g.瞬时相位2.地震波及其传播地震勘探示意图•地震勘探是当前油气、煤炭勘探中最重要的一种方法。它根据岩石弹性差异,研究人工激发的地震波在地质介质中传播的规律,以查明地下地质构造的方法。由于地震波传播的路径、速度、能量、波形等随通过介质的弹性、几何结构和形态不同而异,由–传播时间、速度介质结构–能量、频率、速度及其它特征地层、岩性……什么叫地震勘探?2.地震波及其传播2.1地震波的生成、类型2.2地震波传播的基本原理2.3地震波的能量与衰减2.4地震波的反射、透射和折射2.5菲涅耳带的概念2.6地震道的生成2.7煤层反射波2.1地震波的生成、类型2.1.1地震波的生成2.1.2地震波的类型2.1.3地震波的波形图和波剖面图2.1.4有效波与干扰波2.1.1地震波的生成•什么叫地震波–人工激发的、在地质介质传播的机械振动。•人工激发的方式:–炸药震源–非炸药震源•气枪(气爆)•电火花•可控震源•敲击……•炸药震源地震波的形成–当炸药爆炸瞬间释放大量高温、高压的气体作用于周围介质,在距震源较远的介质只受到瞬间、小的作用力而产生弹性形变,质点随之振动,并向外传播而形成地震波。•纵、横波同时激发–震源及周围介质的性质缺乏球对称性,震源激发时,既产生体积形变也产生形状形变,因此既产生P-,也产生S-波。–通常由于波本身的特征、接收地段和设备所限,往往主要接收的是纵波。2.1.2地震波的类型•地震波一般认为是一类弹性波,是质点振动在地质介质中的传播。常分为以下三类:–纵波Primarywave–横波Shearwave–面波Surfacewave•它们具有不同的特点、以不同的速度、按各自固有的规律在地质介质中传播。地震波的类型表中,、──拉梅系数;──密度;vPvSvRPv2SvvvRS09.地震波类型形成机制质点振动方向速度纵波Primarywave体积形变与传播方向相同横波Shearwave形状形变与传播方向垂直面波Surfacewave在界面附近,由P、S波干涉形成,局限在界面附近传播见后vPvSvRPv2SvvvRS09.(a)P波(b)SV波(c)SH波体波质点振动体波质点振动(a)P波(b)SH波(c)SV波体波质点振动面波质点振动面波(瑞雷波、地滚波)P+SV拉夫波P+SH2.1.3地震波的波形图•激发的地震波在3D空间传播,其振动•对于1D的情况,•波形图–波形指某质点振动随时间变化的关系。–);,,(tzyxuu),(txuuxixtxuu),(AfT/12/f2.1.3地震波波剖面图•波剖面–波剖面指地震波传播过程中,某一时刻整个介质振动分布情况。对于1D的情况,有tittxuu),(A/1k•波的速度–波的同一相位(部位)在单位时间沿射线移动的距离。–波的速度将波形与波剖面联系起来。波的速度fv/txv2.1.4有效波与干扰波•有效波通常包括:–反射波(含有关回转波、绕射波)–折射波•干扰波通常包括:–规则干扰:多次波、面波、声波等与激发有关的–非规则干扰:随机干扰、环境噪音•干扰波与有效波不完全是绝对的。如面波、多次波…横波、转换波、折射波与反射波。•选择压制的依据:频谱、传播路径等特征。波场试验记录声波、面波折射-折射、微震各种地震波频谱特征地震波的频谱特征地震波的视速度特征有效波面波工业电浅层折射微震声波2.2地震波传播的基本原理2.2.1地震波前与射线2.2.2地震波传播的基本原理1.惠更斯原理2.费马原理3.叠加原理4.互换原理2.2.1地震波前与射线•波前与波前图–波前•地震波传播过程中,扰动相位相等的面(等时面)。在均匀各向同性介质中,它是以震源为中心的球面,它随时间向外移动,其方向与波前本身垂直。–波前图•从震源出发每个时刻波前位置图的集合。波前的形状决定于速度的分布。•射线–始终与波前垂直的线。可能是直线、折线和曲线等。