地震波

• 人工激发的方式： 人工激发的方式：
– 炸药震源 – 非炸药震源 • 气枪（气爆） • 电火花 • 可控震源 • 敲击……
• 纵、横波同时激发
– 震源及周围介质的性质缺乏球对称性， 震源激发时，既产生体积形变也产生 形状形变，因此既产生P-，也产生S波。 – 通常由于波本身的特征、接收地段和 设备所限，往往主要接收的是纵波。
I = Ev
对于球面波，其波前从震源向外扩散，在对应 r1 、2 波前 r 面上取面积 s1、2，单位时间内流过二面积的能量必定相等， s 总流通量是能量强度和面积的乘积。因此有 ， I 1 s1 最后得 = I 2 s 2 2
r1 = E / E I 2 / I 1 = s1 / s 2 = 2 1 r2
② 几何扩散
• 几何扩散
– 使球面波强度和能流密度都随距离 的平方成反比衰减，或振幅与距离 成反比衰减，这种现象称球面扩散。 – 平面波的能量不发散，所以其能量强度是常数。 – 能量比或能量强度比常用dB表示，有
dB = 10 log( E 2 / E1 )
– 因为能量和能量强度与振幅的平方成反比，所以有
③ 叠加原理
• 叠加原理
Superposition principle
– 两个或多个同时存在的原因产生的结果， 可以通过各个原因单独产生的结果求和 得到。这里，隐含着线性关系。
④ 互换原理
• 互换原理
震源与接收点互换， 其波的传播路径相同， 效果（旅行时、位移、 波形）一样，产生相同 的地震道。
2.1 地震波的生成、类型 地震波的生成、
2.1.1 地震波的生成 2.1.2 地震波的类型 2.1.3 地震波的波形图和波剖面图 2.1.4 有效波与干扰波
2.1.1 地震波的生成
• 什么叫地震波
– 人工激发的、在地 质介质传播的机械 振动。 • 炸药震源地震波的形成 – 当炸药爆炸瞬间释放大量高温、高压 的气体作用于周围介质，在距震源较 远的介质只受到瞬间、小的作用力而 产生弹性形变，质点随之振动，并向 外传播而形成地震波。
• 惠更斯原理
前进波前上任意点都看作是次生波源，而且 下一个时刻波前就是所有该时刻次生波前的包 络。
惠更斯原理（续）
t
子波半径r = v × ∆t
α t V=c t+∆t
β
t V≠c
t+∆t V1/V2
t+∆t
② 费马原理
• 费马原理
Fermat’s principle
– 两点之间地震能量传播 的路径是最小时间的射 线路径。在多层介质中， 它通常是折线或曲线， 而不是距离最短的直线。 – 因为沿射线旅行时间最 短，费马原理也叫最小 时间原理。
1 2 在介质中传播，其体积 ∆v 的动能∆E k 为 ∆E k = ( ρ∆v )u ′ 2
则，单位体积内的动能是
u = A cos(ωt + φ )
∆E ∆E k 1 1 = ρu ′ = ρω 2 A 2 sin 2 (ωt + φ ) ∆v 2 2
于是，谐波的能量密度为
∆E k E= ∆v
max
λ = v/ f
2.1.4 有效波与干扰波
• 有效波
通常包括： – 反射波（含有关回转波、绕 射波） – 折射波
• 干扰波
通常包括：
– 规则干扰：多次波、面波、 声波等与激发有关的 – 非规则干扰：随机干扰、环 境噪音
• 干扰波与有效波不完全是绝对的。如面波、多次波…横波、转换波、
折射波与反射波。
① 吸收和扩散作用的大小决定于地震波传播的距 离和频率。 ② 当频率较低、距离不大时，波前扩散比吸收作 用大； ③ 随着频率升高、传播距离增加，吸收损失增大， 最终变成能量损失的主要因素。 ④ 吸收使高频衰减，导致地震波形随距离变化， 其谱的能量向低频移动。 ⑤ 随频率衰减的因素不止吸收，因此，地震波实 际衰减的程度比这还要高。
2.3 地震波的能量与衰减
地震反射波的能量 随着它在地下的 传播不断衰减， 传播不断衰减， 主要由四部分组 成： 几何发散 透射损失 反射损失 介质的吸收衰减 散射等其它
地震波的能量和衰减
① 能量密度 ② 球面几何发散 ③ 吸收衰减 ④ 吸收和扩散的相对重要性
① 能量密度
• 波通过介质，产生与介 质波动有关的能量。 • 能量密度
