地球物理前两章复习题及答案

物探考试复习题：绪言1、何为地球物理勘探（简称物探）？答：地球物理勘探就是通过专门的仪器观测地球物理场的分布和变化特征，然后结合已知地质资料进行分析研究，推断出地下岩土介质的性质和环境资源等状况，从而达到解决问题的目的。简单地说，物探是通过观测和研究各种地球物理场的变化来解决地质问题的一种勘查方法。2、物探方法与地质方法的主要区别？答：物探方法与地质方法在工作原理上是截然不同的。地质方法是以岩石学、构造地质学、工程地质学、水文地质学等理论为基础，对岩土露头或岩芯等直接进行观察；物探方法则是以各种地球物理场的理论为基础，凭借仪器对地质构造或岩土介质引起的地球物理异常进行观测，而不是直接观测地质构造或岩土介质本身，因此它是一种间接的手段。探方法的主要特点是可以透过覆盖地层寻找隐伏地质构造或了解岩土介质的分布。因此它比钻探等其它直接的地质勘查手段具有快速、经济的优点，已被各系统各部门广泛采用，并成为一种不可缺少的重要手段。3、何为物探方法的局限性和多解性？答：局限性：物探的应用总要受到一定的地质及地球物理条件的限制，这主要是指：1.探测对象与周围岩石间必须具有明显的，可以探测到的物理性质上的差异，或物质分布的不均匀；2.探测对象要有一定的规模，且埋藏不太深，足以产生仪器可以发现和圈定的地球物理异常；3.各种干扰因素产生的干扰场，相对于异常应足够微弱，或具有不同的特征，以便能够予以分辨或消除。若不具备上述条件，则很难通过观测发现探测对象的存在。多解性：对同一个地球物理异常的解释可以有互不相同甚至截然相反的结论，这叫做物探异常的多解性。造成多解性的原因很多，有数学解的不稳定性、观测误差、干扰因素等。但最根本的原因还是地球深部的不可入性所带来的观测数据中“信息量”的不足，这些问题目前还没有找到切实有效的解决办法。综上所述，由于各种自然的或人为的因素所限，物探取得的成果实质上都是一定条件下的某种推论，推论和实际总是不可避免地存在着某些差异。4、工程与环境物探的特点？答：工程及环境物探通常有以下特点：（1）大部分的对象是浅、小的物体，探查深度从几十厘米到几十米，要求探查的分辨率高、定量解释精度高；（2）不仅要求搞清探查对象的分布规律，还往往要求查明单个对象（如溶洞）的空间位置；（3）与工程及环境地质工作结合紧密，探查资料往往用于设计或施工，时间上衔接紧，这常使得探测结论能及时得到验证和反馈，对工作结论要求高；（4）探查对象复杂。浅小的物体规律复杂，近地表的地质条件和物性也不均匀，沿水平方向和铅垂方向的各向异性严重，甚至物性参数出现连续渐变的情况。给资料的定性定量解释带来许多困难。地震勘探一、地震波动力学1、何为地震波的动力学特征和运动学特征？答：地震波传播的动态特征集中反映在两个方面：一是波传播的时间与空间的关系，称为运动学特征；另一是波传播中它的振幅、频率、相位等的变化规律，称为动力学特征。前者是地震波对地下地质体的构造响应，后者则更多地表现出地下地质体的岩性特征，有时亦是地质体结构特征的响应。2、工程地震勘探所研究的介质做了哪些假设？答：均匀连续假设：在同一地层中，由于地震波的波长一般大于数百米至数公里，岩石的不均匀性对地震波的传播不起作用。各向同性假设：取向杂乱无章的晶体的线度远较地震波波长小，在地震波波长长度内，可将地球介质看作为各向同性。完全弹性假设：除震源除外，介质所受的力一般都是很小的，而且延续时间很短，因此可将地球介质当作完全弹性体。3、纵波和横波各有什么特点？答：纵波的特点为：①在球腔壁上作用单位正压力（纵波激发）时，弹性介质中产生的纵波质点位移规律是按指数衰减的正弦振动，衰减快慢决定于x的大小。②振动的强弱决定于系数prVPa2202，由于该系数中仅r为变量，说明振动的强度随波传播距离r的增大而反比地减小，在地震勘探中称为波的球面扩散。