地震勘探与原理

地震勘探与原理
第二章
几何地震学
第二章几何地震学
本章内容提要：Main Content:
在这一章中我们将讨论地震勘探的一些基本原理，这些原理是地震勘探的理论基础。

首先介绍岩石的弹性、地震波的基本概念（类型、描述（振动图、波剖面、频谱、波前、射线〕）；
然后，分析地震波在岩石中的传播速度，最后讨论地震波在分界面上、层状介质中的传播规律以及地震波的频谱和振幅特点。

第一节岩石的弹性
Passage 1 Rock Elasticity Property
本节主要内容：
1．理想弹性介质与粘弹性介质
Ideal Elasticity Media and Plastics Media
2、几种弹性模量（弹性常数）
Some Elasticity Mould/Constant
1．理想弹性介质与粘弹性介质
(Ideal Elasticity Media and Plastics Media)
介质分为：
1)弹性介质：物体受力后，发生形变，但当外力撤消后，即能恢复原状的性质。

2)塑性介质：物体受力后，发生形变，但当外力撤消后，不能恢复原状的性质。

一般，自然界中的任何物体都具有这两种性质，但把它看成是什么性质或说看成是弹性介质还是塑性介质，是与一定的因素有关的，即一个物体是弹性还是塑性介质，除与本身性质有关外，还与外力大小、作用时间长短有关，如弹簧，一般我们都把它看成是弹性体，但
当我们的作用力非常大，并且作用时间很长时，它也变成塑性体（即使除去外力后，弹簧也弹不起来了）
结论1：地震勘探中将地下岩石看做为弹性介质---地震勘探的理论基础
由于在地震勘探中作用力都是很小，且作用时间也很短（一瞬间），故可把地下介质看作以弹性为主，抽象后为弹性介质。

2、几种弹性模量（弹性常数）(Some Elasticity Mould/Constant)
当用相同的力作用于不同的岩石，将可能产生不同的形变，这是因为不同的岩石具有不同的弹性性质，通常可用下述弹性模量（常数）来描述岩石的弹性性质。

(1)杨氏模量（E）：简单拉伸或压缩时，弹性体的相对伸缩△L/L 与应力P之比E＝P/(△L/L)
不同的物体E是不同的,在线性弹性极限范围内,物体的弹性形变满足虎克定律(应力∝应变)
(2)泊松比(σ):弹性体内发生纵向伸长(或缩短)时,伴随产生的横向相对收缩(或膨胀) △d/d与纵向相对伸(缩) △L/L之比值,称泊松比.
σ=(△d/d)/( △L/L) 它是表示形变变化调整的一种尺度.
结论2：不同岩石具有不同的弹性性质
(地震勘探能解决地质问题的地质基础)
1)由于不同埋藏深度,不同地质年代或不同岩性的岩石往往具有不同的弹性模量.这样在一个地质剖面中,就存在许多弹性分界面(即地震界面)；
2)大多数情况下地震界面与地层(地质)界面是一致的。

这就是我们能够用地震勘探方法解决地质问题的客观前提。

第二节地震波的基本概念
Passage 2 Seismic Wave Basic Conception
本节主要内容:
Seismic Wave Basic Conception Include:
1、地震波的形成。

Seismic Waves Formation
2、地震波的基本类型
Seismic Waves Basic Type;
3、地震波的描述。

Seismic Waves Description
2、波动
波动的参数描述
简谐波(正弦波)
波谱的概念
第三节地震波的产生和传播
2、波源
3、地震波传播的形象表征
平面波、球面波
（2）波线(射线)
（3）波形--振动曲线
4、地震波的形成
(Seismic Waves Formation)
假设地下岩石是均匀介质，它的各部位之间存在着弹性联系，当炸药在岩层中爆炸后，应变形成三个区域(Three Range)；
（1）．破坏圈(Destroy Circle/round)
炸药在井中爆炸时，它所产生的高温高压气体对炸药周围的岩石产生了巨大的压力，靠近炸药附近的岩石，由于压力太大的抗压强而被压碎，超过了岩石的抗压强而被压碎，形成了一个空洞的破坏圈。

（2）.塑性带( Plastics Range/band)
在破坏圈内，由于爆炸的能量有一部分在压碎岩石和发热过程中消耗，并随着离开震源距离的增加，炸药爆炸的能量传给越来越多的岩石单元，因而岩石单位体积上的能量将迅速减少，在离开炸药一定的距离时，炸药的能量将小于岩石的抗压强度，此时，岩石虽不再受破坏，但压力还是超过岩石的弹性极限。

