第三章 地震波动力学

1、第三章第三章 地震波动力学地震波动力学第一节第一节 地震波的频谱分析地震波的频谱分析第二节第二节 地震波的能量分析地震波的能量分析第三节第三节 影响地震波传播的地质因素影响地震波传播的地质因素第四节第四节 地震记录的分辨率地震记录的分辨率地震波动力学地震波动力学 地震波动力学：研究地震波在运动状态中地震波动力学：研究地震波在运动状态中的能量、波形、频谱等特征及其变化规律的能量、波形、频谱等特征及其变化规律的一门学科，它是地震资料地层、岩性解的一门学科，它是地震资料地层、岩性解释的基础。释的基础。 实质：动力学特征与地层结构、岩石性质、实质：动力学特征与地层结构、岩石性质、流体性质等有较好的内在

2、联系。流体性质等有较好的内在联系。 目的：研究地层、岩性、沉积、圈闭甚至目的：研究地层、岩性、沉积、圈闭甚至直接检测油气。直接检测油气。第一节第一节 地震波的频谱分析地震波的频谱分析一、频谱的概念一、频谱的概念1 1、频谱、频谱: : 组成一个复杂振动的各个谐振动组成一个复杂振动的各个谐振动分量的特性与其频率关系的总和称为该振分量的特性与其频率关系的总和称为该振动的频谱，包括振幅谱和相位谱。动的频谱，包括振幅谱和相位谱。 一个复杂的振动信号，可以看成是由许多一个复杂的振动信号，可以看成是由许多简谐分量叠加而成；这些简谐分量及其各简谐分量叠加而成；这些简谐分量及其各自的振幅、频率和初相，就叫做复

3、杂振动自的振幅、频率和初相，就叫做复杂振动的频谱。的频谱。2 2、频谱分析的数学工、频谱分析的数学工具具 傅立叶变换（分析）：傅立叶变换（分析）：满足一定条件的满足一定条件的一个任意周期函数可以展成傅立叶级数，一个任意周期函数可以展成傅立叶级数，即展成许多即展成许多谐振动函数的和。谐振动函数的和。 谐振动：具有一定的初始振幅、相位和频谐振动：具有一定的初始振幅、相位和频率的振动。率的振动。 单个的地震子波可以看作是一个谐振动单个的地震子波可以看作是一个谐振动 每一道上的地震记录（由无数个地震子波每一道上的地震记录（由无数个地震子波组成）可以看成一个复杂振动。组成）可以看成一个复杂振动。二、地震

4、波频谱资料的获得二、地震波频谱资料的获得1、知道时间函数的具体形式、知道时间函数的具体形式 f(t)，可以直可以直接用付氏变换公式计算频谱接用付氏变换公式计算频谱F()dtetfFtj)()(deFtftj)(21)(二、地震波频谱资料的获得二、地震波频谱资料的获得2 2、知道信号的图形，但不知道具体的函数、知道信号的图形，但不知道具体的函数关系。关系。（1 1）模拟方法：）模拟方法： 把波形变成一个连续的电信号，用频谱把波形变成一个连续的电信号，用频谱分析仪进行频谱分析。分析仪进行频谱分析。（2 2）数字磁带方法：）数字磁带方法： 把记录到的离散化的地震信号（振幅把记录到的离散化的地震信号（

5、振幅值），利用离散付氏变换或快速付氏变换值），利用离散付氏变换或快速付氏变换（FFTFFT），），在数字计算机上计算出地震信号在数字计算机上计算出地震信号的频谱。的频谱。三、描述频谱的参数三、描述频谱的参数1、主频：频谱曲线极、主频：频谱曲线极大值所对应的频率大值所对应的频率（ 0）称为频谱的）称为频谱的主频。主频。2 2、频宽（带宽）：振、频宽（带宽）：振幅谱等于最大值的幅谱等于最大值的0.7070.707倍处的两个频倍处的两个频率值之间的宽度。率值之间的宽度。 = 2- 1四、地震波频谱特征及其应用四、地震波频谱特征及其应用1、各种地震波的频谱特征、各种地震波的频谱特征 与地震勘探有关的一