波前、波尾、扰动带、射线震源球面波前与平面波前•均匀各向同性介质中,在t时刻,以r为半径的球壳上,具有相同的波场值,,该球壳就是该时刻的波前面。任意一条半径都是波的射线。•当半径很大、很大时,取一小片球面,其实非常接近平面。这时,可以用平面波代替球面波进行研究。2.2.2地震勘探基本原理①惠更斯原理Huygen’sprinciple②费马原理Fermat’sprinciple③叠加原理Superpositionprinciple④互换原理Reciprocityprinciple①惠更斯原理Huygen’sprinciple•惠更斯原理前进波前上任意点都看作是次生波源,而且下一个时刻波前就是所有该时刻次生波前的包络。V=cV≠cV1/V2t+∆ttttt+∆tt+∆tαβtvr子波半径惠更斯原理(续)②费马原理Fermat’sprinciple•费马原理–两点之间地震能量传播的路径是最小时间的射线路径。在多层介质中,它通常是折线或曲线,而不是距离最短的直线。–因为沿射线旅行时间最短,费马原理也叫最小时间原理。③叠加原理Superpositionprinciple•叠加原理–两个或多个同时存在的原因产生的结果,可以通过各个原因单独产生的结果求和得到。这里,隐含着线性关系。④互换原理Reciprocityprinciple•互换原理震源与接收点互换,其波的传播路径相同,效果(旅行时、位移、波形)一样,产生相同的地震道。•特点在于其普遍性。它不仅适用于任意边界的弹性介质,也适用于非均匀、各向异性介质。•应用–面波的压制大家知道面波的振幅(或能量)沿深度增加按指数迅速衰减;利用互换原理,加深震源,就可以有效压制所生成的面波。–折射(反射)波的互换,其互换时间相等(炮点与检波点互换时)。2.3地震波的能量与衰减地震反射波的能量随着它在地下的传播不断衰减,主要由四部分组成:几何发散透射损失反射损失介质的吸收衰减散射等其它地震波的能量和衰减①能量密度②球面几何发散③吸收衰减④吸收和扩散的相对重要性①能量密度•波通过介质,产生与介质波动有关的能量。•能量密度–定义:单位体积内的能量。–能量=动能+势能。–质点振动过程中,动能与势能相互转换:位移→0,势能→0,动能→max;位移→max,势能→max,动能→0。总能量等于动能|max。–公式–可见,能量密度与波的振幅和频率的平方成正比,与介质的密度成正比。能量密度一个谐波在介质中传播,其体积的动能为则,单位体积内的动能是于是,谐波的能量密度为)cos(tAu2)(21uvEkvkE)(sin2121222tAuvEk22max21AvEEk能流密度(能量强度)•定义:在单位时间内,垂直于波传播方向的单位面积上能量的通量。计算:沿波传播方向取一个小圆柱体,断面积为,长度为时间内传播的距离。柱体内任意时刻,其总能量为,在时刻,柱内所有能量从柱体一端流出,则对于球面波,其波前从震源向外扩散,在对应、波前面上取面积、,单位时间内流过二面积的能量必定相等,总流通量是能量强度和面积的乘积。因此有,最后得ststEvEvItt1r2r1s2s2211sIsI122212112///EErrssII•几何扩散–使球面波强度和能流密度都随距离的平方成反比衰减,或振幅与距离成反比衰减,这种现象称球面扩散。–平面波的能量不发散,所以其能量强度是常数。–能量比或能量强度比常用dB表示,有–因为能量和能量强度与振幅的平方成反比,所以有–实际地震波速度随深度增加,使得地震波扩散更快。这时尽管波前已经不是球面了,却仍然使用“球面扩散”。②几何扩散)/log(1012EEdB)/log(2012AAdB③吸收•吸收地震波在介质中传播时一部分能量转换为热能的过程。•吸收系数,衰减系数如果振幅表达为•它是振幅因吸收而岁距离指数衰减的因子。它与频率有关,一般呈线性,有时呈平方关系。•吸收系数与介质的品质因子有如下关系•品质因子定义岩石的值变化于50-300左右。