因此，这一带的岩石具有塑性形变的特点，在岩石中出现以震源为中心向四周扩张的辐射状的裂
隙，这个地带叫塑性带。

（3）．弹性形变区
( Elasticity Formation Range/rear)
随着离开震源距离的增大，炸药的能量将变得更小。

在这个区域，由于爆炸所产生压力作用变得很小，作用时间很短，所以此区域的岩石已处在弹性限度内，可
以把岩石看成是完全弹性体，整个区域称为弹性形变区。

该区受力后，岩石质点将发生弹性形变，即发生弹性振动，由于岩石部分之间有弹性联系，所以这一部分岩石的质点（形变）又引起它周围各部分岩石的振动（形变〕。

这样的弹性振动将由近及远的传播出去，就形成了在地下岩层中传播的弹性波――地震波。

5、地震波的基本类型—体波和面波
(Seismic waves Basic Type
—Body Waves and Surface Waves)
体波：在介质体积内传播的波
分为：纵波（P））横波（S）
在石油勘探中目前主要是纵波勘探
面波：沿介质的自由界面或界面传播的波
分为：瑞雷面（R）、乐夫波（L）
在石油勘探中它是干扰波---要压制它
在工程勘探的面波勘探中----是有效波。

2、面波( Surface waves)
第四节、地震波的描述
Seismic Waves Description
我们一般是用:
1.振动图Vibration Pattern;
2.波剖面Wave section;
3.频谱图Frequency Spectrum;
4.波前Wave front face;
5.射线Ray 形式来描述地震波。

1、振动图及其特点
Vibration pattern and characters
（1）振动图：
固定一点（X＝X1）
→U＝U（t）→振动图
（2〕描述参数
Description Parameters：
视周期T*：Apparent Period
视振幅A* :
Apparent Amplitude
初至t1 :
The First Arrive/Break
延续度△t：
多个振动图组成一个地震记录
2、波剖面及其特点
Wave Section and Characters
1）波剖面：固定某一时刻(t=t1)→U＝U（X）→波剖面2）参数描述：(Parameters Description)
波峰：(wave Crest )波剖面中最大正位移；
波谷：( wave Trough)波剖面中最大负位移；
视波长λ*：(Apparent Wave Length)两个相邻波峰或波谷的距离，它表示波在一个视周期这传播的距离。

3》描述振幅谱的特征，引入两个参数：
1)主频main Frequency：频谱曲线极大值所对应的频率峰值；
2)频带宽度Frequency Band width)：Δf=f2-f1
若以∣A（f）∣的值为1，可找到对应∣A（f）∣＝0.707的
两个频率值f1,f2，f1,f2的大小反映了脉冲信号的绝大部分能量集中在哪个频率范围内，Δf的大小给出了这个范围的宽窄
4．地震波的波前和射线Seismic Waves Front and Ray.
1>地震波的波前、波尾、扰动带( wave front, Wave Back and
Vibration Range)。

波前(Front Wave)：把某一时刻tk，所有刚刚振动的质点构成的一个空间曲面，叫tk时刻的波前，它是地震波传播的最前沿的空间位置。

在波前位置前面的所有质点的位移都为零，即波还未开始振动.
波尾( Back Wave)：由刚停止振动的所有质点构成的空间曲面，叫tk时刻的波尾，在波尾以内的各质点都已停止了振动，恢复了平静，其质点位移也为零，即波已经传过去了。

2>地震波的射线
(Seismic Wave Ray)
射线(ray)；就是波从一点到另一点传播的路径，它代表了波传播的方向。

射线永远垂直于波前。

Ray Vertical to Wave Front.
第五节地震波的速度
Seismic wave Velocity
本节主要内容：
1．地震波的速度是指地震波在岩层中的传播速度，简称地震速度，有时又叫岩石速度，如常说砂岩速度，页岩速度，泥岩速度。

地震速度是地震勘探中最重要的一个参数，从资料处理到资料解释都要用到速度。

2．影响地震波速度的主要地质因素；
3．速度分布规律及特点；
4. 地震介质的近似(简化)--地震速度的近似
一、地震波速度
Seismic wave Velocity
1．纵波速度：Longitudinal Velocity
2. 横波速度：Transverse /Horizontal wave
3。

