chapter1地震波理论基础

第一章地震波理论基础一、岩石的弹性三、地震波的几个特征四、地震波的传播规律五、地震勘探中常见的地震波类型目录二、地震介质模型一、岩石的弹性1.弹性介质弹性:外力体积、形状变化外力去掉恢复原状弹性体：具有这种特性的物体弹性形变：其形变称为……如弹簧、橡皮等塑性:外力体积、形状变化去掉外力不恢复原状，保持外力作用时的状态塑性体：具有这种特性的物体塑性形变：其形变称为…….如橡皮泥外力下，是弹是塑，取决于:是否在弹性限度之内即三个方面:外力大小、作用时间长短、物体本身的性质（不同）激发信号――波形变“胖”，振幅变小。自然界中绝大部分物体，在外力作用下，既可显弹，也可显塑地震勘探，震源是脉冲式的，作用时间很短（持续十几～几十毫秒），岩土受到的作用力很小，可把岩、土介质看作弹性介质，用弹性波理论来研究地震波。各向同性介质：凡弹性性质与空间方向无关的介质各向异性介质:凡弹性性质与空间方向有关的介质沉积稳定的沉积岩区，各向同性，简化问题地震勘探中，只要岩土性质差异不大，都可以将岩土作为各向同性介质来研究，这样可使很多弹性理论问题的讨论大为简化。2.粘弹性体（介质）粘滞性：小外力、长时间不能恢复原状粘弹性：既有弹性，又有粘滞性的性质浅震中：接收信号原因：吸收高频，能量损耗。显然，岩土既有弹性、又有粘滞性，岩土层就可以称为粘弹性体（介质）。3地震波动的形成下面讨论地震波的形成过程：物体在受到由小逐渐增大的力作用时，大体上经历三种状态：外力小：在弹性限度以内，物体产生弹性形变；外力增大：到超过弹性限度，物体产生塑性形变；外力继续增大：超过了物体的极限强度，物体就会被拉断或压碎。岩层中用炸药爆炸：激发地震波时炸药包附近：压力＞周围岩石的弹性极限，岩石被破碎形成一个破坏圈离开震源一定距离：压力减小，但仍超过岩石的弹性限度，岩石不发生破碎，但发生塑性形变，形成一系列裂缝的塑性及非线性形变带塑性带以外：随着距离增加，压力降低到弹性限度内，岩石发生弹性形变因此，地震波是一种在岩层中传播的弹性波1均匀介质二、地震介质模型•介质的均匀性与非均匀性取决于弹性性质随空间的分布，特别是波速的空间分布。•在一个物体内部，任选两个基本单元，若这两个单元的性质（如密度、速度、应力、应变等）完全相同，则该物体是均匀的。反之就是不均匀的。•均匀弹性体是指弹性性质（波速）不随空间坐标的变化而变化，是常数。•反之，若弹性性质（波速）随空间坐标的变化而变化的介质为非均匀介质。2非均匀介质层状介质连续介质•如果非均匀介质的物理性质呈层状分布，则称这种介质为层状介质。层状介质中各层的弹性系数是不变的。•岩性分界面常常与岩层的弹性分界面有很好的耦合性，所以，地震勘探所探究的弹性分界面常常就是地质（岩性分界面）。层状介质模型已经成为地震勘探中常用的物理模型当层状介质的层数无限增加，每层的厚度无限减小时，层状介质就可以视为连续介质。实际地震勘探问题中，常常存在多套不同的地层，而每一套内又由沉积旋回比较明显的薄岩层组成，各薄层的性质有所差异。因此，常常把每一套地层又看成是层状介质，而在其内部又看成是连续介质。这就是地震勘探中常说的连续层状介质模型。对介质，如果只考虑单一的岩相，如砂岩相、页岩相等，则这样的介质称为单相介质。实际上，地下的岩石一般由两部分组成。一部分是构成岩石的骨架（称为基质），另一部分是岩石孔隙及孔隙中充填的各种流体或固体，如含油砂岩等。地震波穿过岩石基质的速度和穿过岩石孔隙中流体的速度是不一样的。对弹性参数----波速来说，含油砂体相当于有两种“岩相”物质组成，这种岩石为双相或多相介质。如图所示。研究多相介质具有更多的实际意义。3单相介质和多相介质•双相介质物理模型可以用岩石基质和孔隙度填充物组成的一系列平行平面系统来表示。波动：振动在介质中的传播。三、波的几个特征1.振动和波动的关系就是部分和整体的关系波有一定的速率。波的频率等于震源的频率。2.波前、波后和波面波前：介质中某一时刻刚刚开始振动的各点组成的面叫波前。波面：介质中同时开始振动的各质点所组成的曲面叫波面。波后：介质中某一时刻刚刚停止振动的各点组成的面叫波后。如图:在t0时刻，波源开始振动，过了一段时间到了t0’（t0’t0），波源的振动可能停止了或暂时停顿了；到了t1时刻，传播了一段距离。S:t1时到波前，波是不断前进的，波前、波尾是相对某一时刻的波前、波尾。介质中的任何一点都有一个波面。在V0区域：波已经传播过去，振动已停止；在V1区域：介质振动正在进行；在V2区域：波还没有传到；在一定条件下，可以认为波及其能量是沿一条“路径”从波源传到所考虑的一点P，然后又沿那条“路径”从P点向别处传播，这样的理想路径就叫通过P点的波线，又叫射线。3.波线几何地震学:利用波线的概念来研究地震波的传播问题。振动曲线：4.振动曲线和波形曲线描述某一质点在不同时刻的位移为了反应各点的振动之间的关系，把同一时刻各点的位移画在同一个图上，即描述某一时刻各质点偏离平衡位置的曲线。