设 δ = 0.15db / λ ,ν = 2200m / s, x0 = 100m
3000 0.198 1.980 4.940 9.890 14.800 19.800 29.700 59.320 98.860 29.50
吸收 dB
75 100 150 300 500
扩散 dB
ALL
吸收和扩散的相对重要性和比较
dB = 20 log( A2 / A1 )
– 实际地震波速度随深度增加，使得地震波扩散更快。这 时尽管波前已经不是球面了，却仍然使用“球面扩散”。
③吸
• 吸收
地震波在介质中 传播时一部分能量转换为 热能的过程。 如果振幅表达为
收
• 吸收系数与介质的品 质因子有如下关系
1 αλ αv δ β = = = = Q π πf π 27.29
波前、波尾、扰动带、 波前、波尾、扰动带、射线
震源
球面波前与平面波前
• 均匀各向同性介质 中，在t时刻，以r 为半径的球壳上， 具有相同的波场 值，，该球壳就是 该时刻的波前面。 任意一条半径都是 波的射线。 • 当半径很大、很大 时，取一小片球面， 其实非常接近平面。 这时，可以用平面 波代替球面波进行 研究。
x = xi
A
f = ω / 2π
T = 1/ f
2.1.3 地震波波剖面图
• 波剖面
– 波剖面指地震波传播过程中，某一时刻整个介 质振动分布情况。对于1D的情况，有
u = u ( x , t ) t = ti
A
λ
k = 1/ λ
波的速度
∆x v= ∆t
• 波的速度
– 波的同一相位（部位）在单位时间沿射线移动的距离。 – 波的速度将波形与波剖面联系起来。
拉夫波
P+SH
2.1.3 地震波的波形图
• 激发的地震波在 空间传播，其振动 激发的地震波在3D空间传播， 空间传播
u = u ( x, y , z ; t )
• 对于 的情况， u = u ( x, t ) 对于1D的情况 的情况， • 波形图
– 波形指某质点振动随时间变化的关系。 波形指某质点振动随时间变化的关系。 – u = u ( x, t )
见后
vR = 09vS .
vP>vS>vR
表中，λ、µ──拉梅系数；ρ──密度； 表中， 拉梅系数； 密度； 拉梅系数 密度
vP>vS>vR
体波质点振动
(a) P 波 (b) SV 波 (c) SH 波
体波质点振动
(a) P 波 (b) SH 波 (c) SV 波
体波质点振动
面波质点振动
面波（瑞雷波、地滚波） P+SV
2.2.1 地震波前与射线
• 波前与波前图
– 波前
• 地震波传播过程中，扰动相位相等的面（等时面）。 在均匀各向同性介质中，它是以震源为中心的球面， 它随时间向外移Hale Waihona Puke Baidu，其方向与波前本身垂直。
– 波前图
• 从震源出发每个时刻波前位置图的集合。波前的形 状决定于速度的分布。
• 射线
– 始终与波前垂直的线。可能是直线、折线和曲 线等。
• 选择压制的依据：频谱、传播路径等特征。
波场试验记录
声波、面波
折射-折射、微震
各种地震波频谱特征
面波
工业电
微震
声波
地震波的频谱特征
浅层折射
有效波
地震波的视速度特征
2.2 地震波传播的基本原理
2.2.1 地震波前与射线 2.2.2 地震波传播的基本原理
1. 惠更斯原理 2. 费马原理 3. 叠加原理 4. 互换原理
1 = ρω 2 A 2 2
能流密度（能量强度） 能流密度（能量强度）
• 定义：在单位时间内，垂直于波传播方向的单位面积上 定义：
能量的通量。 计算：沿波传播方向取一个小圆柱体，断面积为 δs ，长 度为 δt 时间内传播的距离。柱体内任意时刻，其总能量 为 Evδtδs ，在 t + δt 时刻，柱内所有能量从柱体一端流 出，则
2. 地震波 及其传播
地震勘探示意图
什么叫地震勘探？ 什么叫地震勘探？
• 地震勘探是当前油气、煤炭勘探中 最重要 地震勘探是当前油气、 的一种方法。它根据岩石弹性差异， 的一种方法。它根据岩石弹性差异，研究 人工激发的地震波在地质介质中传播的规 以查明地下地质构造的方法。 律，以查明地下地质构造的方法。由于地 震波传播的路径、速度、能量、波形等随 震波传播的路径、速度、能量、 通过介质的弹性、 通过介质的弹性、几何结构和形态不同而 异，由