纵波速度与横波速度关系：
1．纵波速度：Longitudinal Velocity
纵波速度：
Vp=(E(1-σ)/(ρ(1+σ)(1-2σ)))1/2
=((K+4μ/3)/ ρ)1/2
2. 横波速度：Transverse /Horizontal wave
横波速度：
Vs=(E/2.ρ(1+σ))1/2 =(μ/ρ)1/2
3。

纵波速度与横波速度关系：
Vp/Vs=(2.( 1-σ)/(1-2.σ))1/2 =1.732
同时速度又是一个复杂的参数，即影响速度的地质因素很多。

二、影响地震波速度的主要地质因素分析
Main Geology Factors of Affect Seismic Wave Velocity
V=V(密度、孔隙度、地质年代、孔隙充填物、埋藏深度、构造运动)―是一个多元函数
1.岩石密度、地质年代对地震波速度的影响；
2.地层的埋藏深度对速度的影响；
3.岩石的孔隙度对速度的影响；
4.岩石中的孔隙充填物对速度的影响
1.岩石密度、地质年代对地震波速度的影响---成正比
Density and age of Rock to Seismic Wave Velocity Affect
1》速度与岩石密度、地质年代成正比，
即：密度越大、年代越老――速度越大。

Velocity Directly Proportional to Density , Thickness (Depth), Geology Ages；2》不同的岩石具有不同的速度，不同岩石其密度可能不同――速度就不同，密度大的致密的岩石速度较大
一般：V砂>V页, 火成岩的速度、变质岩的速度>沉积岩的速度
2、地层的埋藏深度对速度的影响
The Secondary: depth of Layer to velocity effect.
1)速度与埋深的变化成正比关系，但并不是线性关系Velocity change/Varity as depth Change and is not Linear.
2)速度变化规律Velocity Varity rule ：
速度变化的梯度（变化率）深层与浅层不同：
浅（中）层大，速度增长快；
深层小，速度增长慢.
3.岩石的孔隙度对速度的影响
The third: Rock Porosity to Velocity Affect
1)一般规律：孔隙度大，则速度就小；
rule is : 1) Porosity Larger→Velocity Small.
2)时间平均方程:Time Average Equation
1/v=(1-φ)/ Vm + (φ/V L)
V—岩石的速度；Vm――岩石骨架的波速；
V L―岩石孔隙中充填物的波速；φ――孔隙度
1956年，威利（Wyliie）等人提出了一个定量计算速度与孔隙度关系的一个方程式由统计表明，当孔隙度由3% 增加到30% 时，速度变化可达60% 。

说明孔隙度是影响速度的重要因素，这个方程又被推广到求砂泥岩中砂，泥的含量。

1/V=(1-P泥/V沙)+(P泥/V泥)
4、岩石中的孔隙充填物对与速度的影响
The Forth: Fill Substance of in Rock to Velocity Affect.
不同的岩石充填物是不同的，所以，波速也不同，如砂岩中充填有油、气时，砂
岩的速度会明显的下降，砂岩速度突降是含油气的标志之一。

三、速度分布规律及特点
Velocity Distribution Law and Character
1、成层性
Formation Layer Character
2、递增性Increase Character
3、方向性Direction Character
4、分区性Location Character
1、成层性
Formation Layer Character
这是沉积剖面中最基本的特点，由于沉积剖面的成层性，所以整个地质剖面可以划分为许多速度不同的速度剖面，
2、递增性Increase Character
速度随深度（埋深）、地质年代增加而递增，但速度变化的梯度（变化率）随埋深而递减。

3、方向性Direction Character
纵向变化梯度大于横向变化的梯度，速度横向有变化，尤其有断层、地层尖灭、不整合，速度会发生突变。

4、分区性Location Character
在不同地区，由于沉积环境不同和岩性变化，速度在平面内的分布具有分区、分带的特点，在不同区域、不同地带，速度随深度的变化规律及其梯度变化形式不
同，一般灰岩发育地区，速度值高，但速度变化梯度小，而在砂岩发育地区，速度V偏低，但速度变化梯度大。

四、地震速度的近似Seismic Velocity Approximate/Real Media Simplify
综上所述，影响地震波速度的原因很多，各个地区的速度分布也很复杂。

地震速度分布规律的复杂性，导致了地震波传播速度的复杂性，给我们在理论上分析问题造成了困难，为了讨论问题的简便，对地下的实际介质作某些简化：
1.均匀介质Even medium ：
2.层状介质Layers medium
3、连续介质
Continuous/Successive Medium：
1.均匀介质Even medium：
特点：
1)速度是常数(constant)；
2)在V－H坐标中是一个平行于H轴的直线；
3)射线是从炮点发出的直射线，波前是以炮点为圆心的同心圆。

