工程与环境物探_第1.1节_地震波的激发、传播与接收
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（华东）
4. 惠更斯原理
• 惠更斯原理是描述波前面在介质中随时间增加而向前 推移现象的原理，也称波前原理。 • 已知 t 时刻的波前，波前面上每一点（面元）都可以 看作是新的子波源，各自发出子波。各子波分别以介 质的波速 v 向各方传播，形成各自的波前，经Δt 时间 ，它们的包络面便是 t+Δt 时刻的波前。
随着勘探技术的发展，上述要求有一定的变化，有些 要求被加强（如分辨能力），有些要求被放宽（如频 率选择功能）。
（华东）
2. 地震检波器
• 地震检波器（Seismometer或Geophone） 有多种类型，可以分别适应不同的环 境条件，传统/常规的检波器类型有动 圈式、动磁式、压电式、涡流式等。 • 新型检波器有光纤光栅（FBG）传感/ 检波器，微电子机械（MEMS）传感/ 检波器，新型压电传感/检波器，三分 量数字检波器等。 • 各种新型检波器的性能几乎全面超越 传统检波器，但是由于不成熟、价格 高、应用复杂等原因，还没有大规模 推广应用，传统检波器还有相当大的 市场。
2 An A0 (1 R12 )(1 R2 ) 2 2 (1 Rn ) R A (1 R 1 n 0 i )Rn i 1 n 1
式中 (1 Ri2 ) 的值总小于1， 表示地震波两次透过同一 个界面，能量发生了损耗， 称之为透射损失。
（华东）
1.1.3 地震波的接收
C.Huygens, (1629-1695), 荷兰物理学家
（华东）
时间特征方程
• 根据时间场的概念，地震波传播到介质空间中任意一 点所需的时间： t t ( x, y, z) • 根据惠更斯原理，从 t1 时刻的波前面，到 t2 t1 t 时 刻的波前面，两个波前面之间的法线距离： n v( x, y, z ) t • 因此：
（华东）
1. 炸药激发
• 震源附近的岩石遭受严重的破坏，形成空洞，向外是一定 范围的塑性形变带，再向外，冲击力强度减弱到介质的弹 性限度内，形成在弹性介质中传播的机械波，即地震波。 • 炸药激发的优势是能量强，波形尖锐，频谱宽。
破坏圈
塑性带
弹性变形区
（华东）
2. 可控震源车
• 由机械震动产生一定 波形的信号，一般延 续时间较长，并且可 以通过延长时间来增 加累积能量。
震源激发产生的地震波在介质中的传播包括：
–1.波前扩散； –2.能量吸收衰减； –3.描述射线路径规律的费马原理； –4.描述波前运动的惠更斯原理； –5.描述介质界面上反射透射及波型转换的斯奈尔定律； –6.反射、透射系数的大小； – ……等。
（华东）
1. 波前扩散
• 波前是描述地震波传播的概念之 一，指在介质中同时开始振动的 点组成的面，与之对应的是波尾 ，即同时停止振动的点组成的面 。波前面可以是平面、球面、柱 面、其他曲面，波前面可以交叉 。 • 波前扩散是指震源激发所产生的 地震波能量，随着波的向外传播 被分布在越来越大的波前面上， 能量密度逐渐减小，振幅减小。
t 1 n v( x, y, z )
（华东）
时间特征方程
• 在 t 0 的极限情况下：
dt t t t 1 gradt i j k dn x y z v( x, y, z )
• 可以称其为慢度矢量。在已知介质波速大小但不知 波传播方向的情况下，可以写成标量形式：
地震信噪比态势图
（华东）
电磁检波器
• 电磁检波器利用电磁感应 原理制成，地震波引起的 震动使线圈与磁铁做相对 运动，在线圈中产生感生 电动势，感生电动势的大 小与相对运动速度成正比。
xM(t)
M
ξ(t)
(b) 内部结构
(c) 惯性体与外壳的相对运动
图2.2 电磁检波器示意图
（华东）
涡流式检波器
• 涡流检波器是利用金属导体在变化的磁场中运动时产 生涡流的特性制成的检波器，属于提升高频信号的加 速度型检波器，具有较好的高频特性。
