地球物理勘探_第1章_地震波动力学基础-参考1.pdf

地震勘探简介 地震勘探 以同岩 矿 石间的弹性差异为基础 通 过观测和研究地震波在地下岩层中的传播规律 借 以实现地质勘查找矿目的的物探方法 应用领域 主要用于油气田 煤田地质构造的勘探 地壳测深 工程地质勘察等 地震勘探的分支方法 1 折射波法 2 反射波法 3 透射波法 4 面波法 等 地震勘探技术的流程 1 理论研究 2 野外资料采集 3 室内数据处理 4 地震地质解释 等 地震反射波勘探的基本原理 在地表附近激发的地震波向下传播 遇到不同介质 地层 分界面产生向上的反射波 检测 记录地 下地层界面反射波引起的地面振动 可以解释推断 地下界面的埋藏深度 地层介质的地震波传播速 度 地层岩性 孔隙度 含油气性等 最简单的是根据反射波到达地面的时间计算地下界 面的深度 基本公式为 反射波法的主要优点是 在一定的条件下 可以查 明从地表到地下数千米的整个地层剖面内各个构造 层的起伏形态 甚至是地层岩性特征 1 2 Hvt 地震反射波勘探的基本原理 地震勘探原理示意图地震勘探原理示意图 地震反射波勘探的基本原理 在地表一 点激发地 震波 并 且接收来 自地下界 面的反射 波 这种 工作方式 被称为自 激自收 12345678910 砂岩砂岩 泥岩泥岩 灰岩 界面 灰岩 界面 1 界面界面 2 地面检波器地面检波器 地震勘探原理示意图 x z x t 12345678910 r1 r2 界面上法 向入射 地震波传播理论 地震勘探是以认识地下的地质结构为目的 以研究 地震波在介质中的运动形式和传播规律为基本内容 的勘探方法 地震波的传播规律就是能量在介质中的传播规律 表现为波函数的振幅 频率 相位等属性在传播过 程中的变化 称为地震波的动力学特征 是地震学 和地震勘探的理论基础 脉冲地震波到达介质空间各点的旅行时间是空间位 置的函数 传播时间与空间位置的关系 称为地震 波的运动学特征 是地震波动力学的简化 具有非 常重要的实际意义 早期的地震勘探技术 基本上可以认为 运动学特征是地震波对地质体的 构造响应 而动力学特征则更多的反映地质体的岩 性特征 有时也反映地质体的结构特征 地震勘探的方法和技术是在运动学理论的基础上建 立和发展起来的 在很长的一段时间内 动力学特 征只被定性地利用 起辅助的作用 这与地震勘探 技术水平 包括野外资料采集仪器和室内数据处理 设备 和石油勘探对地震技术的要求等因素有关 在早期 地震勘探采用光点和模拟磁带地震仪采集 数据 在地质构造相对简单的地区寻找构造圈闭 仅用地震波的运动学特征就可以胜任 近期的地震勘探技术 20世纪70年代以后 石油勘探面临的任务是复杂地 表和 或复杂构造探区 以及各种复杂油气藏 如 地层 岩性油藏 运动学理论无法正确解释复杂 地质条件下的波场 更无法根据时间场预测地层岩 性特征 这就需要利用地震波的动力学特征 与此 相适应 野外数字记录和室内数字处理技术的推广 也为地震波动力学信息的应用提供了可能 这种必要性和可能性的结合 促使地震波动力学理 论的实际应用有了飞速的发展 这些进展中最有代 表性的是亮点技术 波动方程偏移 波阻抗反演 地震模拟等 地震勘探因此从单纯的构造研究过渡 到研究岩性 岩相甚至直接找油的新阶段 第一章 地震波动力学简介 完整的地震波传播理论包括介质的弹性性质及波在 介质中的传播规律两部分 由于实际介质的复杂性 研究中都是采用简化模 型 随着研究的深入 简化模型的复杂程度越来越 高 越来越趋近于真实介质 波的运动规律与介质结构和性质之间有着内在的联 系 为探测地下介质 地层 的结构和性质 研究 地震波在其中传播的基本物理原理是必要的 包括 研究地震波的激发 形成 传播 分裂 转换 吸 收衰减等一系列的特点 为正确地运用地震资料解 释地下的地质结构奠定必要的理论基础 Dynamics kinetics of seismic wave 地震波动力学简介 地震波动力学是指研究地震波的振幅 频率 相位 等属性参数在传播过程中动态变化规律的科学 是 描述地震波传播的完整理论 是地震学和地震勘探 等领域的理论基础 也称波动地震学 内容提要 1 1 弹性理论概述 1 2 地震波的类型 1 3 地震波的描述 1 4 地震波的传播 1 5 岩石介质的地震波速度 1 1 弹性理论概述 主要内容 1 1 1 地震介质的概念 1 1 2 应力与应变 1 1 3 弹性参数 1 1 4 波动方程 1 1 1 地震介质的概念 地震勘探中将地层叫做介质 由于地震勘探是研究人工激发的地震波在岩层中的 传播规律来探测地下地质体的的存在和确定岩土物 理力学参数的地球物理方法 它的地球物理前提是 岩矿石间的弹性差异 因此需要研究介质的弹性性 质 介质 media 弹性 