地震勘探PPT.pptx

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,*,1,工程物探教程,吉林大学工程技术研究所,GeoPen,7/8/201912:

37AM,2,目录第一章地震勘探的基本原理第二章地震波的动力学特性第三章地震波的时距曲线第四章地震数据采集中的理论问题第五章野外施工方法第六章数据处理技术,GeoPen,地震勘探的基本原理,浅层地震勘探主要是研究人工激发的地震波在岩土体等介质中的传播规律，以探测浅部地层覆盖层界面形态、基岩风化分带及起伏情况、场地内构造的发育状况及展布方向及场地内不良地质情况调查、测定岩土体的力学参数等。

第一节弹性理论基础在工程地震勘探中，除震源四周附近的岩性由于受到震源作用（如爆炸、锤击等）而遭到破坏，远离震源的介质，由于所受的作用力都非常小，且作用时间短，因此地震勘探中，绝大多数岩土体都可以视为理想的弹性体来研究，既然岩土体可作为弹性体来讨论，那么弹性力学中的许多基本理论可以顺利地引用到工程物探中来。

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37AM,3,GeoPen,振动：

对地震波的振动，可以用振动图来描述，所谓振动图是指在某一确定距离处，观察该处质点的位移随时间的变化规律的图形。

振动图是表示介质中某一质点的位移与时间的关系曲线。

在地震记录中的每一道记录都是地震波到达该检波点的振动图。

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37AM,4,GeoPen,波动：

对地震波的波动，可以用波剖图来描述。

所谓波剖图是指在某一确定的时刻，介质质点离开平衡位置的位移随其离震源的距离x变化的图形。

波剖图描述了同一瞬间空间上各质点的振动随距离的变化情况。

简单的说波剖面描述的是振动在空间的传播，即所谓的地震波。

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37AM,5,GeoPen,7/8/201912:

37AM,6,GeoPen,7/8/201912:

37AM,7,第二节地震波的类型及传播特征地震波：

在激发脉冲的挤压下，质点将产生围绕其平衡位置的振动，形成了初始的地震子波，这种振动是一种阻尼振动，在介质中沿射线方向向四面八方传播，形成地震波。

地震波可分为体波和面波。

体波在介质的整个体积内传播，根据其传播特征的不同，又可分为纵波和横波（通常纵波又被称为压缩波、P波，横波又称剪波波、S波）。

纵波：

它是体积形变（即拉伸与挤压形变）在介质中的传递，该波的传播方向和质点的振动方向一致。

在纵波经过的扰动带，会间隔地出现膨胀带，故纵波有时也称压缩波。

地震勘探的基本原理,GeoPen,P-WAVE,S-WAVE,T,周期,7/8/201912:

37AM,8,横波：

是剪切形变在介质中的传递。

该波的传播方向与质点的振动方向相垂直，质点振动在水平平面中的横波分量称为SH波，在垂直平面的横波分量称为SV波。

振幅A,地震勘探的基本原理,GeoPen,面波：

是在自由介质表面或两种不同介质的分界面传播，根据其不同性质，又可分为瑞利波和勒夫波。

瑞利波又称“地滚波”或者R波，是沿介质与大气层接触的自由表面传播的波，其特点是质点大致作反时针方向轨迹为椭圆的运动，其椭圆长轴垂直于介质表面，强度随深度呈指数衰减，但是在水平方向衰减很慢。

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37AM,9,GeoPen,7/8/201912:

37AM,10,在弹性波测试领域，我们主要研究的是纵波、横波和瑞雷波，而勒夫波目前还没有实际应用，因此有必要将这三种波的特点进行对比概括分析，假定各种类型的波在相同的介质中传播。

速度频率频散,VpVsVrFpFsFr瑞雷波在成层状介质中具有频散特性，即,瑞雷波的速度是其频率的函数，也就是说瑞雷波的速度随频率而变化。

能量ErEsEp,地震勘探的基本原理,GeoPen,第三节地震波传播的基本理论在浅层地震勘探中，对地震波传播特征的研究即对地震波波前、波射线的空间位置和旅行时间以及能量变化的研究，是对所得地震资料进行定性与定量解释的依据。