– 定义：单位体积内的能 量。 – 能量=动能+势能。 – 质点振动过程中，动能 与势能相互转换：位移 →0，势能→0，动能 →max；位移→max ， 势能→max，动能→0。 总能量等于动能|max。
– 公式
– 可见，能量密度与波的 振幅和频率的平方成正 比，与介质的密度成正 比。
能量密度
一个谐波
Reciprocity principle
• 应用
– 面波的压制 大家知道面 波的振幅（或能量）沿深 度增加按指数迅速衰减； 利用互换原理，加深震源， 就可以有效压制所生成的 面波。 – 折射（反射）波的互换， 其互换时间相等（炮点与 检波点互换时）。
• 特点
在于其普遍性。它不 仅适用于任意边界的弹 性介质，也适用于非均 匀、各向异性介质。
岩 石
Q
75～l50 ～
α pλ
0.04—0.02
岩浆岩
沉积岩
20～l50 ～
0.16—0.02
含气岩石
5～50 ～
0.63—0.06
吸收衰减与频率
④
地震波的吸收衰减与波前扩散衰减
频率 Hz 250 1 10 25 50 0.010 0.102 0.260 0.510 0.760 1.020 1.530 3.070 5.110 7.96 500 0.027 0.273 0.680 1.36 2.050 2.730 4.090 8.180 13.640 13.98 炮检距 xl， m 750 0.044 0.443 1.110 2.220 3.320 4.430 6.650 13.300 22.160 17.50 1000 0.061 0.641 1.530 3.070 4.600 6.140 9.200 18.410 30.680 20.00 1500 0.095 0.955 2.390 4.770 7.160 9.550 14.320 28.640 47.730 23.50
• 吸收系数，衰减系数 吸收系数，
A = A0 e
−αx
• 品质因子
Q = 2π ×
定义
x是距离，α是吸收系数。
每周期内最大能量 每周期内的耗散能量
• 它是振幅因吸收而岁距离 指数衰减的因子。它与频 率有关，一般呈线性，有 时呈平方关系。
岩石的 Q 值变化于 50-300左右。
岩石的品质因子及吸收系数
地震波的类型
地震波类型 纵波 Primary wave 横波 Shear wave 形成机制
P
v S==
vR = 09vµ 2µ .λ + S
ρ ρ
质点振动 方向 与传播方向相同
速度
体积形变
λ + 2µ vP = ρ
形状形变
与传播方向垂直
v
S
=
µ ρ
面波 Surface wave
在界面附近， 在界面附近，由 P、S波干涉 、 波干涉 形成， 形成，局限 在界面附近 传播
2.1.2 地震波的类型
• 地震波一般认为是一类弹性波，是质点振 地震波一般认为是一类弹性波， 动在地质介质中的传播。常分为以下三类： 动在地质介质中的传播。常分为以下三类：
– 纵波 – 横波 – 面波 Primary wave Shear wave Surface wave
• 它们具有不同的特点、以不同的速度、按 它们具有不同的特点、以不同的速度、 各自固有的规律在地质介质中传播。 各自固有的规律在地质介质中传播。
– 传播时间、速度→介质结构 传播时间、速度→ →介质结构 – 能量、频率、速度及其它特征→地层、岩 能量、频率、速度及其它特征→地层、 →地层 性……
2. 地震波及其传播
2.1 地震波的生成、类型 地震波的生成、 2.2 地震波传播的基本原理 2.3 地震波的能量与衰减 2.4 地震波的反射、透射和折射 地震波的反射、 2.5 菲涅耳带的概念 2.6 地震道的生成 2.7 煤层反射波
2.2.2 地震勘探基本原理
① 惠更斯原理 Huygen’s principle ② 费马原理 ③ 叠加原理 ④ 互换原理
Fermat’s principle Superposition principle Reciprocity principle
① 惠更斯原理 Huygen’s principle