（华东）
时距曲面与时距曲线
• 实际介质通常是三维空间分布的，时间场也是三维 空间坐标的函数，即 t = t（x, y, z），描述时间场 分布的是等时面。 • 在地面上的二维空间内，地震波的到达时间是二维 坐标（x, y）的函数，即 t = t（x, y），是（t, x, y） 三维空间的一个曲面，称之为时距曲面。 • 在地面上的一条测线，如 x 轴上，地震波的到达时 间是坐标位置 x 的函数，即 t = t（x），是（t, x） 二维空间的一条曲线，称之为时距曲线。时距曲线 是时距曲面与测线铅垂面的交线。
（华东）
透射损失
• 下行地震波透过界面 1 ，在深层界面 2 上发生反射形 成上行反射波，在上行过程中需再一次透过上部介质 界面，两次透射的透射系数分别为： ' ' T1 1 R1 T1 1 R1 1 R1
2 A A (1 R • 第 2 个界面反射波的振幅为： 2 0 1 ) R2 • 第 n 个界面反射波的振幅为：
波前扩散
振幅-A
波前面半径-r
振幅减弱
（华东）
2. 能量吸收衰减
• 吸收衰减是指实际地层并非完全弹性，而是具有粘弹 性质，由于介质质点间的相互作用，部分弹性能量转 变为热能而被消耗，弹性能量逐渐减少，表现为地震 波的振幅逐渐减小，相对于传播距离而言可以理解为 在传播路程内能量被吸收，相对于时间而言，可以理 解为在传播时间内衰减。
（华东）
垂直入射情况下的反射透射系数
• 垂直（法向）入射的情况下，不产生波型转换，原四 阶线性方程组简化为二阶线性方程组。 • 对于纵波法向入射的情况，诺特方程导出的用位移位 表示的反射、透射系数分别为： 2v2 P 1v1P Z 2 Z1 2 1v1P 2Z1 R T 2v2 P 1v1P Z 2 Z1 2v2 P 1v1P Z 2 Z1 式中 Z v是描述介质性质的参数，称为波阻抗。 波阻抗大的介质为波密介 质，波阻抗小的介质为波 疏介质。
P
v1P v2P > v1P
C
C
P
v1S P
2 P / 2
v2S > v1S
（华东）
球面波入射的情况
• 点震源激发形成的球面波向一个界面投射的情况下， 界面上相邻点的入射角各不相同。入射角从零可以增 大到90°，必然会有一部分能量以临界角入射到介质 界面，在下层介质形成滑行波（有时也称首波），从 而在上层介质形成折射波。 • 入射角大于临界角时，形成全反射，没有透射波。
上部为可控震源扫描信号示意图 中部为记录到的子波(反射波) 下部为二者相关处理后得到的零相 位Klauder子波。
（华东）
3. 锤击震源
• 人工锤击简单易行，问题 是一致性差，可能能量不 够和波形不好； • 机械锤击的操控性可以提 高，需要设计合理。
SE2404EI 综合工程探测仪
（华东）
1.1.2 地震波的传播
介质 I
v1P v2P > v1P P
1
P a
1S 1 1P
S
P v1S
介质 II
2P 2S
v2S > v1S
P S
反射波（特别是反射 纵波）是地面地震勘 探的有效信号，反射 横波在转换波或多波 勘探时是有效波。
（华东）
滑行波与折射波
• 在介质波速v1P < v2P的情况下，如果增大入射角，完全 有可能使得透射波的透射角达到90°，即 sin 1 1 v1P v2 P • 此时的入射角称为临界角，用C 表示， v1P 1 v1P C sin arcsin v2 P v2 P
1 t t t ( gradt ) 2 v ( x, y , z ) x y z
2 2 2 2
• 这就是时间场的微分方程，称为时间特征方程或称 程函方程，是几何地震学的基本方程。该方程的适 用条件是地震波频率较高或波长很小，即波动方程 的高频近似。
工程与环境物探
第1章 工程地震勘察的基本方法
• 工程地震勘察是以不同介质的弹性差异为基础，通 过记录和研究震源激发产生的地震波，用以研究介 质的弹性特征，推断介质的位置、形态、结构、性 质等，从而达到工程勘察目的的物探方法。 • 工程地震勘察的基本方法包括：
