海洋地球物理与海底构造学 (23)

1、第二章 海底构造的地球物理研究方法 2.2 地震探测 1.概述 我国海域总面积约我国海域总面积约300300万平方公里。在万平方公里。在茫茫茫茫无际的海底埋藏着的油气田，看不见，摸不着，无际的海底埋藏着的油气田，看不见，摸不着，怎么找到它？怎么找到它？ 目前我国在海上勘探石油和天然气，主要目前我国在海上勘探石油和天然气，主要以地震勘探为主，协调配合重、磁勘探等地球以地震勘探为主，协调配合重、磁勘探等地球物理方法，进行综合海洋地质调查。物理方法，进行综合海洋地质调查。 一、海上地震勘探一、海上地震勘探海洋地震勘探法是利用精密的地震仪，接受由炸药或非炸药震源海洋地震勘探法是利用精密的地震仪，接受由

2、炸药或非炸药震源激发引起地壳弹性震动所产生的地震波，测定海底岩层的埋藏深激发引起地壳弹性震动所产生的地震波，测定海底岩层的埋藏深度和起伏形状，探测海底储油结构和分布情况，寻找油气田。度和起伏形状，探测海底储油结构和分布情况，寻找油气田。2.2 地震探测 1.概述 地震波通过海上人工震源装置连续发射，地震波入地震波通过海上人工震源装置连续发射，地震波入射到海底地层之后，遇到不同的地质界面就会产生反射射到海底地层之后，遇到不同的地质界面就会产生反射波或转换波信号，反射波或转换波信号由检波器接收，波或转换波信号，反射波或转换波信号由检波器接收，经计算机处理后，获得反映地下地质构造和油气藏的各经计算机

3、处理后，获得反映地下地质构造和油气藏的各种资料。种资料。 地震波的传播速度很快，每秒钟达地震波的传播速度很快，每秒钟达2 25 5公里，最快公里，最快可达可达8 8公里，几公里深的岩石界面，只要零点几秒，地公里，几公里深的岩石界面，只要零点几秒，地震波就可反射到海面上来。震波就可反射到海面上来。 地震勘探的施工程序，是把高精密度的数字地震地震勘探的施工程序，是把高精密度的数字地震仪安装在由专门导航定位设备和其它专用装备的舰只仪安装在由专门导航定位设备和其它专用装备的舰只上，把地震检波器组阵组装在密封的聚氯乙烯套管中上，把地震检波器组阵组装在密封的聚氯乙烯套管中成等浮电缆，悬浮在海面下成等浮电缆

4、，悬浮在海面下1010米左右，由船拖曳。米左右，由船拖曳。辅助课件海上地震勘探辅助课件海上地震勘探.mpg.mpg 在距航尾约在距航尾约30304040米处，把激发地震波的非炸药震米处，把激发地震波的非炸药震源沉放到海水下源沉放到海水下1010米左右。船以米左右。船以9 91111公里公里/ /小时的速度小时的速度沿设计的测航线航行，震源间隔沿设计的测航线航行，震源间隔12122020秒之内激发一次，秒之内激发一次，地震仪也以同样间隔时间把海底反射回来的地震波接受地震仪也以同样间隔时间把海底反射回来的地震波接受记录下来，以此进行海上地震勘探的连续观测。然后将记录下来，以此进行海上地震勘探的连续

5、观测。然后将地震记录用电子计算机进行处理，自动绘出地层剖面图地震记录用电子计算机进行处理，自动绘出地层剖面图和构造图。采用这种勘探方法，每日可完成和构造图。采用这种勘探方法，每日可完成100100多公里多公里的剖面测线长度。的剖面测线长度。 我们对海底构造的认识，多数源于对弹性波的研究。我们对海底构造的认识，多数源于对弹性波的研究。二、地震波的传播二、地震波的传播（1 1）海底构造与弹性波）海底构造与弹性波体波体波: :压缩波（纵波、压缩波（纵波、P P波）、剪切波（横波、波）、剪切波（横波、S S波）波）面波面波: :包括瑞利面波（包括瑞利面波（R R波）和勒夫面波（波）和勒夫面波（L L波

6、）波）弹性介质弹性介质: :2.2 地震探测 1.概述32)1 (2323)(2)23(EE（2 2）地震波的传播特点）地震波的传播特点对于对于P P波，波动方程为：波，波动方程为：对于对于S S波，波动方程为：波，波动方程为：P P波、波、S S波速度为：波速度为：)(222222222zuyuxutu)(22222222zuyuxutu)1 ()21)(1 ()1 (2EVsEVp纵、横波速度比：纵、横波速度比：如果已知如果已知P P波、波、 S S波速度，则：波速度，则：5 . 01)21 ()1 (2VsVp 1)(22)(22VsVpVsVp（3 3）地震波的传播速度）地震波的传播速