6、些波的频谱特点与地震勘探有关的一些波的频谱特点 面波频率低面波频率低（10-3010-30HzHz）；）； 反射波主频（反射波主频（30-5030-50HzHz）；）； 深层反射频率更低；深层反射频率更低； 声波频率较高，大于声波频率较高，大于100100HzHz； 工业交流电，工业交流电，5050HzHz左右窄带；左右窄带；2 2、影响频谱的因素、影响频谱的因素（1 1）激发条件对地震波频谱有影响：药）激发条件对地震波频谱有影响：药量大，频谱向低频方向移动；岩石致密，量大，频谱向低频方向移动；岩石致密，频谱向高频方向移动；频谱向高频方向移动；（2 2）不同类型反射波频谱有差异）不同类型反射波

7、频谱有差异：同一同一界面的反射纵波比反射横波频率较高；其界面的反射纵波比反射横波频率较高；其原因主要是横波的高频成分被吸收严重；原因主要是横波的高频成分被吸收严重；（3 3）相同类型反射波随传播距离增加频）相同类型反射波随传播距离增加频率降低率降低 。； 3 3、频谱资料在地震勘探中的应用、频谱资料在地震勘探中的应用 分析有效波和干扰波在频谱上的差异分析有效波和干扰波在频谱上的差异指导设计地震仪、选择处理参数和野指导设计地震仪、选择处理参数和野外工作方法；外工作方法； 地震波的频谱资料中含有地层、岩性地震波的频谱资料中含有地层、岩性及含油气性信息，可以用来指导地震及含油气性信息，可以用来指导地

8、震资料的地质解释。资料的地质解释。实际应用实际应用 利用主频的高低判别地层岩性的厚薄；利用主频的高低判别地层岩性的厚薄；（薄互层的反射波主频相对岩性相同的厚层薄互层的反射波主频相对岩性相同的厚层较高，随着厚度的增加反射频率会渐渐降低）较高，随着厚度的增加反射频率会渐渐降低） 利用频谱的差异划分岩性利用频谱的差异划分岩性 利用主频的变化来检测含油气性利用主频的变化来检测含油气性。储层。储层含油气后其主频通常会变小。含油气后其主频通常会变小。第二节第二节 地震波的能量分析地震波的能量分析一、研究振幅的意义一、研究振幅的意义 采集方面：激发强的有效波，压制干扰波，采集方面：激发强的有效波，压制干扰波

9、，记录真振幅；记录真振幅； 处理上：保持真振幅，使振幅能更好地与界处理上：保持真振幅，使振幅能更好地与界面上下的岩性结合起来。面上下的岩性结合起来。 解释上：构造解释，地层、岩性解释的基础；解释上：构造解释，地层、岩性解释的基础；波的对比、追踪的依据；划分岩性、薄层厚波的对比、追踪的依据；划分岩性、薄层厚度及其纵横向变化、寻找油气的标志。度及其纵横向变化、寻找油气的标志。二、影响反射波振幅的因素二、影响反射波振幅的因素1 1、激发条件。含水砂岩或粘土中激发；、激发条件。含水砂岩或粘土中激发；低速带以下激发；增大药量（但不可低速带以下激发；增大药量（但不可太大）。激发因素对地震波的影响是太大）。

10、激发因素对地震波的影响是一个常数因子。一个常数因子。2 2、波前扩散。作为球面波的地震波在、波前扩散。作为球面波的地震波在介质中传播时，地震波的振幅与传播介质中传播时，地震波的振幅与传播距离或反射时间成反比，波前扩散因距离或反射时间成反比，波前扩散因子与传播时间有关。子与传播时间有关。二、影响反射波振幅的因素二、影响反射波振幅的因素3、吸收衰减：介质的非完全弹性引起地震、吸收衰减：介质的非完全弹性引起地震波的衰减。由均匀的非完全弹性介质所产波的衰减。由均匀的非完全弹性介质所产生的吸收作用将使地震波的振幅随着传播生的吸收作用将使地震波的振幅随着传播距离的增大呈指数衰减。距离的增大呈指数衰减。岩石

