2.地震波及其传播

地震波的类型
地震波类型
形成机制
纵波
vvv RPS0.9vS2
体积形变
Primary wave
横波 Shear wave
形状形变
质点振动 方向
速度
v 与传播方向相同
2
P
v 与传播方向垂直
S
面波 Surface wave
在界面附近，由 P、S波干涉 形成，局限 在界面附近 传播
见后
vR 0.9vS
2.4.1 斯奈尔定理 Snell’s law
• Snell’s law
（反射、折射定理）
当地震波传播中遇 到弹性分界面，地震波 要产生反射与透射，它 们服从Snell’s law:
入射波
介质 介质
反射波
界面 透射波
1. sin sin sin
v1
v1
v2
斯奈尔定理 Snell’s law（续）
vP>vS>vR
表中，、──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) SV 波 (c) SH 波
体波质点振动
面波质点振动
面波（瑞雷波、地滚波） P+SV
拉夫波 P+SH
2.1.3 地震波的波形图
• 激发的地震波在3D空间传播，其振动
A
k 1/
波的速度
v x 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。
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
① 惠更斯原理 Huygen’s principle
• 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
t
t+∆t
V=c
t t+∆t V≠c
α
β
t+∆t V1/V2
② 费马原理 Fermat’s principle
2. 地震波 及其传播
g.瞬时相位
地震勘探示意图
什么叫地震勘探？
• 地震勘探是当前油气、煤炭勘探中 最重要 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 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 通过介质的弹性、几何结构和形态不同而 异，由
吸收
75
dB
100
0.760 1.020
2.050 2.730
3.320 4.430
4.600 6.140
7.160 9.550
14.800 19.800
150
1.530 4.090 6.650 9.200 14.320 29.700
300
3.070 8.180 13.300 18.410 28.640 59.320
• 吸收系数，衰减系数
如果振幅表达为
A A0ex
x是距离，是吸收系数。 • 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。
• 吸收系数与介质的品 质因子有如下关系
1 v Q f 27.29
• 品质因子 定义
每周期内最大能量
Q 2 每周期内的耗散能量
④ 互换原理 Reciprocity principle
• 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。
• 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。
• 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。
– 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。
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。
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
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， 它随时间向外移动，其方向与波前本身垂直。
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
– 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。
扩散 dB
500 ALL
5.110 7.96
13.640 22.160 30.680 47.730 98.860 13.98 17.50 20.00 23.50 29.50
吸收和扩散的相对重要性和 当频率较低、距离不大时，波前扩散比吸收作 用大；
– 传播时间、速度介质结构 – 能量、频率、速度及其它特征地层、岩
性……
2. 地震波及其传播
2.1 地震波的生成、类型 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 2.5 菲涅耳带的概念 2.6 地震道的生成 2.7 煤层反射波
2.1 地震波的生成、类型
dB 10 log(E2 / E1)
– 因为能量和能量强度与振幅的平方成反比，所以有
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 收
• 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。
当地震波入射到界面上时，将要产生波的转换，产生4个二次波，波 型与入射波相同的二次波叫同类波，否则，叫转换波。
– 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。
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 动在地质介质中的传播。常分为以下三类：
– 纵波 Primary wave – 横波 Shear wave – 面波 Surface wave
• 它们具有不同的特点、以不同的速度、按 各自固有的规律在地质介质中传播。
岩石的 Q 值变化于 50-300左右。
岩石的品质因子及吸收系数
吸收衰减与频率
岩 石 Q p
岩浆岩 75～l50 0.04—0.02 沉积岩 20～l50 0.16—0.02 含气岩石 5～50 0.63—0.06
④ 地震波的吸收衰减与波前扩散衰减 设
频率 Hz 250
0.15db / , 2200 m / s, x0 100 m
炮检距 xl， m
500
750
1000
1500
3000
1
0.010 0.027 0.044 0.061 0.095 0.198
10
0.102 0.273 0.443 0.641 0.955 1.980
25
0.260 0.680 1.110 1.530 2.390 4.940
50
0.510
1.36
2.220 3.070 4.770 9.890
u u(x, y, z;t) • 对于1D的情况， u u(x,t)
• 波形图
– 波形指某质点振动随时间变化的关系。
– u u(x,t) xxi
A
f / 2
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
总流通量是能量强度和面积的乘积。因此有
，
最后I1s得1 I 2 s2
I2
/ I1
s1
/ s2
r1
r2 2
E2
/ E1
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
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。
2.4 地震波的反射、透射和折射
2.4.1 斯奈尔定理 Snell’s law 2.4.2 视速度定理 Apparent velocity 2.4.3 反射波 Reflection 2.4.4 透过波 Refraction 2.4.5 折射波 Transmission
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