《地震波及其传播》PPT课件.ppt

第一章 地震波及其传播,第一节 地震波的产生 第二节 地震波的类型 第三节 分层介质中的地震波,波：波是质点的振动在介质中的传播过程。 波的形成首先要有开始振动的震源存在，而且要有传播振动的弹性介质。 地震波是在岩层中传播的弹性波,第一节 地震波的产生,地震勘探方法是研究人工激发的机械振动在地球介质中的传播规律，进而推断地下的地质构造。从这个意义上说，地震波是在地球介质中传播的机械振动。地震震源作用给地球介质的岩层施加外力，使之发生变形。 一般说来，远离震源处，震源作用力微小、作用时间短暂，一些特殊岩相（如干沙等）除外，岩石表现为弹性体。因此，在岩石中产生的机械振动可以看成是弹性介质中的弹性振动。所以说地震波是在地下岩层中传播的弹性波，这就意味着对实际介质的理想化。,弹性理论的基本假设, 构成弹性体的物质应是连续的，充满了弹性体所占空间而无间断，换言之，要忽略物质的分子结构和原子结构，从宏观上对介质作研究。 物质具有理想的弹性性质，在荷载和卸载时不发生能量的吸收。 处于应力、应变状态的物体，其应力与应变成比例关系；弹性理论通常限于讨论均匀各向同性、完全弹性介质。,一、地震波是在岩石中传播的弹性波 物体受力的三种状态： 永久形变 破坏圈 塑性形变 塑性带 弹性形变 弹性形变区,炸药爆炸在弹性形变区形成弹性波。研究表明弹性波在近距离内仍会发生较大变化，传播一定距离（几百米）后便相对稳定，形成地震子波，并被认为在以后的传播中，地震子波已不发生大的变化。,二、地震波的形成,1、地震子波：当地震波传播一定距离后，其形状逐渐稳定，具有2-3个相位，有一定的延续时间的地震波，称为地震子波，它是地震记录的基本元素。 地震子波在继续传播的过程中，严格来讲其幅度和形状都会发生变化，近似可以认为地震子波的形状基本不变，但其振幅有大有小、极性有正有负，到达接收点的时间有先有后。,2、地震子波的传播,地震勘探原理（实质） 利用地震子波从地下地层界面（或岩性界面）反射回地面时带回的双程旅行时信息（运动学）和幅度、形状（动力学）等变化的信息来研究界面的埋深及界面上下岩性变化的。,1）振动图（振动曲线） 反映了地震波在传播过程中某一个质点随时间振动的特点。 特征量：周期，振幅，频率 周期：质点完成一次振动所需要的时间，T 振幅：质点振动时偏离平衡位置的最大位移，A 频率：质点在一秒钟内振动的次数，f,3、地震波的特征,2）波剖面(波形曲线) 反映了在某一时刻各质点位移之间的关系。 特征量：波长，波数，波的传播速度 波长：波在一个周期里所传播的距离，两个相邻波峰或波谷之间的距离。 波数：波长的倒数， 传播速度：,振动是一点的运动，波动是振动的传播，即介质整体的运动。 振动传播的速度为波速，与质点本身运动的速度无关。波速有限是波动的必要条件。 波动伴随能量传播。 频率、周期、振幅、波长、速度、视速度、视波长 正弦波：质点振动为简谐振动的波。 速度和波长是沿着波的传播方向来考虑问题的。 若沿着其他方向，则讨论的是视速度和视波长。,3）频谱 振动的分解与合成 一个复杂的振动可以看成是由许多个简单的分振动合成而得到的，每一个分振动都由各自的振幅、频率和相位三个量确定。 合成的振动可以分解成组成它的各个分振动，这叫振动的分解。,周期振动的频谱 一个复杂的周期振动可以分解为若干个不同频率与振幅的振动，并且这种关系是唯一的。 一般用振幅谱和相位谱可以表示一个复杂的周期振动。振幅谱表示分振动的振幅与频率的关系，记为A()，相位谱表示分振动的相位与频率的关系，记为()，只有同时应用振幅谱和相位谱，才能确定已知的周期振动。 在地震勘探中主要研究的是振幅谱，一般又将它简称为频谱。 复杂的周期振动是有限个简谐振动迭加的结果，所有它的频谱是一些直线段，又叫线谱。