11、岩石吸收系数吸收系数10? (1/m)花岗岩花岗岩0.210.21 0.320.32玄武岩玄武岩0.21 0.21 0.41 0.41石灰岩石灰岩0.04 0.04 0.366 0.366砂岩砂岩0.71 0.71 1.77 1.77页岩页岩0.680.68二、影响反射波振幅的因素二、影响反射波振幅的因素4 4、界面的反射系数、界面的反射系数 由界面上下波阻抗差定由界面上下波阻抗差定义的反射系数是影响振幅的主要因素，反义的反射系数是影响振幅的主要因素，反射系数越大，反射波的振幅越强。由地质射系数越大，反射波的振幅越强。由地质因素引起的这个因素是地震地质解释的主因素引起的这个因素是地震地质解释的

12、主要原理。要原理。5 5、中间界面的透射损失、中间界面的透射损失 理论上，反射波的理论上，反射波的能量加上透射波的能量应与入射波的能量能量加上透射波的能量应与入射波的能量相等，反射波的能量不可能与入射波的能相等，反射波的能量不可能与入射波的能量相等。通常把透射的能量相对反射能量量相等。通常把透射的能量相对反射能量来说，看成是损失。来说，看成是损失。二、影响反射波振幅的因素二、影响反射波振幅的因素6 6、反射界面形态。当地下界面向上凹时，反、反射界面形态。当地下界面向上凹时，反射波的能量将会集中、振幅增强；而当地下射波的能量将会集中、振幅增强；而当地下界面向上凸时，反射波的能量将会分散、形界面向

13、上凸时，反射波的能量将会分散、形成散射、振幅减弱。成散射、振幅减弱。7 7、接收条件、接收条件 指检波器类型和组合方式、记录指检波器类型和组合方式、记录仪的频率特性等。这些因素对一道或一张记仪的频率特性等。这些因素对一道或一张记录来说是相同的也即为常数因子录来说是相同的也即为常数因子 入射角的变化、岩相的变化、波的干涉、各种噪声入射角的变化、岩相的变化、波的干涉、各种噪声的干扰及处理因素等均对振幅有影响。的干扰及处理因素等均对振幅有影响。影响反射波振幅的因素总结影响反射波振幅的因素总结 在前述的众多影响因素中，有些因素可以在前述的众多影响因素中，有些因素可以进行补偿消除影响，如扩散、吸收；有些

14、进行补偿消除影响，如扩散、吸收；有些是常数因子，如激发、接收条件；其它的是常数因子，如激发、接收条件；其它的影响因素影响因素来自地下地质现象的，是我们来自地下地质现象的，是我们所需要的。所需要的。 反射系数反射系数-波阻抗变化、岩性；透射波阻抗变化、岩性；透射损失损失- -了解深层；入射角的变化了解深层；入射角的变化-AVOAVO技术；技术；岩相变化岩相变化振幅横向的变化指示了岩性、振幅横向的变化指示了岩性、岩相变化。岩相变化。总总 结结 地震波运动学：地震波运动学：时间、空间时间、空间 地震波动力学地震波动力学：能量、频率、能量、频率、波形及其变波形及其变化化 地震波的频谱分析：地震波的频谱

15、分析：频谱及频谱分析、频频谱及频谱分析、频谱的特点及其影响因素、频谱的应用等谱的特点及其影响因素、频谱的应用等 地震波的能量分析：地震波的能量分析：研究振幅的意义、振研究振幅的意义、振幅的影响因素幅的影响因素第三节第三节 影响地震波传播的地质因素影响地震波传播的地质因素一、介质和界面对地震波传播的影响一、介质和界面对地震波传播的影响 地震波是在地层介质中传播并且在层面或岩地震波是在地层介质中传播并且在层面或岩性界面上产生反射的。性界面上产生反射的。 地层介质的成层性及剖面上部的不均匀性使地层介质的成层性及剖面上部的不均匀性使地震波的传播方向、运动形式发生改变。地震波的传播方向、运动形式发生改变