–反射波法； –透射波法； –折射波法； –面波法等。
• 结论：地震波在均匀介质射线为直线，在非均匀介质 中是曲线。
费玛（Fermat，1601-1665）：法国的数学家，生于法国南部波蒙 镇，以律师为职业，长期任图卢兹议会议员。喜欢博览群书，精通 数国语言与文学，爱好自然科学，特别是数学，著有《平面及空间 位置理论导言》《求最大和最小值的方法》等。在物理学上，费马 在研究了光的反射现象与折射现象后， 提出了费马原理。
（华东）
5. 斯奈尔定律
• 斯奈尔定律描述的是波在介质分界面上发生反射和透 射和波型转换所遵循的规律：
sin 1 sin 1P sin 2 P sin 1S sin 2 S p v1P v1P v2 P v1S v2 S v1S v2 S v1P v1P v2 P 1 a p sin 1 sin 1P sin 2 P sin 1S sin 2 S
• 地震波的接收就是使用专门的仪器设备和适当的工作 方法，把地震波引起的检波点振动情况接收并记录下 来。 • 地震仪器应该包括地震波接收环节的各种设备，如检 波器、传输电缆（光缆或无线遥测站）、数据记录仪 器等。狭义的地震仪指用于数据记录的仪器，是野外 采集过程的指挥中心。
（华东）
1. 对地震仪器的基本要求
（华东）
§1.1 地震波的激发、传播与接收
激发地震波的方式有多种，工程地震勘探中一般采用 锤击或机械震源。 震源激发产生的地震波在介质中的传播包括：波前扩 散、吸收衰减、反射、透射、折射等； 接收环节包括检波器、多芯电缆、采集站、光缆、无 线传输设备、数据存储与显示的仪器等。
（华东）
1.1.1 地震波的激发
振幅-A
振幅-A
振幅-A
传播时间-t
传播路程-x
传播时间-t
传播路程=速度×传播时间
（华东）
3. 费玛原理
• 费玛原理是描述波射线在介质中传播路径规律的原理 ，也称最小时间原理。
– – – – 地震波总是沿射线传播，以保证所用旅行时间最少准则； 地震波沿垂直于等时面的路线传播所用时间最少； 等时面与射线总是互相垂直； 用射线描述地震波与用波前面描述是等价的。
P
入射波
面波 反射波
直达波
v1P v2P > v1P
C
2 P / 2
透射波
折射波
v1S
滑行波
v2S > v1S
（华东）
6. 反射与透射系数
• 介质界面上，波的反射和透射系数（反射、透射波振 幅与入射波振幅的比值）与介质参数（介质密度及波 速）有关，还与入射角度有关。 • 描述反射与透射情况下次生波能量分配规律的是诺特 （Knott）方程（用位移位函数表示），或佐普瑞兹（ Zoeppritz）方程（用位移函数表示）。完整的诺特方 程和佐普瑞兹方程都是四阶线性方程组。 • 当平面波以任意角度入射到界面上时，将产生反射透 射和波型转换，情况比较复杂。在垂直入射时，问题 大为简化。
• 根据地震信号的特点和接收要求：
wenku.baidu.com
1. 首先要把地面的机械振动转变成电信号（检波器）； 2. 有频率选择功能，有效波通过，干扰成分被滤掉（检波器）； 3. 地震仪器要具有良好的分辨能力，即固有振动延迟时间要短 （检波器）； 4. 要求地震仪不仅有很高的放大倍数，并且放大倍数是可变的， 可随地震波能量的大小而变化（记录仪器）； 5. 地震仪必须是多道记录的，有精确的计时装置（记录仪器）； 6. 要求仪器轻便、稳定、耗电少以及操作简单，维修方便（记 录仪器）；
地震勘探对震源激发的基本要求是：
要激发足够强的能量，特别是有效波能量强； 有效波有显著的频谱特性和较高的分辨能力。
• 为适应各种地表条件及具体工作方法的特点，震源及 激发方法多种多样，如炸药、重锤、可控震源车、空 气枪、蒸汽枪、电火花等。 • 从二十世纪20年代地震勘探方法诞生以来，炸药一直 是最主要的震源激发类型，主要用于矿产资源（特别 是石油）勘探领域。 工程地震勘探中一般采用锤击或机械震源。