7、度 地震波的速度是地震勘探中最重要的参数，也是地震波的速度是地震勘探中最重要的参数，也是地震波运动学特点之一。地震勘探研究地下地质构造地震波运动学特点之一。地震勘探研究地下地质构造形态的基本公式是：形态的基本公式是： H是界面的深度，是界面的深度，V是地震波传播速度，是地震波传播速度，t是地震是地震波从地面垂直向下到界面又返回地面的双程旅行时间。波从地面垂直向下到界面又返回地面的双程旅行时间。tVH21地震波传播中的影响因素地震波传播中的影响因素 理论研究和大量实际资料证明，地震波在岩层中理论研究和大量实际资料证明，地震波在岩层中传播速度与岩石地质年代、岩性、埋藏深度、密度、孔传播速度与岩石地

8、质年代、岩性、埋藏深度、密度、孔隙度、压力、温度等因素有关隙度、压力、温度等因素有关。由于目前油气地震勘探。由于目前油气地震勘探主要利用体波，在谈到波速问题时，除非特别说明，一主要利用体波，在谈到波速问题时，除非特别说明，一般都是指般都是指纵波速度纵波速度。与岩石弹性常数的关系：与岩石弹性常数的关系： 由波动方程得到纵波速度由波动方程得到纵波速度 泊松比泊松比 的值变化不大，在大多数情况下约等于的值变化不大，在大多数情况下约等于0.25。一般，随岩石密度一般，随岩石密度 增加，杨氏模量增加，杨氏模量E以更高级次增加，以更高级次增加， 所以当岩石密度增大时，地震波的速度不是减小，而所以当岩石密度

9、增大时，地震波的速度不是减小，而是增大。是增大。)21)(1 ()1 (2EVP近海一般沉近海一般沉积物纵波积物纵波速度速度纵波速度受岩性变化、孔隙度、裂缝等影响不同岩石密度与速度关系曲线不同岩石密度与速度关系曲线岩石岩石P P波速度与压力的关系曲线波速度与压力的关系曲线与孔隙度的关系：与孔隙度的关系： 一切固体岩石的结构基本有两部分组成。其一是岩石骨架，一切固体岩石的结构基本有两部分组成。其一是岩石骨架，其二是孔隙。地震波在这种结构中的传播，实际上相当于在骨架和其二是孔隙。地震波在这种结构中的传播，实际上相当于在骨架和孔隙两种介质中传播。波在双向介质中传播速度与孔隙度成反比。孔隙两种介质中传

10、播。波在双向介质中传播速度与孔隙度成反比。 1956年年Wylie提出了一个简便计算速度和孔隙度关系的平均时提出了一个简便计算速度和孔隙度关系的平均时间方程：间方程： Vm:岩石骨架速度，岩石骨架速度，Vl:岩石孔隙介质速度，岩石孔隙介质速度， :岩石孔隙度岩石孔隙度lmVVV)1 (1与岩层埋藏深度的关系：与岩层埋藏深度的关系： 在岩石性质和地质年代等相同的条件下，地震波的速度随岩在岩石性质和地质年代等相同的条件下，地震波的速度随岩石埋藏深度的增加而增大。石埋藏深度的增加而增大。因为，岩石埋藏越深，年代越久，承受上覆地因为，岩石埋藏越深，年代越久，承受上覆地层压力时间越长，强度越大。层压力时

11、间越长，强度越大。 但当岩石的埋藏深但当岩石的埋藏深度增加到一定数值后，度增加到一定数值后，速度随深度的增加就速度随深度的增加就不明显了，速度随深不明显了，速度随深度增大的垂直梯度浅度增大的垂直梯度浅部大于深部。部大于深部。（4 4）地震波的能量吸收与振幅衰减）地震波的能量吸收与振幅衰减波的能量波的能量E E：频率为频率为f f、振幅为、振幅为A A的波，在体积为的波，在体积为W W、密度、密度为为 的介质中传播时，其能量可表示为的介质中传播时，其能量可表示为 意义意义波的能量波的能量E E与振幅与振幅A A的平方、频率的平方、频率f f的平方以的平方以及介质的密度及介质的密度 成正比。成正比

12、。 WfAE22能量密度能量密度 ：包含在介质中，单位体积内的能量称为能包含在介质中，单位体积内的能量称为能 量密度。量密度。 意义意义波的能量密度波的能量密度 也正比于也正比于振幅振幅A的平方。的平方。波的强度波的强度I I：波前面上波前面上, ,单位时间单位时间 t t、单位面积单位面积 S S的能量的能量（式中（式中V V为速度）为速度） 意义意义波的强度波的强度I正比于正比于振幅振幅A的平方。的平方。22fAWE2AVStStVStWStEI地震波的吸收：地震波的吸收：实际介质中，对地震波的能量具有不同实际介质中，对地震波的能量具有不同程度的吸收作用。程度的吸收作用。品质因素品质因素Q