xeAA0是吸收系数。是距离,x29.27Q1fv每周期内的耗散能量每周期内最大能量2QQ岩石的品质因子及吸收系数p岩石岩浆岩75~l500.04—0.02沉积岩20~l500.16—0.02含气岩石5~500.63—0.06吸收衰减与频率Q④地震波的吸收衰减与波前扩散衰减设频率Hz炮检距xl,m25050075010001500300010.0100.0270.0440.0610.0950.198100.1020.2730.4430.6410.9551.980250.2600.6801.1101.5302.3904.940500.5101.362.2203.0704.7709.890吸收dB750.7602.0503.3204.6007.16014.8001001.0202.7304.4306.1409.55019.8001501.5304.0906.6509.20014.32029.7003003.0708.18013.30018.41028.64059.3205005.11013.64022.16030.68047.73098.860扩散dBALL7.9613.9817.5020.0023.5029.50mxsmdb100,/2200,/15.00吸收和扩散的相对重要性和比较①吸收和扩散作用的大小决定于地震波传播的距离和频率。②当频率较低、距离不大时,波前扩散比吸收作用大;③随着频率升高、传播距离增加,吸收损失增大,最终变成能量损失的主要因素。④吸收使高频衰减,导致地震波形随距离变化,其谱的能量向低频移动。⑤随频率衰减的因素不止吸收,因此,地震波实际衰减的程度比这还要高。2.4地震波的反射、透射和折射2.4.1斯奈尔定理Snell’slaw2.4.2视速度定理Apparentvelocity2.4.3反射波Reflection2.4.4透过波Refraction2.4.5折射波Transmission2.4.1斯奈尔定理Snell’slaw•Snell’slaw(反射、折射定理)当地震波传播中遇到弹性分界面,地震波要产生反射与透射,它们服从Snell’slaw:入射波反射波透射波界面介质介质211sinsinsinvvv1.斯奈尔定理Snell’slaw(续)2.入射线、反射线、透射线与法线同在一个平面内,该平面叫射线平面。射线平面垂直于界面,除界面水平外,射线平面不垂直界面。•Comments:–Snell’slaw很有用,其用途:确定射线路径;确定波的走时和利用走时确定界面位置。–问题:•不能给出反射波和透过波的振幅信息。当地震波入射到界面上时,将要产生波的转换,产生4个二次波,波型与入射波相同的二次波叫同类波,否则,叫转换波。转换波也服从Snell’law吗?它们要遵守广义Snell’law。射线平面射线平面是由入射线、折射线、反射线和界面法线构成的平面。因为它包含法线,它一定垂直于界面,但射线平面一般不垂直于界面,除非:界面倾角等于0;测线与地层倾向线重合。广义斯奈尔定理•完整的表达式,见图,考虑到界面上地震波型的转换,则有称着广义斯奈尔定律。式中称着射线参数。pvvvvvstptsrprpi22111sinsinsinsinsinp在多层介质情况下,同一条射线的射线参数不变2.4.2视速度定理Apparentvelocity•视速度–地震波前沿地面地震测线移动的速度vvvvvlvx可见,。cos,视速度界于真速度与无穷大之间。相应的波前如何?2.4.3地震反射波•反射波当地震波入射到一个弹性分界面上时,要产生反射波返回地面。有,反射系数(垂直入射)其中,叫波阻抗。反射波形成的条件界面两侧的;当,反射波与入射波同极性,否则,反极性;越大,反射波越强。112211220vvvvA
本文标题:地震波
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