2.层状介质Layers medium：
特点：
1)每层中速度相同，不同层中速度不同；
2)在V－H 坐标中是阶梯状；
3)射线是折射线，波前是不同心的圆。

3、连续介质
Continuous/Successive Medium：
特点：
1)速度随深度增加而增加；
2)在V―H坐标中是斜线(线性变化)V(h)=V0(1+βZ) ；
3)射线是曲射线。

波前也是曲面。

第四节地震波的传播规律
Passage 4. Seismic Wave Propagation Law/Rule
本节简介：在这一节中，我们将分析讨论地震波在各种介质的传播规律。

1．首先介绍地震波在传播过程中所遵循的几个原理；
2．然后分析在介质分界面上产生的反射波、折射波、透射波的条件及这些波的特点；
3、最后讨论地震波在层状介质、连续介质中的传播特点。

一、地震波传播的基本原理
Basic Principle of Seismic Wave propagation.
1、惠更斯原理（波前原理）(Front Wave Principle)
2、惠更斯――菲列涅耳原理
3、费马原理（射线原理）、时间最小原理(ray Principle/The Least Time Principle) 1、惠更斯原理（波前原理）
(Front Wave Principle)
这是惠更斯（荷兰科学家）1690年提出的（实验结果），说明波向前传播的规律。

（1）表述：波在传播过程中，任一时刻的波前面上的每一点都可以看作是一个新的点震源，由它产生二次扰动，形成子波前，这些子波前的包络面，就是新的波前面。

这是1690年由惠更斯提出的波前原理。

反映了波传播的空间位置、形
态。

根据这个原理可以通过作图的方法，由已知t时刻波前的位置去求出t+Δt 时刻的波前。

（2）意义：可确定波传播的方向（射线方向）
2、惠更斯――菲列涅耳原理
3、费马原理（射线原理）、时间最小原理
(ray Principle/The Least Time Principle)
二、地震波在分界面上的传播规律
Seismic Wave Propagation Rule in Interface
1、斯奈尔定律（反射――折射定律）(reflection and Refraction Law)
2、反射波形成及特点Reflection Wave Formation and Character
3．透射波的形成及特点(Penetration/Transmission Wave Formation and character)
4．折射波的形成及特点(Refraction Wave Formation and character)
1、斯奈尔定律（反射――折射定律）
(reflection and Refraction Law)
sin (αr)/V1
=sin(αf)/ V1
= sinβ/ V2=P
1) 在地震勘探中，当地震波在地下岩层中传播时，遇到了弹性分界面（即上、下岩层的物性不同），就会发生波的反射、折射、透射现象，形成反射波、折射波、透射波，它们的传播规律仍然满足斯奈尔定律。

2) 界面处会发生波型转换，即纵波入射，横波反射现象
地震波在分界面上的传播规律
2、反射波形成及特点
Reflection Wave Formation and Character
1>反射系数R定义
( Reflection Coefficient)
2>形成反射波的条件( Condition of Reflection Wave Formation)
3>反射波的特点( Character )
1>反射系数R ( Reflection Coefficient)
(1)反射系数定义式：在垂直入射时，反射波和入射波振幅之比，
Ratio of Reflection Wave and Incidence. Wave.
用R 表示。

即R＝A反/A入
(2)物理意义：Physical Meaning地震波垂直入射到分界面后，被反射回去的能量的多少（占入射能量的多少）――说明在界面上能量分配问题(Energy Dispensation Question)。

(3)反射系数计算公式：据反射理论可证明，当波垂直入射到反射界面时，反射系数R为
R＝A反/A入=(ρ2V2 –ρ1V1)/ (ρ2V2 +ρ1V1 )
= (Z2- Z1) / (Z2+Z1)
Z1,Z2分别为上下层介质的波阻抗( Wave Impedance )；
ρ1，ρ2分别为上下层介质的密度( density )；
V1，V2分别为上下层介质的速度( velocity
(4) 反射系数一般形式：
R = (ρn V n –ρn-1V n-1)/ (ρn V n +ρn-1V n -1 )
= (Z n-Z n-1) / (Z n+Z n-1)
(5)反射系数的取值范围(-1—1)区间。