4. 惠更斯原理
• 惠更斯原理是描述波前面在介质中随时间增加而向前 推移现象的原理，也称波前原理。 • 已知 t 时刻的波前，波前面上每一点（面元）都可以 看作是新的子波源，各自发出子波。各子波分别以介 质的波速 v 向各方传播，形成各自的波前，经Δt 时间 ，它们的包络面便是 t+Δt 时刻的波前。
随着勘探技术的发展，上述要求有一定的变化，有些 要求被加强（如分辨能力），有些要求被放宽（如频 率选择功能）。
（华东）
2. 地震检波器
• 地震检波器（Seismometer或Geophone） 有多种类型，可以分别适应不同的环 境条件，传统/常规的检波器类型有动 圈式、动磁式、压电式、涡流式等。 • 新型检波器有光纤光栅（FBG）传感/ 检波器，微电子机械（MEMS）传感/ 检波器，新型压电传感/检波器，三分 量数字检波器等。 • 各种新型检波器的性能几乎全面超越 传统检波器，但是由于不成熟、价格 高、应用复杂等原因，还没有大规模 推广应用，传统检波器还有相当大的 市场。
2 An A0 (1 R12 )(1 R2 ) 2 2 (1 Rn ) R A (1 R 1 n 0 i )Rn i 1 n 1
式中 (1 Ri2 ) 的值总小于1， 表示地震波两次透过同一 个界面，能量发生了损耗， 称之为透射损失。
（华东）
1.1.3 地震波的接收
C.Huygens, (1629-1695), 荷兰物理学家
（华东）
时间特征方程
• 根据时间场的概念，地震波传播到介质空间中任意一 点所需的时间： t t ( x, y, z) • 根据惠更斯原理，从 t1 时刻的波前面，到 t2 t1 t 时 刻的波前面，两个波前面之间的法线距离： n v( x, y, z ) t • 因此：
（华东）
1. 炸药激发
• 震源附近的岩石遭受严重的破坏，形成空洞，向外是一定 范围的塑性形变带，再向外，冲击力强度减弱到介质的弹 性限度内，形成在弹性介质中传播的机械波，即地震波。 • 炸药激发的优势是能量强，波形尖锐，频谱宽。
破坏圈
塑性带
弹性变形区
（华东）
2. 可控震源车
• 由机械震动产生一定 波形的信号，一般延 续时间较长，并且可 以通过延长时间来增 加累积能量。
震源激发产生的地震波在介质中的传播包括：
–1.波前扩散； –2.能量吸收衰减； –3.描述射线路径规律的费马原理； –4.描述波前运动的惠更斯原理； –5.描述介质界面上反射透射及波型转换的斯奈尔定律； –6.反射、透射系数的大小； – ……等。
（华东）
1. 波前扩散
• 波前是描述地震波传播的概念之 一，指在介质中同时开始振动的 点组成的面，与之对应的是波尾 ，即同时停止振动的点组成的面 。波前面可以是平面、球面、柱 面、其他曲面，波前面可以交叉 。 • 波前扩散是指震源激发所产生的 地震波能量，随着波的向外传播 被分布在越来越大的波前面上， 能量密度逐渐减小，振幅减小。
t 1 n v( x, y, z )
（华东）
时间特征方程
• 在 t 0 的极限情况下：
dt t t t 1 gradt i j k dn x y z v( x, y, z )
• 可以称其为慢度矢量。在已知介质波速大小但不知 波传播方向的情况下，可以写成标量形式：
地震信噪比态势图
（华东）
电磁检波器
• 电磁检波器利用电磁感应 原理制成，地震波引起的 震动使线圈与磁铁做相对 运动，在线圈中产生感生 电动势，感生电动势的大 小与相对运动速度成正比。
xM(t)
M
ξ(t)
(b) 内部结构
(c) 惯性体与外壳的相对运动
图2.2 电磁检波器示意图
（华东）
涡流式检波器
• 涡流检波器是利用金属导体在变化的磁场中运动时产 生涡流的特性制成的检波器，属于提升高频信号的加 速度型检波器，具有较好的高频特性。
（华东）
时距曲面与时距曲线