,两个不同频率的谐振动迭加图,(a) (b) (a+b),频谱图,非周期振动的频谱 非周期振动是无限个不同频率（连续变化的频率）、不同振幅、不同相位的简谐振动迭加的结果，所以其频谱是一条连续的曲线，称为连续谱。 地震波是一种非周期振动。,非周期振动图,频谱图,地震波的频谱,4）波前和射线,某一时刻空间所有刚刚开始振动的点构成的曲面，称为该时刻的波前(波阵面)。 所有刚刚停止振动的点构成的曲面，称为该时刻的波尾(波后)。,波面等相面：介质中所有同时开始振动的点连成的曲面。它们的振动是同相的。是波前的“遗迹”。 根据波面的形状可以划分波的类型：球面波、平面波、柱面波，在一定条件下，地震勘探中往往认为波面为平面。,与物理学中的几何光学相类似，地震波的运动学是研究地震波波前的空间位置与其传播时间的关系，采用波前、射线等几何图形来描述波的运动过程和规律（如反射定律、透射定律、斯奈尔定律、费马原理、惠更斯原理等），因此称作几何地震学。,波前以外的质点还没有开始振动，波尾以内的质点已经停止振动，只有波前与波尾之间的质点正处于不同强度的振动状态，这个区间称为振动带。 波从一点传播到另一点的路径叫做射线(波线)。 射线和波前是互相垂直的。,三、地震波的传播规律,1、惠更斯(Huygens)原理波前原理 波在弹性介质中传播时，任意时刻波前面上每一点都可以看作是一个新的点震源，这些点震源发出的子波波前的包络面，就是新的波前面。 子波是以所在点处的波速传播的。 根据惠更斯原理，可利用作图方法确定在传播过程中所有时刻波前面的位置,进而研究波的传播规律。,旅行时,旅行时,、费马(Fermat)原理射线原理或最小时间原理 地震波沿射线传播的时间小于沿其它任何路程传播的时间。也就是说波沿所花时间最小的路程传播。 用于确定地震波在已知传播速度的介质中的射线形状。,第二节 地震波的类型,一、纵波和横波 1、概念 纵波（P波）：质点的振动方向与波的传播方向一致的波，有时也称为压缩波或疏密波。 横波（S波）：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，有时也称为切变波。,2、纵、横波速度的比较,在地层介质中，纵、横波的传播速度取决于介质的弹性和密度。 纵波速度： 横波速度： 为介质的密度 ， 为弹性常数，均为正值。,纵波速度大于横波速度。对自然界中常见的岩石来说，=0.25。=1.73, 横波速度最多达到纵波速度的0.707倍。 0.05(坚硬岩石) 0.45（松软介质） 液体中不产生切应变，即=0，VS =0 。液体中不传播横波，只传播纵波。液体中=0.5,纵横波速度比：,上式可以统一用泊松比来替代：,纵、横波比较,理想的流体中不存在横波。利用纵横波速度比值的变化来识别真假亮点或检测油气藏的存在及范围就是运用流体的这一特性。 由于在流体中横波速度等于零,所以储层中含油气后,Vs变化不大，而Vp明显下降,于是 的数值会降低，所以利用 数值减小这一特征作为判断油气存在的一个依据；利用 数值的横向变化，有可能确定油气藏的边界。,二、与地震勘探有关的其它地震波,1、体波和面波（按波动所涉及的空间范围而言） 体波：当纵波和横波在介质的整个立体空间中传播时合称体波。 面波：在自由表面或不同弹性介质的分界面上传播的一类特殊波。最常见的面波是沿地面传播的瑞利波。其特点是低速（通常小于横波速度）、低频、强振，是一种干扰波。,二、与地震勘探有关的其它地震波,2、同类波和转换波（依据入射波入射到分界面后产生的波的性质而言）与入射波类型相同的反射或透射称为同类波，反之则称为转换波。 纵波入射时，既可以产生反射纵波和透射纵波，也可以产生反射横波和透射横波，前者称为同类波，后者称为转换波。 当入射角不大时，转换波的强度很小；当地震波垂直入射时不产生转换波。,二、与地震勘探有关的其它地震波,3、直达波（以传播路径的特点来划分）由震源出发没有遇到分界面（没产生反射）而直接到达接收点的波。