elasticity 弹性的 elastic 1 弹性介质与粘弹性介质 固体力学中指出 任何一种物体受外力作用后 其 内部质点就会产生相互位置的变化 使固体的体积 大小和形状发生变化 统称为形变 外力取消后 由于内力作用 固体恢复原来状态的 这种性质称为弹性 保持形变状态的性质称为塑 性 地震勘探的实际介质大多是固体 按照在外力作用 下的形变特征可以将其分为弹性体和塑性体两类 如果外力取消后 形变物体能完全恢复到原来状 态 称为理想弹性体或完全弹性体 反之 如果 完全保持形变后的状态就称之为理想塑性体 弹性介质与粘弹性介质 自然界中的大部分实际介质 在外力作用下即可 显示弹性 又可显示塑性 除温度 压力等影响 因素外 还与外力的大小和作用的时间长短有 关 在外力很大 作用时间很长的情况下 大部 分物体表现为塑性性质 在外力很小 作用时间 很短的情况下 大部分物体都表现为弹性性质 实际岩石在任何条件都不会是理想的弹性或理想 的塑性 而是两种性质并存 称为粘弹性 但在 过去较少考虑岩石的粘弹性 而是视为弹性介质 随着研究的深入 岩石介质的粘弹性得到了越来越 多的重视 2 各向同性介质与各向异性介质 对某一特定岩层 如果沿不同方向测定的物理性质 均相同 称为各向同性介质 否则就是各向异性介 质 各向同性介质 各向异性介质 xyz vvv xyz vvv x y z 3 均匀介质与非均匀介质 如果介质的弹性性质与坐标位置无关 就称为均匀 介质 如速度 v c 常数 否则 v f x y z 就称为非均匀介质 x y z 4 层状介质与连续介质 非均匀介质中 如果介质的性质表现出成层性 称 为层状介质 其中每一层是均匀介质 不同介质层 的分界处称界面 平面或曲面 两个界面之间的 间隔称为该层的厚度 将速度是空间连续变化函数的介质称为连续介质 连续介质可以视为是层状介质的层数无限增加 每 层厚度无限减小的一种极限情况 如果 称为线性连续介质 0 1 vvz 线性连续介质层状介质 界面 5 单相介质与双相介质 只考虑单一相态的介质称单相介质 即把组成地层 的岩石都视为单一固体相 由于岩石往往由两部分组成 一部分是构成岩体的 骨架 称基质 另一部分是由各种流体或气体充填 的孔隙 由于地震波经过岩石基质和流体孔隙传播 的速度不同 因此从波传播来说 这种岩石是由两 种相态组成 称这种岩石为双相介质 双相介质 考虑孔隙和流体 单相介质 不考虑孔隙和流体 1 1 2 应力与应变 弹性体的力学性质主要在力的作用所产生的应力和 应变 描述应力和应变之间关系的弹性系数 以及 描述力的作用在介质内传播规律的波动方程 主要内容 1 应力与应变 2 弹性系数 3 波动方程 1 1 2 应力与应变 应力与应变是描述弹性介质所受外力及其形变的概 念 应力 弹性体受力后产生的恢复原来形状的内力称 内应力 简称为应力 应力和外力相抗衡 阻止弹 性体的形变 应变 弹性体受应力作用 产生的体积和形状的变 化称为应变 对于弹性体 在弹性限度内 应力与应变成正比 1 应力 对于一个均匀各向同性的弹性圆柱体 设作用于s 面上的法向力为 F 若力 F 在 s 面上均匀分布 则 应力定义为 Pn F s 若外力 F 分布不均匀 可以取一小面元 s 作用于 小面元上的力为 F 则应力定义为 数学上 单位横截面上所产生的内聚力称为应力 lim n FdF P sds F F1F2 正应力与切应力 对于介质内任意方向的一个截面积 在其上存在的 力可以是任意方向的 根据力的分解定理 可以分 解成垂直于面元的应力 法向应力即正应力 平行 于面元的应力 切向应力即切应力 正应力 切应力 F xx yy zz xy xz yx yz zx zy yx yz zx zy xx yy zz 前脚标代表面的法向 后脚标表示力的方向 xy xz x y z 2 应变 物理定义 弹性体受应力作用 产生的体积和形状 的变化称为应变 只发生体积变化而形状不变称为 正应变 只发生形状变化的应变称切应变 弹性理论中 将单位长度所产生的形变称应变 如 柱体原长为 长度的变化量为 则正应变 为 矩形的切应变描述为 伸长前伸长后形变前形变后 ii ji 正应变正应变 i L i L j L i L i L iiii eLL tan jiij eLL i L 3 应力与应变的关系 应力与应变成正比关系的物体叫完全弹性体 虎克 定律表示了应力与应变之间的线性关系 对于一维弹性体 虎克定律为 F 外力 x 形变 k 弹性系数 对于三维弹性体 用广义虎克定律表示应力与应变 之间的关系 即 式中 应力和应变均为二阶张量 弹性 系数为四阶张量 Fkx 3 33 3 3 33 3 Ce 3 3 3 3 e 3 3 3 3 C 3 1 ijijklkl k l C e 