13、 Q：地震波的吸收可以用品质因素描述。地震波的吸收可以用品质因素描述。Q Q定义：定义：在一个周期（或一个波长距离）内，振动损耗能量在一个周期（或一个波长距离）内，振动损耗能量 E E与与总能量总能量E E之比的倒数之比的倒数 意义意义Q Q值越大，能量损耗越小，介质越接近完全值越大，能量损耗越小，介质越接近完全弹性弹性EEQEEEEQ2;221吸收系数吸收系数 ：波在粘滞介质中传播时，它的振幅被吸收波在粘滞介质中传播时，它的振幅被吸收衰减，衰减的快慢有吸收系数衰减，衰减的快慢有吸收系数 确定确定 式中式中 为波长。为波长。波前扩散（球面扩散）：波前扩散（球面扩散）：随传播随传播距离的增大，波

14、前球面扩展，但总距离的增大，波前球面扩展，但总能量不变，而使单位面积上的能量能量不变，而使单位面积上的能量减少。减少。VQfQ三、地震波的描述三、地震波的描述（1 1）地震波传播的动态特征）地震波传播的动态特征动力学动力学研究地震波传播中振幅、频率、相位的研究地震波传播中振幅、频率、相位的变化规律，了解地震波对地下地质体岩性结构的响变化规律，了解地震波对地下地质体岩性结构的响应。应。运动学运动学研究地震波传播的时间与空间的关系，研究地震波传播的时间与空间的关系，了解地震波对地下地质体的构造响应。了解地震波对地下地质体的构造响应。2.2 地震探测 1.概述 （2 2）地震波振动特征和传播过程的描

15、述）地震波振动特征和传播过程的描述 当震源和传播介质一定时，振动位移当震源和传播介质一定时，振动位移u u是时间和观测是时间和观测位置位置x x的函数，的函数，u=f(t,x).u=f(t,x).若固定一个变量来研究若固定一个变量来研究u u随另一随另一个变量的变化关系，则分别为个变量的变化关系，则分别为振动图和波剖面图振动图和波剖面图。振动图：振动图：显示某一观测点显示某一观测点振动位移随时间的变化振动位移随时间的变化 规律。可反映地震波振动的振幅、振动规律。可反映地震波振动的振幅、振动 周期、延续时间的特征。周期、延续时间的特征。波剖面图：波剖面图：描述某一时刻不同观测点描述某一时刻不同观

16、测点振动位移随振动位移随 距离变化距离变化规律。反映质点振动波长、规律。反映质点振动波长、 该时刻起振点（波前）及停振点（波该时刻起振点（波前）及停振点（波 尾）的特征。尾）的特征。（3 3）地震波的反射和透射）地震波的反射和透射入射波、反射波、透射波与界面法线的关系入射波、反射波、透射波与界面法线的关系 斯奈尔定律斯奈尔定律反射波的形成反射波的形成波阻抗波阻抗Z Z：密度和波速的乘积射角称为波阻抗。上、下两层介质的波阻抗差别密度和波速的乘积射角称为波阻抗。上、下两层介质的波阻抗差别越大，反射波越强。越大，反射波越强。反射系数反射系数R R：反射波振幅和入射波振幅之比称为反射系数。反射波振幅和

17、入射波振幅之比称为反射系数。反射波形成条件：反射波形成条件：地下岩层存在波阻抗分界面，即地下岩层存在波阻抗分界面，即反射系数反射系数R R的取值范围及其极性：的取值范围及其极性： R R有正负值，当有正负值，当R0R0，ZnZn-1ZnZn-1，反射波，反射波和入射波相位相同，都为正极性，地震记录初至波上跳；当和入射波相位相同，都为正极性，地震记录初至波上跳；当R0R0，ZnZn-1ZnV1V2V1的水平速度界面，由斯奈尔定律可知，当入射角大于某的水平速度界面，由斯奈尔定律可知，当入射角大于某临界角临界角i i时，可使透射角等于时，可使透射角等于90900 0，此时透射波以，此时透射波以V2V

18、2速度沿界面滑行。根据斯速度沿界面滑行。根据斯奈尔定律，可求得临界角奈尔定律，可求得临界角i i为为折射波的形成与传播示意图21sinVVi （4）地震波的频谱和振幅）地震波的频谱和振幅振幅谱振幅谱A(f)A(f)和相位谱和相位谱 (f)(f)：地震波随传播距离的地震波随传播距离的增加和深度的加大，波的频率会发生变化，高频成分增加和深度的加大，波的频率会发生变化，高频成分逐渐被吸收，使视周期变大，延续时间增长。研究振逐渐被吸收，使视周期变大，延续时间增长。研究振幅和相位随频率的变化规律，叫频谱分析，前者称为幅和相位随频率的变化规律，叫频谱分析，前者称为振幅谱，后者称为相位谱。振幅谱，后者称为相位谱。复杂周期振动的频谱：复杂周期振动的频谱：一个复杂的周期振动是由