用于区别反射波。 4、有效波和干扰波（产生的地震波对地震勘探是否有用而言） 在地震反射波勘探中，习惯上我们把地震一次反射波称为有效波，而把妨害记录有效波的其它所有波都称为干扰波。如面波、多次波，直达波、折射波有时也是干扰波。,二、与地震勘探有关的其它地震波,5、多次波：在一个或几个界面中经过两次或两次以上重复反射或折射而到达地面的地震波。多次波是一种干扰波。,微屈（层间）多次波 虚反射,全程多次波 短程多次波,二、与地震勘探有关的其它地震波,6、由特殊地质体产生的一些特殊波 1）断面波：由于断层面上下地层岩性、物性的差异而产生的波阻抗差引起的沿着断面产生的地震波。是确定断层的依据之一。 2）回转波：满足一定深度和曲率条件的地下凹界面上产生的反射波。 3）绕射波：当地震波传到断层的断点、地层的尖灭点或地层不整合的突变点时，这些点将会形成新的震源，再次发射球面波向四周传播，这种波称为绕射波。它是利用价值最大的特殊波,第三节 分层介质中的地震波,一、反射波和透射波 1、概念 当下行的地震波到达两种介质的分界面时，其中的一部分又回到了上层介质中，这种波称为反射波；另一部分穿过界面到达下伏介质中的地震波称为透射波。 波阻抗：地震波传播速度与介质密度的乘积（Z= V） 。它是研究界面上地震波反射强度的一个重要参数。,2、形成地震反射、透射的条件,1）反射条件：Z1Z2 界面上下存在有波阻抗差。 反射波的性质：界面上下的波阻抗差越大，反射波就越强；反射角等于入射角；反射线、入射线、界面上反射点的法线在一个平面内。,O,S,入射波,2、形成地震反射、透射的条件,2、透射条件 入射角小于或等于临界角的前提下均可产生透射。 透射角与入射角符合折射定律；透射线和入射线、界面点的法线在一个平面内。,二、反射、透射波的一些基本概念,1、反射系数 R=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）=（22- 11）/ （22+ 11），表征界面反射强度的一个主要参数 当地震波垂直入射到某一界面时 Ar=RAi 2、反射极性 Z2Z1，R0 反射波与入射波的极性相同； Z2Z1 ，R0 反射波与入射波的极性相反； 利用反射波的极性可以判别地下地层的性质，研究地下地层剖面中的储集层。,Ar:反射波振幅； Ai：入射波振幅,二、反射、透射波的一些基本概念,3、透射极性 透射系数：T=1-R 从波阻抗来看，无论界面上、下波阻抗值的大小，透射系数总是正的，透射波的相位总是与入射波的相位一致即极性相同。（T+R1）,4、斯奈尔(Snell)定律： 综合反射定律和透射定律，可以得到斯奈尔定律。斯奈尔定律描述了相互之间的关系,参量称为射线参量，它决定于波的入射角度。,三、地震勘探的实现,1、实际的地层剖面中，由于沉积时的岩性差异或是沉积间断，界面上下的岩层的物理性质往往会产生显著的差异，因而均能形成良好的反射界面； 2、实际地层剖面中，只要有波阻抗差就会产生反射，所以存在的反射界面有很多； 3、反射波的振幅与反射界面的反射系数的大小成正比。,四、地震勘探中的折射波,1、折射波的产生 条件： Z2Z1；入射角等于临界角。 滑行波：当入射角等于临界角时，透射波的射线与界面平行，以下界面的地震波速度沿界面滑行传播的波。 折射波：滑行波在滑行的过程中，下层介质中的质点就会产生振动，形成新的震源，并在上层介质中产生新的地震波。,滑行波,透射波,折射波,折射波、滑行波,Z1,Z2,i,临界角,i,Z1 Z2,折射角,地面,2、折射波的传播途径,折射波的行程及传播时间与界面的深度、产状有关；,3、折射勘探的原理：利用折射波传播时间中的界面深度及产状信息来研究浅层地层的产状、低速带的厚度、速度等。,4、折射勘探的目的：测量浅层低速带的厚度及其变化、低速带的速度等。,5、折射波的特点,V2大于V1且入射