排列于震源附近的检波器所接收，从而形成可用于地震解释的原始数据。2：弹性介质和理论基础某物体在外力作用下产生形变，当外力去掉之后，物体能迅速恢复到受力前的形态和大小，物体这种特性称为弹性，该介质称之为弹性介质。自然界大部分物质都可以在一定的外力作用下呈现出弹性的性质。在弹性理论的研究中，根据介质的不同特征可分为各向同性和各向异性两类。所有弹性性质和空间方向无关的称之为各向同性介质；反之则为各向异性介质。在矿井地震波勘探中，人工地震震源是在很短的时间内激发的脉冲式地震波，激发的能量对于探测前方的岩层和接收点处介质所产生的作用力较小，因此可以将它们看作弹性介质，并可以用弹性理论来研究地震波的传播问题。研究表明，大部分岩、煤的机制在地震勘探中都可以看作式各向同长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏26030901139性介质，从而可以利用一些基本弹性理论来进行地震波研究。在矿井地震波勘探中主要是研究人工激发的地震波在岩、煤介质中的传播规律，以探测前方地质构造和岩层的分布等。研究的理论中，通常把岩、煤介质看作各向同性的弹性介质，把地震波看作弹性波——即将不完全符合真实情况的问题简单化。3：波的分类：地震波可分为体波和面波两大类。体波在介质的整个体积内传播，根据共传播特征的不同，又可分为纵波和横波（通常纵波又被称为p波，横波称为s波）。面波则沿介质的自由表面或两种不同介质的分界而传播，根据其不同性质，又可分为瑞利波和勒夫波等。现将各种波的特征分别讨论如下。（1）、纵波弹性介质发生体积形变（即拉伸与压缩形变）所产生的波动称为纵波。当纵波在介质中传播时，会形成间隔出现的压缩带和稀疏带，因此，纵波又称压缩波(或P波)。纵波的传播方向和质点的振动方向一致。（2）、横波弹性介质发生切变时所产生的波动称为横波，即剪切形变在介质中的传播，又称之为剪切波(或S波)，其特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。因此对于任意一个传播方向，质点可以有无限多个振动方向，在研究中，通常可把横波看作是由两个方向的振动所组成，一个是质点振动在垂直平面内的横波分量，称为SV波，另一个是质点振动在水平平面内的横波分量，称之为SH波。（3）、面波根据弹性力学理论，还有两种仅存在于弹性分界面附近的波动—瑞利波与勒夫波。瑞利波是沿介质与大气层接触的自由表面传播的面波。它的特点是，质点在通过传播方向的垂直面内沿椭圆轨迹作逆时针运动，其椭圆长轴垂直于介质表面，长短轴之比大致为3:2，强度随深度呈指数衰减，但在水平方向衰减很慢。在地震记录中瑞利波具有频率低、速度接近于横波波速且衰减慢等特点，在一般地震勘探中是一种千扰波。但在表层介质的勘查中瑞利波具有特殊的作用。㈡、常用的矿井地震波探测方法：本文使用的仪器为矿井地质探测仪KDZ1114-6A30。该仪器属于便携式多功能智能矿井资质探测仪，在功能设计上，集成了目前在矿井地震勘探中常用的八种勘探方法，可以进行各种类型的浅层地质构造勘探。本文使用的方法为反射共偏移和单点探测。1：反射共偏移探测（1）反射共偏移探测原理反射共偏移探测技术是依据反射波勘探原理，在单边长安大学地震勘探读书笔记地震波基础知识及应用吴鹏260309011310排列分析基础上选定最佳偏移距，采用多次覆盖观测系统进行数据采集。探测时，首先针对测试区域地震地质条件进行现场噪声调查，对排列记录分析对比，确定最佳共偏移接收窗口以及窗口内的检波器间距，并按一定的步距同步前移完成探测任务。只要地质体中存在波阻抗差异，如地质界面，就会产生反射回波，且反射能量受界面特性控制，这是进行地质体分辨的前提。通常在现场实际工作中，常用密集型单道共偏移数据解决实际问题，能满足现场的需要。它在对地质体连续追踪与调查中发挥着重要的作用。现场探测时是在最佳窗口内选择一个公共偏移距，采用单道小步长，保持炮点和接收点距离不变，同步移动震源和接收传感器。每激发一次接收一道波形，最后得到一张多道记录，各道具有相同的偏移距。上图为共偏移法现场施工示意图。另一种方法是通过对共炮点记录进行自动排列，也可以获得各种偏移距的共偏移剖面。利用这种共偏移地震剖面，可正确识别反射波同相轴，由于偏移距相同，数据处理时不需作正常时差校正。工程中常用来对反射波同相轴位置及特征进行了解，由于这种方法施工较为简单，特别适用于矿井煤岩巷道或工作面构造及异常地质体的调查工作。根据反射波勘探原理，以水平反射界面为例，则单道观测系统有相应波路图（上图）