因此，本节主要讨论惠更斯菲涅尔原理、费马原理、互换原理、视速度定理、斯奈尔定律及叠加原理。

一、惠更斯原理在弹性介质中，已知t时刻的同一波前面上的各点，可以把这些点看作从该时刻起产生子波的新振源，经过任何一段时间t时间后，这些子波的包络面就是原波在tt时刻的波前面。

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37AM,11,GeoPen,7/8/201912:

37AM,12,在惠更斯原理的基础上，菲涅尔补充指出，从同一波阵面上的各点所发出的子波，经传播而在空是相遇时，可以相互叠加而产生干涉现象，因此在该点观测到的是总的扰动。

这就使得惠更斯原理具有更明确的意义。

二、费马原理费马原理又称射线原理或最小路径原理，它给出地震波总是沿地震射线传播，以保证波到达某点所用的旅行时间最少。

显然，从一个等时面到另一个等时面，只有垂直距离最短，因此波沿垂直于等时面的方向传播所用旅行时间最少，故地震射线和等时面总是互相垂直的。

有波前和波射线的概念来描述波动是一种简便而清晰的方法。

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37AM,13,地震勘探的基本原理三、互换原理所谓互换原理，是指震源和检波器的位置可以相互交换，而同一波的射线路径不会改变。

即在介质中的A点施加一个力F，该力引起另外一点B的瞬时位移为D（t）。

相反，如果在B点施加一个力F，则在A点会引起同样的瞬时位移D（t）。

互换原理具有普遍性除适用于均匀各向同性的完全弹性介质外，也可用于任意形状界面的弹性介质、不均匀介质和各向异性介质。

该原理在工程地震勘察中应用较广，其中折射波勘探中相遇时距曲线观测系统就是以互换原理为基础的。

GeoPen,地震勘探的基本原理四、视速度定律由费马原理可知，地震波的传播是沿波射线的方向进行的，因此，在观测地震波的传播速度时，也必须和波射线的方向一致才能测得地震波传播速度的真值V。

但是，实际观测的方向往往和波射线方向不一致，因此所测的速度值并不是地震波传播的真实速度，而是沿观测方向，距离和波实际传播时间的比值，这种速度称之为视速度V*。

V*=V/sinaV/cose,7/8/201912:

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37AM,15,1、当=90时，即波沿测线方向入射到观测点时，V=V*，此时波的传播方向就是测线方向，视速度等于真速度；2、当=0时，即波垂直测线方向传播，V*，此时波前同时到达地面各点，各点间没有时间差，好像波沿测线方向传播速度为无限大一样；3、当地震波的入射角由0增大至90时，视速度值V*则由无限大变至真速度V，因此在正常情况下有V*V的关系；4、在均匀各向同性介质中，由于V值不变，视速度V*的变化反映了地震波入射角的变化。

地震勘探的基本原理,GeoPen,地震勘探的基本原理五、斯奈尔定律同光在非均匀介质中传播一样，当弹性波遇到具有弹性性质突变的弹性分界面时，弹性波也要在此分界面上发生弹性波的反射和透射、可以用上述惠更斯原理来解释。

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37AM,17,上述等式反映了在弹性分界面上入射波、反射波和透射波之间的运动学关系，很显然有入射角等于反射角、透射角的大小决定于介质V2的波速，且在一个界面上对入射、反射和透射波都具有相同的射线参数P。

这个定律称为斯奈尔定律，亦称为反射和折射定律。

六、叠加原理若有几个波源产生的波在同一介质中传播，且这几个波在空间某点相遇，那么相遇处质点振动会是各个波所引起的分振动的合成，介质中的某质点在任一时刻的位移便是各个波在该点所引起的分失量的和。

换言之，每个波都独立地保持自己原有的特性（频率、振幅、振动方向等）对该点的振动给出自己的一份贡献，即波传播是独立的，这种特性称之为叠加原理。

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37AM,18,地震勘探的基本原理第四节地震波的振幅及频谱地震波的振幅是地震波能量大小的一种体现，地震波在介质中传播时，其能量不断衰减，能量损失的程度是震源和介质物理性质的函数，影响地震波的振幅的主要因素有：