16、。 剖面中各界面的质量对波的强度、稳定性也剖面中各界面的质量对波的强度、稳定性也将产生极大的影响。将产生极大的影响。 1、介质的成层性、介质的成层性 真实的地层介质是层状分布的，各层的物性真实的地层介质是层状分布的，各层的物性及波速的差异，可以在地下形成一系列的地及波速的差异，可以在地下形成一系列的地震反射界面，众多反射界面的存在尽管使地震反射界面，众多反射界面的存在尽管使地震波的射线发生偏折，但也是界面上产生反震波的射线发生偏折，但也是界面上产生反射波，从而使地震勘探得以进行的条件。介射波，从而使地震勘探得以进行的条件。介质的成层性是地震勘探有利的、必不可少的质的成层性是地震勘探有利的、必不

17、可少的地质条件。地质条件。 2 2、界面的质量、界面的质量 1 1）显著性：）显著性：界面两侧物性差异程度。地下界面两侧物性差异程度。地下岩层之间物理性质突然的、明显的差异是岩层之间物理性质突然的、明显的差异是获得强反射的有利条件。但是如果太明显获得强反射的有利条件。但是如果太明显就会对深层起一个屏蔽作用。就会对深层起一个屏蔽作用。 2 2）平滑性：）平滑性：地层界面的平滑程度。地下界地层界面的平滑程度。地下界面的凹凸不平会使反射波能量分散，而光面的凹凸不平会使反射波能量分散，而光滑平整的界面是形成连续反射的有利条件。滑平整的界面是形成连续反射的有利条件。 3 3）稳定性：）稳定性：地层界面的

18、延伸长度。地层界地层界面的延伸长度。地层界面横向的稳定性面横向的稳定性 对地震剖面的对比有很大对地震剖面的对比有很大的帮助。的帮助。3 3、剖面上部的均匀性、剖面上部的均匀性（1 1）介质不均匀会产生强烈的吸收和）介质不均匀会产生强烈的吸收和散射，使地震波的传播缺乏规律和不散射，使地震波的传播缺乏规律和不稳定稳定（2 2）表层介质的不均匀性对地震波的）表层介质的不均匀性对地震波的传播影响更大（表层低速带）。传播影响更大（表层低速带）。 表层低速带对地震波激发、接收的影表层低速带对地震波激发、接收的影响。响。二、有利的地震地质条件二、有利的地震地质条件1、地质剖面中存在反射面，其层位与地、地质剖

19、面中存在反射面，其层位与地质界面一致，界面的质量应是显著的、质界面一致，界面的质量应是显著的、平滑的和稳定的，地层倾角不大。平滑的和稳定的，地层倾角不大。2、剖面上部介质结构均匀，有含水层。、剖面上部介质结构均匀，有含水层。无太显著的反射面，表层低速带沉积均无太显著的反射面，表层低速带沉积均匀、厚度不大，地形平坦。匀、厚度不大，地形平坦。第四节第四节 地震记录的分辨率地震记录的分辨率 地震记录是地下地质现象的地震响应。地震记录是地下地质现象的地震响应。 地震记录的分辨率包括：地震记录的分辨率包括： 纵向分辨率纵向分辨率 ：纵向上能分辨岩性单元：纵向上能分辨岩性单元的最小厚度；的最小厚度； 横向

20、分辨率：横向上确定特殊地质体的横向分辨率：横向上确定特殊地质体的大小、范围、位置和边界的精确程度。大小、范围、位置和边界的精确程度。一、纵向分辨率一、纵向分辨率度量分辨能力强弱的两种表示：度量分辨能力强弱的两种表示： 一是一是距离距离表示，分辨的垂向距离或横向范表示，分辨的垂向距离或横向范围越小，则分辨能力越强；围越小，则分辨能力越强； 二是二是时间时间表示，在地震时间剖面上，相邻表示，在地震时间剖面上，相邻地层时间间隔地层时间间隔dtdt 越小，则分辨能力越强。越小，则分辨能力越强。 纵向分辨率通常可以从两个方面来考虑纵向分辨率通常可以从两个方面来考虑 从传播时间上从传播时间上 从地震波波形