③纵波质点位移的方向Sr同波传播的方向r是一致的，地震勘探中把质点位移的振动方向称为极化方向，由于纵波仅在波传播的方向振动，因此是线性极化波。横波的特点为：①在球腔壁上加上单位切应力S0后，横波的质点位移是衰减的正弦振动，衰减快慢决定于系数t。②横波的振幅也随波的传播距离r增大而减小，亦具有球面扩散。③横波亦为线性极化波，因为其质点是在一维空间内振动。但由于在球坐标内a同r是互为正交的，故横波的质点位移振动方向有别于纵波，它同波的传播方面r垂直。在研究中，通常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。4、振动图和波剖面的区别与联系？答：振动图表示某个质点在不同时刻相对于平衡位置的状态。可比拟为录像。波剖面表示很多质点在同一时刻相对于平衡位置的状态。可比拟为照相。振动图是个体在不同时间的行为，波剖面是整体在同一时间行为的定格。波的振动图形波剖面图5、傅立叶变换的物理意义？P20答：任何一个非周期振动由无限多个不同频率、不同振幅的谐和振动叠加而成。每一个频率的谐和振动的振幅和初相位由复变函数G(f)决定。G(f)可以写成。后者物理意义是：如果已知非周期振动g(t)的形状，那么可以求得频谱G(f)，复变普G(f)的模A(f)即为振幅谱。即：。复变谱G(f)的幅角就是相位谱，即。6、在层状介质传播过程中，地震波的能量损耗有哪些形式？用公式表述？答：地震波从激发、传播到被接收，其振幅和波形都要发生变化，影响因素归纳起来主要有三类：第一类是激发条件的影响，它包括激发方式、激发强度、震源与地面的耦合状况等。不同的激发方式，如炸药震源与锤击震源、落重震源等相比，激发的振幅相对较大；相同的激发方式，则振幅的大小取决于激发强度，如同样是锤击震源，大锤激发和小锤激发振幅不同；由于地震勘探以介质的弹性参数为物性基础，因此震源与介质的耦合性越好，激发的振幅越强。第二类是地震波在传播过程中受到的影响，主要包括：（1）地震波的能量与球面扩散。2112rrAA，说明波的振幅与波的传播距离成反比。（2）波的吸收衰减。在地震勘探中，地震波的振幅A随传播距离r的增加按指数规律衰减，即reAA0。其中0A为初始振幅，为吸收系数，用单位波长衰减的分贝数表示。VQfVQ/2/,表明，吸收系数与地震波的频率成正比，与地层速度V和品质因子成反比。表明介质的Q值越大，吸收系数越小，能量的损耗越小。（3）反射和透射损失：1120)1(niniRRAA此外还有入射角大小以及波形转换等造成的衰减。此外，地下岩层界面的形态和平滑程度等也会对波的能量有所影响。第三类是接收条件的影响，包括接收仪器设备的频率特性对波的改造以及检波器与地面耦合状况等。7、介质的吸收取决于哪些因素？由此可得出什么结论？答：在地震勘探中，地震波的振幅A随传播距离r的增加按指数规律衰减，即reAA0。其中0A为初始振幅，为吸收系数,VQfVQ/2/。吸收系数与地震波的频率成正比，与地层速度V和品质因子成反比。表明介质的Q值越大，吸收系数越小，能量的损耗越小。Q值为一无量纲量，通常被定义为：在一个周期内（或一个波长距离内），振动所损耗的能量与总能量之比的倒数。在浅层高分辨率地震勘探中，要求反射波的频率较高，而地层的速度一般较低，尽管探测深度较浅，波的旅行路径较短，但地层对高频地震波具有严重吸收作用。地震波的频率越高，地层的速度越低，地层的吸收作用就越显著。而对于较低频率成分的波，相应吸收较少。8、子波和大地滤波作用的定义？答：激发产生的尖脉冲信号)(t在实际介质中传播时，由于介质的吸收衰减作用，滤去了较高的频率成分而保留较低的频率成分，岩土介质的这种作用称为大地滤波作用。高频成分的损失，改变了脉冲的频谱成分，使频谱变窄，因而使激发的短脉冲经大地滤波作用后其延续时间加长，分辨率降低。这种经大地滤波作用后输出的波b(t)称为地震子波。