• 实际介质通常是三维空间分布的，时间场也是三维 空间坐标的函数，即 t = t（x, y, z），描述时间场 分布的是等时面。 • 在地面上的二维空间内，地震波的到达时间是二维 坐标（x, y）的函数，即 t = t（x, y），是（t, x, y） 三维空间的一个曲面，称之为时距曲面。 • 在地面上的一条测线，如 x 轴上，地震波的到达时 间是坐标位置 x 的函数，即 t = t（x），是（t, x） 二维空间的一条曲线，称之为时距曲线。时距曲线 是时距曲面与测线铅垂面的交线。
（华东）
透射损失
• 下行地震波透过界面 1 ，在深层界面 2 上发生反射形 成上行反射波，在上行过程中需再一次透过上部介质 界面，两次透射的透射系数分别为： ' ' T1 1 R1 T1 1 R1 1 R1
2 A A (1 R • 第 2 个界面反射波的振幅为： 2 0 1 ) R2 • 第 n 个界面反射波的振幅为：
波前扩散
振幅-A
波前面半径-r
振幅减弱
（华东）
2. 能量吸收衰减
• 吸收衰减是指实际地层并非完全弹性，而是具有粘弹 性质，由于介质质点间的相互作用，部分弹性能量转 变为热能而被消耗，弹性能量逐渐减少，表现为地震 波的振幅逐渐减小，相对于传播距离而言可以理解为 在传播路程内能量被吸收，相对于时间而言，可以理 解为在传播时间内衰减。
（华东）
垂直入射情况下的反射透射系数
• 垂直（法向）入射的情况下，不产生波型转换，原四 阶线性方程组简化为二阶线性方程组。 • 对于纵波法向入射的情况，诺特方程导出的用位移位 表示的反射、透射系数分别为： 2v2 P 1v1P Z 2 Z1 2 1v1P 2Z1 R T 2v2 P 1v1P Z 2 Z1 2v2 P 1v1P Z 2 Z1 式中 Z v是描述介质性质的参数，称为波阻抗。 波阻抗大的介质为波密介 质，波阻抗小的介质为波 疏介质。
P
v1P v2P > v1P
C
C
P
v1S P
2 P / 2
v2S > v1S
（华东）
球面波入射的情况
• 点震源激发形成的球面波向一个界面投射的情况下， 界面上相邻点的入射角各不相同。入射角从零可以增 大到90°，必然会有一部分能量以临界角入射到介质 界面，在下层介质形成滑行波（有时也称首波），从 而在上层介质形成折射波。 • 入射角大于临界角时，形成全反射，没有透射波。
上部为可控震源扫描信号示意图 中部为记录到的子波(反射波) 下部为二者相关处理后得到的零相 位Klauder子波。
（华东）
3. 锤击震源
• 人工锤击简单易行，问题 是一致性差，可能能量不 够和波形不好； • 机械锤击的操控性可以提 高，需要设计合理。
SE2404EI 综合工程探测仪
（华东）
1.1.2 地震波的传播
介质 I
v1P v2P > v1P P
1
P a
1S 1 1P
S
P v1S
介质 II
2P 2S
v2S > v1S
P S
反射波（特别是反射 纵波）是地面地震勘 探的有效信号，反射 横波在转换波或多波 勘探时是有效波。
（华东）
滑行波与折射波
• 在介质波速v1P < v2P的情况下，如果增大入射角，完全 有可能使得透射波的透射角达到90°，即 sin 1 1 v1P v2 P • 此时的入射角称为临界角，用C 表示， v1P 1 v1P C sin arcsin v2 P v2 P
1 t t t ( gradt ) 2 v ( x, y , z ) x y z
2 2 2 2
• 这就是时间场的微分方程，称为时间特征方程或称 程函方程，是几何地震学的基本方程。该方程的适 用条件是地震波频率较高或波长很小，即波动方程 的高频近似。
工程与环境物探
第1章 工程地震勘察的基本方法
• 工程地震勘察是以不同介质的弹性差异为基础，通 过记录和研究震源激发产生的地震波，用以研究介 质的弹性特征，推断介质的位置、形态、结构、性 质等，从而达到工程勘察目的的物探方法。 • 工程地震勘察的基本方法包括：
–反射波法； –透射波法； –折射波法； –面波法等。