21、的变化上从地震波波形的变化上一、纵向分辨率一、纵向分辨率1 1、从传播时间上：、从传播时间上：假设地震脉冲的延续时间假设地震脉冲的延续时间为为tt ，地震脉冲通过地层顶底的双程旅行地震脉冲通过地层顶底的双程旅行时间为时间为 ， =2=2 h/vh/v 当当tt 时，可以根据顶底的反射脉冲时，可以根据顶底的反射脉冲来分辨地层的厚度。来分辨地层的厚度。 当当tt 时，顶底的反射脉冲重叠，不时，顶底的反射脉冲重叠，不易分出地层的顶底界面。易分出地层的顶底界面。 结论：时间上能分辨的地层厚度为结论：时间上能分辨的地层厚度为 tt 或或2h/ v 2h/ v /v v 即即hh /2 /2一、纵向分辨率

22、一、纵向分辨率2、从地震波波形的变化上（振幅）、从地震波波形的变化上（振幅） 地质模型：均匀介质中夹有一地质模型：均匀介质中夹有一楔楔状地层，顶底状地层，顶底界面上反射系数大小相等、符号相反。界面上反射系数大小相等、符号相反。V1V1V2顶界顶界反射反射底界底界反射反射合成合成结果结果+？纵向分辨率的限度纵向分辨率的限度 当顶底之间的反射时间差半个周期时，则当顶底之间的反射时间差半个周期时，则会出现同相叠加，从而表现为振幅的增大。会出现同相叠加，从而表现为振幅的增大。=T/2=2h/V=T/2=2h/V=/2V/2Vhh= =/4/4 纵向分辨率的限度：纵向分辨率的限度： hh /4/4， 只

23、有当地层厚度大于只有当地层厚度大于 /4 /4 时才有可能根据时才有可能根据复合反射的振幅和波形特征分出顶底界面复合反射的振幅和波形特征分出顶底界面实际地层介质中的分辨率实际地层介质中的分辨率 浅层速度低、频率高，地震波波长约浅层速度低、频率高，地震波波长约为为40米，可分辨的厚度为米，可分辨的厚度为10米；米； 深层速度增大、频率降低（约深层速度增大、频率降低（约20Hz）波长大约波长大约250米，地层的分辨厚度为米，地层的分辨厚度为62.5米。米。 浅层的分辨率比深层的分辨率要高。浅层的分辨率比深层的分辨率要高。二、横向分辨率二、横向分辨率1 1、分析思路：、分析思路：S S点自激自收，波

24、在界点自激自收，波在界面面O点产生的反射最早点产生的反射最早到达地面到达地面S点，点，界面界面O点两侧所有点产生的点两侧所有点产生的绕射到达地面的时间绕射到达地面的时间均晚于均晚于O点点 双程时间不晚于半个双程时间不晚于半个周期的界面点所产生周期的界面点所产生的绕射，到达地面的绕射，到达地面S S点点时是相互加强的。超时是相互加强的。超过半个周期的界面点过半个周期的界面点所产生的绕射对地面所产生的绕射对地面S S点的贡献不大。点的贡献不大。BAB t/2*V=(T/2)/2*V = V T/4= /4二、横向分辨率二、横向分辨率2 2、菲涅尔带：以激发点为圆心，以界面至、菲涅尔带：以激发点为圆心，以界面至激发点的垂直深度和在界面点的激发点的垂直深度和在界面点的 /4之和之和为半径画圆，所画圆内包括的界面段，为半径画圆，所画圆内包括的界面段，称为相对称为相对O O 点的菲涅尔带，它是组成反点的菲涅尔带，它是组成反射的最小界面单元。射的最小界面单元。 菲涅尔带的（半径）范围：菲涅尔带的（半径）范围：2/h;16/2/22hOAhOA，则可略去如果ma