广义虎克定律的展开式 将应力与应变的双下标 张量形式 变形为单下标 向量形式 广义虎克定律形式变为 1111213141516171819 2212223242526272829 3313233343536373839 4414243444546474849 55152 6 7 8 9 xx yy zz xy xz yx yz zx zy CCCCCCCCC CCCCCCCCC CCCCCCCCC CCCCCCCCC CCC 1 2 3 4 553545556575859 6616263646566676869 7717273747576777879 818283848586878889 919293949596979899 xx yy zz xy xz yx yz ee ee ee ee eeCCCCCC eeCCCCCCCCC eeCCCCCCCCC CCCCCCCCC CCCCCCCCC 8 9 zx zy ee ee 广义虎克定律的简化 应力与应变各自具有对称性 即和 因此 只有 6 个分量相互独立 所以弹性系数张量 由 81 个分量减少为 36 个分量 11111213141516 22212223242526 33313233343536 4414243444546 5515253545556 6616263646566 xxxx yyyy zz yz zx xy eeCCCCCC eeCCCCCC eCCCCCC CCCCCC CCCCCC CCCCCC 4 5 6 zz yz zx xy e ee ee ee ijji kllk ee 实验表明 对于大多数固体介质 在微小应变的情况下 即在弹性限 度内 关于应力与应变间的单值线性关系的假定是满足的 该定律 虽无法有实验直接检验 但由其导出的一些结果经检验在弹性限度内 是正确的 广义虎克定律的简化 由于弹性能量是应变的单值函数 可以证明 系数 矩阵中 描述介质性质所需的系数减少到 21个 11112131415161 222232425262 3333435363 4444546 55556 66 21 3132 414243 5 6 1525354 6162636465 xxxx yyyy zz xy yz zx C CC CCC CC CCCCCC CC C ee CCCCCee CCCCe CC CCC C C C C C 4 5 6 zz xy yz zx e ee ee ee ijji CC 当介质存在对称轴或对称面等简化特性时 弹性性质进一 步简化 所需系数进一步减少 广义虎克定律的简化 介质中 不同点的弹性性质相同的介质称为均匀介 质 不同方向的弹性性质相同的介质称为各向同性 介质 对于这样的均匀各向同性完全弹性介质 独 立的弹性系数只有两个 11111213141516 222223242526 3333343536 4444546 21 3132 414243 51525354 616263646 5555 65 6 66 xxxx yyyy zz yz zx xy C CC CCC C eeCCCCCC eeCCCCC eCCCC CCC CC C CCC CCCCC 4 5 6 zz yz zx xy e ee ee ee 哪两个 1 1 3 弹性系数 弹性系数是描述弹性介质弹性性质的一组参数 由于研究的角度不同 提出的弹性参数也不同 主要有 1 杨氏模量 2 泊松比 3 体变模量 4 剪切模量 5 拉梅系数 上述弹性系数并不是相互独立的 而是具有一定 的关系 可以相互转换 1 杨氏模量 用来表示膨胀或压缩情况下应力与应变的关系 也 称为压缩模量 数学定义 物体受胀缩力时应力与应变之比 设沿 x方向受应力为 F s 产生的应变为 L L 则杨氏弹 性模量为 物理定义 杨氏弹性模量表示固体对所受作用力的 阻力的度量 固体介质对拉伸力的阻力越大 则杨 氏弹性模量大 物体越不易变形 反过来说 坚硬 的不易变形的物体 杨氏弹性模量大 F s E L L 2 泊松比 在拉伸变形中 物体的伸长总是伴随着垂直方向的 收缩 所以把介质横向应变与纵向应变之比称泊松 比 显然泊松比是表示物体变形性质的一个参数 如果 介质坚硬 在同样作用力下 横向应变小 泊松比 就小 可小到0 05 而对于软的未胶结的土或流 体 泊松比可高达0 45 0 5 一般岩石的泊松比为 0 25左右 液体的泊松比可达最大值0 5 d d L L nu nju FF 拉伸前拉伸后 3 体变模量 设一物体 受到静水柱压力 P 的作用 产生体积形 变 但形状未发生变化 在这种情况下的应力与应 变的比称为体变模量 V其中是物体的原体积 V是体积变化量 负号 表示体积随 P 的增大而减小 体变模量表示物体的抗压性质 有时也称为抗压缩 系数