2>形成反射波的条件
( Condition of Reflection Wave Formation)
形成反射波的条件是：上、下介质界面必须是一个波阻抗界面，即波阻抗差不为零。

(Reflect Coefficient not Equate Zero.)
3>反射波的特点( Character )
(1)形成反射波的条件必须是：上、下介质的波阻抗差不为零。

即，R≠0；Formation Reflection Condition: Reflect Coefficient isn't Zero.
（2）反射波的强度取决于R的大小，R大→反射波强；
Reflection Wave Strength Depend on Reflect Coefficient Value. The Large Reflect, The Stronger Reflection.
（3）反射波极性的变化取决于R的正负，
Reflection Polarization Depend on R Positive or Negative.
R>0,正极性，
(反射波与入射波极性一致，正极性)；
R<0，(反射波与入射波极性相反)，
负极性；(国际SEG规定)
3．透射波的形成及特点Penetration/Transmission Wave Formation and character
1》透射系数T
Penetration Coefficient
2》透射波形成条件及特点
Transmission/Penetration Wave Formation
3》透射波的特点
Transmission/Penetration Wave Character
1》透射系数T (Penetration Coefficient)
(1)透射系数定义(definite) ：透射波的振幅与入射波振幅之比，用T表示，即，T=A t /A入
Ratio of Transmission/ Penetration Wave to Incidence Amplitude.
(2)物理含义(Physical Meaning)：入射波的能量有多少转换为透射波能量。

(3)计算公式：据理论证明，当波垂直入射时，透射系数可写为：T=1-R
T= At /A入=(2.ρ1V1) / (ρ1V1+ρ2V2)=2Z1 / (Z1+Z2)
(4) 透射系数取值范围：0≤T≤2 T总是为正，
(5)透射波与入射波相位总是一致的，
2》透射波形成条件
Transmission/Penetration Wave Formation
(1) 透射波形成的条件(condition)
只有在上，下介质波的传播速度不相等时，即，速度界面；T≠0；
(Velocity Interface)
3》透射波的特点
Transmission/Penetration Wave Character
(1)特点：透射波形成的条件，只有在上，下介质波的传播速度不相等时，即，速度界面；T≠0；
(2)透射波的强度取决于透射系数的大小；(Penetration Wave Strength Depend On Penetrate coefficient Value)
(3) 透射波的极性总是与入射波的极性一致。

(Penetration Wave Polarization always in Consistent with Incident Wave it.) 4．折射波的形成及特点
(Refraction Wave Formation and character)
1）折射波形成机制(Refraction wave Formational Mechanism )
2 )形成折射波的条件
Refraction Formational Condition
3）折射波的特点
(Refraction Character)
1》折射波形成机制
(Refraction wave Formational Mechanism )
(1) 地质模型(Geology Model )
两层介质，下伏层的速度大于上覆层的速度，即V2>V1，这时地层中才会产生折射波。

(2) 折射波形成机制(Formation )
据透射定律可知，入射角和透射角都应服从透射定律，即sinα/V1=sinβ/V2,随着入射角α增大，透射角也增大，当α角增大到某一个角度时，β→90°，这时透射波
就以V2的速度沿界面向前滑行，形成滑行波，据波前理论，高速滑行波所经过的界面上的任何一点都可看作是一新的点震源，即滑行波所经过的下面介质在振动，由于两侧的介质质点间存在着弹性联系，下面介质中质点的振动必然要引起上面介质中质点的振动，这样就在上面介质中形成了一种新的波，这种波在地震勘探中称为折射波，这
时的入射角α=i称为临界角(Critical Angle)，用i表示i=arcsin(V1/V2).
2)形成折射波的条件
Refraction Formational Condition
1》下面介质的波速要大于所有上面介质的波速Velocity of Below layer Media is the Larger than up Layer。

2》入射角是以临界角I 入射( Incidence Wave Incident)
3）折射波的特点
(Refraction Character)
(1) 射线是以临界角i出射的一束平行直线且垂直于波前面；
(2) 波前面是一平面，与界面的夹角为i ；
(3) AM是折射波的第一条射线，称临界射线，M点是折射波的始点，它也是反射波射线;
(4) 折射波存在盲区(blind area)，盲区范围(Blind Area range )Xm=2h*thi，所以折射波必须在盲区以外才可观测到，并且，h增大→Xm增大；
三、地震波在均匀介质中的传播规律
Propagation Rule in Even media Which Every Medium Velocity all is Same.. 1．地震波传播特点。