大地滤波作用对波形的改造图9、惠更斯原理、费马原理及视速度定理的内容？答：惠更斯原理表明，在弹性介质中，可以把已知t时刻的同一波前面上的各点看作从该时刻产生子波的新点震源，在经过t时间后，这些子波的包络面就是原波到tt时刻新的波前。应用惠更斯原理可以说明波的反射、折射和绕射现象。惠更斯原理示意图费马原理表明，地震波沿射线传播的旅行时和沿其它任何路径传播的旅行时相比为最小，亦波是沿旅行时间最小的路径传播(最小时间原理)的。在时间场内，将时间相同的值连起来，组成等时面，等时面与射线成正交关系。如图所示A、B为两个检波器，间距为x，地震波沿射线1到达A点的时间为t，沿射线2到在B点的时间为txtt/,定义为视速度*V。由图可见，地震波沿射线传播的真速度tsV/，因cosxs所以cos*VV视速度示意图式中为地震波射线与其自身的地表投影的夹角(出射角=90°-入射角)。式（1.1.62）表示了视速度与真速度之间的关系，称为视速度定理，可以看出，视速度总是大于真速度。当0时，VV*，即波沿观测方向传播，其视速度就是真速度；当90时，*V，即若沿波前面观测波的传播程度，此时波前面上各点的扰动都同时到达，好像有一波动以无穷大的速度传播一样；在均匀各向同性介质中，由于V不变，*V的变化反映了地震波入射角的变化。在浅层地震反射勘探中，近炮点记录道接收到的反射波视速度高，相邻记录道之间反射波的时差小，远炮点记录道接收到的反射波视速度低，相邻记录道接收到的反射波时差大。10、平面波法线入射情况下会出现什么情况？P26答：当地震波垂直入射到界面上时，01，如图所示。据斯奈尔定律，02121，求解Zoeppritz方程可得：0RSTSAA1122111122112221PPPRPTPPPPPRPVVVAAVVVVA①第一个方程表明在平面波垂直入射时，不存在转换横波，因为此时转换波的反射系数RSA和透射系数TSA均为零；第二个方程说明，欲使反射波强度不为零的条件是：01122PPVV或2211PPVV②平面波垂直入射这意味着波阻抗不相等的界面构成地震反射界面。于是式②可以说是地震反射波界面形成的必要条件。显然满足不等式②，可以是2211PPVV，亦可以是2211PPVV。当2211PPVV时，RPA为正，说明反射波振幅和入射波振幅同相；反之，RPPPAVV,2211为负，表示它们反相。分析式①中第三个方程可以看出，透射系数永远为正，故透射波同入射波永远是同相的。11、折射波是怎样形成的，它有什么特点？答：当下层介质的速度VP2大于上层介质速度VP1时透射波超前运动，使其波前面与入射波、反射波的波前面脱离。但连续的弹性介质的质点运动应是连续的。于是，必定有一种新的扰动来填补这二个波前面的脱离，这个新扰动的波前面必定是一端与透射波波前面相接，另一端与反射波波前面相切，这个新扰动称为首波，即折射波。当条件VP2VP1时，a角即使由0°变到90°，总可以满足斯奈尔定律，在上覆介质中形成反射，透射角a2不会超过90°，因此不会产生透射波前超前入射波和反射波的情况，不可能形成沿界面滑行的首波，也就不会形成折射波。同样，当横波速度满足VS1VS2，在界面上亦会形成折射横波，其形成的物理机制同折射纵波一样。13、何为地震勘探的横向和垂向分辨率？推导其公式。答：地震勘探的横向分辨率：横向上可分辨地质体的最小长度的能力。广义绕射理论说明，地面上某点o(自激自收点)的能量都是地下界面上每一绕射点对它“贡献”的结果，问题是每一个点的“贡献”都是等量的吗?理论和实践证明它们不是等量的并且有一个确定的范围。分析认为在地面o点观测到的波的能量主要是由该范围内的绕射点形成的绕射波对该观测点的“贡献”。这个带我们称为菲涅尔带。如图所示。从O点发出一球面波，波前到达界面上时形成绕射，考虑到所有绕射对O点的贡献，要使得所有绕射叠加后产生相长干涉，其绕射波时差必须在二分之一周期范围内，否则产生相