• 结论：地震波在均匀介质射线为直线，在非均匀介质 中是曲线。
费玛（Fermat，1601-1665）：法国的数学家，生于法国南部波蒙 镇，以律师为职业，长期任图卢兹议会议员。喜欢博览群书，精通 数国语言与文学，爱好自然科学，特别是数学，著有《平面及空间 位置理论导言》《求最大和最小值的方法》等。在物理学上，费马 在研究了光的反射现象与折射现象后， 提出了费马原理。
（华东）
5. 斯奈尔定律
• 斯奈尔定律描述的是波在介质分界面上发生反射和透 射和波型转换所遵循的规律：
sin 1 sin 1P sin 2 P sin 1S sin 2 S p v1P v1P v2 P v1S v2 S v1S v2 S v1P v1P v2 P 1 a p sin 1 sin 1P sin 2 P sin 1S sin 2 S
• 地震波的接收就是使用专门的仪器设备和适当的工作 方法，把地震波引起的检波点振动情况接收并记录下 来。 • 地震仪器应该包括地震波接收环节的各种设备，如检 波器、传输电缆（光缆或无线遥测站）、数据记录仪 器等。狭义的地震仪指用于数据记录的仪器，是野外 采集过程的指挥中心。
（华东）
1. 对地震仪器的基本要求
（华东）
§1.1 地震波的激发、传播与接收
激发地震波的方式有多种，工程地震勘探中一般采用 锤击或机械震源。 震源激发产生的地震波在介质中的传播包括：波前扩 散、吸收衰减、反射、透射、折射等； 接收环节包括检波器、多芯电缆、采集站、光缆、无 线传输设备、数据存储与显示的仪器等。
（华东）
1.1.1 地震波的激发
振幅-A
振幅-A
振幅-A
传播时间-t
传播路程-x
传播时间-t
传播路程=速度×传播时间
（华东）
3. 费玛原理
• 费玛原理是描述波射线在介质中传播路径规律的原理 ，也称最小时间原理。
– – – – 地震波总是沿射线传播，以保证所用旅行时间最少准则； 地震波沿垂直于等时面的路线传播所用时间最少； 等时面与射线总是互相垂直； 用射线描述地震波与用波前面描述是等价的。
P
入射波
面波 反射波
直达波
v1P v2P > v1P
C
2 P / 2
透射波
折射波
v1S
滑行波
v2S > v1S
（华东）
6. 反射与透射系数
• 介质界面上，波的反射和透射系数（反射、透射波振 幅与入射波振幅的比值）与介质参数（介质密度及波 速）有关，还与入射角度有关。 • 描述反射与透射情况下次生波能量分配规律的是诺特 （Knott）方程（用位移位函数表示），或佐普瑞兹（ Zoeppritz）方程（用位移函数表示）。完整的诺特方 程和佐普瑞兹方程都是四阶线性方程组。 • 当平面波以任意角度入射到界面上时，将产生反射透 射和波型转换，情况比较复杂。在垂直入射时，问题 大为简化。
• 根据地震信号的特点和接收要求：
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1. 首先要把地面的机械振动转变成电信号（检波器）； 2. 有频率选择功能，有效波通过，干扰成分被滤掉（检波器）； 3. 地震仪器要具有良好的分辨能力，即固有振动延迟时间要短 （检波器）； 4. 要求地震仪不仅有很高的放大倍数，并且放大倍数是可变的， 可随地震波能量的大小而变化（记录仪器）； 5. 地震仪必须是多道记录的，有精确的计时装置（记录仪器）； 6. 要求仪器轻便、稳定、耗电少以及操作简单，维修方便（记 录仪器）；
地震勘探对震源激发的基本要求是：
要激发足够强的能量，特别是有效波能量强； 有效波有显著的频谱特性和较高的分辨能力。
• 为适应各种地表条件及具体工作方法的特点，震源及 激发方法多种多样，如炸药、重锤、可控震源车、空 气枪、蒸汽枪、电火花等。 • 从二十世纪20年代地震勘探方法诞生以来，炸药一直 是最主要的震源激发类型，主要用于矿产资源（特别 是石油）勘探领域。 工程地震勘探中一般采用锤击或机械震源。