波形曲线：不同的质点可能有不同的振动曲线；不同的时刻有不同的波形曲线；在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫“波剖面”。5.波剖面的几个特征：正弦波:如果各点的振动都是谐振动。波剖面可用正弦波来表示对于正弦波介质中各部分振动频率等于波源频率，周期T和频率有固定值。（1）波长λ：在一个周期内，正弦波沿着波线前进的距离叫波长。波源每振动一次，波长前进一个等于波长的距离λ，波源每秒振动的次数就是频率f，波每秒前进距离是（即波速v）。TVTfv或如果不是沿着波的传播方向而是沿着别的方向来确定波速和波长时，所得结果叫做正弦波的视速度和视波长，、来表示。aVa（2）视速度：当涉及的波速和波长时，我们是沿着波的传播方向来考虑问题。如图:BA为沿着测线方向的视波长BAaBA)()(SINaSINBABA波沿测线方向传播速度SinVTSinTVaaTV)(SINVVa.0;901)(aaaaavvvVVSINv，地震波垂直地表传播：，地震波沿地表传播：，的视速度。：称地震波沿测线方向。。四、地震波传播的规律1、反射和透射当波入射到2种介质分界面时，会发生反射和透射。第二种介质22v（波阻抗）当时：2211vv地震波才会发生反射。11v第一种介质2.反射定律和透射定律入射面：入射线和法线NP所确定的平面垂直分界面叫入射面。'11反射定律：反射线位于入射面内，反射角等于入射角，透射定律：透射线也位于入射面内，而且：avvvvv22112121sinsinsinsin表示：沿着界面，波在两种介质中传播的视速度是相等的。全反射:;1212vv当到一定程度，但还未到时，已增大到，这时透射波在第二种介质中沿界面“滑行”，出现“全反射”现象。1。902。90开始出现“全反射”时的入射角叫临界角θc21sinvvc对于水平层状介质，各层的纵波，横波速度分别用斯奈尔（Snell）定律：PVVV透反入sinsinsin'表示入射波为纵波，入射角为，各层纵横波的反射角和透射角分别用表示，则：1psipi,PVSINVSINVSINVSINVSINVSINsisipipissppsspp)()(......)()()()(22221111P：射线系数iispspvvvv,,,113、费马（Fermat)原理：波在各种介质中的传播路线满足所用时间为最短的条件。介质中波所传到的各点，都可以看成新的波源叫子波源，可以认为每个子波源都向各方向发出微弱的波，叫子波。子波是以所在点处的波速传播的。利用惠更斯原理导出反射定律。4、惠更斯（Huyaens)原理：5、地震折射波：当入射角时，发生全反射，产生滑行波，没有透射波，滑行波传播又引起另外的效应，由于两种介质互相密接，滑行波在传播过程中也会反过来影响第一种介质，并在第一种介质中激发新的波，这种由滑行波引起的波，在地震勘探中叫“折射波”。c当V2V1四、地震勘探中的常见波炸药爆炸以猛烈的膨胀作用为主，造成岩石的膨胀和压缩，这种形变使质点振动方向与波的传播方向一致，产生纵波；横波：质点振动方向与传播方向垂直;纵波：质点振动方向与传播方向一致;㈠按波在传播过程中质点振动方向区分为在地震勘探中用炸药激发时，一声炮响之后会产生各种各样的地震波。同一次爆炸产生的纵波比横波强的多，在同一介质中，在地震勘探中，主要用纵波。横纵vv又由于实际的爆炸作用不具有球形的对称性，以及实际的地层不是均匀介质，也会产生使质点沿着与波传播方向相垂直的振动，即形成横波。Vp==Vs==2)21)(1()1(u)1(2介质的弹性性质的参数λ拉梅系数，ρ介质密度，Ｅ杨式模量，υ泊松比，μ为切变模量因为σ≈0.25Ｖｐ／Ｖｓ＝≈1.733在大多数情况下，σ＝０．２５。Ｅ的大小和岩石的成分、结构有关，随着岩石的密度ρ增加，Ｅ比ρ增加的级次较高，所以当ρ↑—Ｖｓ、Ｖｐ↑。同一介质中，纵波、横波速度比。21)1(2Ｖｐ／Ｖｓ＝㈡按波在传播过程中的传播路径：直达波，反射波，折射波，透射波。直达波：由震源出发向外传播，没有遇到分界面直接到达接收点的波叫直达波。一个纵波入射到反射面时，即产生反射纵波和反射横波，也产生透射纵波和透射横波。与入射波类型相同的反射波或透射波称为同类波。改变了类型的反射波或透射波称为转换波。入射角不大，转换波很小，垂直入射不产生转换波。㈢按波所能传播的空间范围：沿自由表面或分界面传播的波叫面波。其强度随离开界面的距离加大而迅速衰减。纵波和横波可以在介质的整个立体空间中传播，合称为体波。体波：面波：（干扰波）如何避免？R：反射系数（由介质1入射到分界面时界面的反射系数）。11221122vvvvR进行反射波法地震勘探时（目前主要利用反射纵波），习惯上把这种被我们利用的波称为有效波，妨碍记录有效波的其它波都称为干扰波。在界面产生反射波条件：分界面两边介质的波阻抗不相等。波阻抗界面才是反射界面，速度界面不一定是反射界面。