几何扩散、介质吸收，下面分别介绍。

一、几何扩散在均匀各向同性介质中，地震波的波前面是以震源为球心，一系列半径不断增加的同心球面，于是震源能量在介质中按球面波的形式传播。

这种随传播距离增加而地震波振幅减小的现象，称作球面扩散效应。

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37AM,19,若假设e是半径为r的球面波波前上单位面积的能量，则整个球面的总能量E为：

E=4r2e因为E是常数、所以e反比于r2。

波的能量与其振幅A的平方成正比，即e正比于A2、从而有A正比于1/r,也就是球面波的振幅与距离成反比这种关系定量地表示了球面发散效应，可写成：

A（r）C/rC为任意常数；此式适用于反射波、直达波。

当震源到观测点的距离远大于其临界距离时，折射波的振幅和距离的关系可近似写作：

A（r）C/r2这就意味着折射波随距离的增加其振幅衰减比直达波和折射波要快得多。

地震勘探的基本原理,GeoPen,波前面-等时面,7/8/201912:

37AM,20,波射线,波射线,地震勘探的基本原理,GeoPen,7/8/201912:

37AM,21,地震勘探的基本原理二、介质吸收前面的讨论是假定波的能量在传播过程中不转变为其他形式，实际地层并不是完全弹性和均匀的，因此振动质点间会产生摩擦而使波的能量转变为热能，这一过程称为介质吸收。

介质的弹性性质愈明显则能量损失就愈小胶结好的颗粒致密的地层比质地疏松未固结的地层吸收要弱、因而地表低速带对能量吸收较大。

地震勘探中，用品质因子和吸收系统来表示地层对地震波的吸收。

其中吸收因子是描述波传播一个波长的距离，能量吸收的相对大小。

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37AM,22,此外，地震波在传播过程中，当遇到不同岩层的界面时，将产生波的透射、反射以及波的转换等，若是不平整的介质界面，还会有波的散射，这些过程都会损耗地震波的能量，使波的振幅减小。

三、地震波的频谱地震波为非周期性的脉冲波任何一个波形均可看作是由无限多个频率连续变化的谐和振动叠加而成的。

这些谐和振动的振幅和初相位则随频率的改变而变化；振幅随频率的变化关系称为振幅谱，初相位随频率的变化关系称为相位谱，统称为地震波的频谱。

各种不同震源激发的地震波，或来自不同传播路径的地震波，其波形往往是不同的，也就是说波的频率成分不同。

地震勘探的基本原理,GeoPen,频率相同，幅值不同,7/8/201912:

37AM,23,频率相同，相位不同,地震波频谱特征的分析是地震勘探技术的一个重要方面，根据有效波和干扰波的频段差异，可用来指导野外工作方法的选择，并给数字滤波和资料解译等工作提供依据。

地震勘探的基本原理,GeoPen,7/8/201912:

37AM,24,地震波的频谱分析方法是以傅立叶变换为基础的。

为了研究地震波的频特征，可有傅立叶变换将波形函数变换到频率域中，得到振幅随频率变化的函数，这种变换称之为频谱分析。

地震勘探的基本原理,GeoPen,7/8/201912:

37AM,25,浅层地震波勘探,浅层折射波地震勘探浅层反射波地震勘探,GeoPen,7/8/201912:

37AM,26,浅层地震波勘探,人工震源（如敲击、爆炸等）激发产生的地震波在地下介质中传播时，由于不同类型的岩石往往具有不同的弹性持征（如速度、密度等），当地震波通过这些分界面时，将产生反射、折射，而这些不同类型的波具有不同的传播速度、路径、频率和强度。

浅层地震勘探就是利用仪器记录各种波的传播时间和波形特征、研究和分析这些波形持征的变化规律，推断出有关岩石的性质、结构和几何位置等参数，从而达到工程勘察目的。

工程物探根据波的特征，可分为折射波法、反