地震波的基本概念

Va
此式表明：沿着界面，波在两种介质中传播的视速度 是相等的。
第一节 几何地震学基本概念
由右下图可以看到所谓全反射现象的存在。如果
V2>V1，则有sinθ2>sinθ1，即θ2>θ1 ；当θ1增大到一定程 度但还没到90o时，θ2已经增大到90o这时透射波在第二 种介质中沿界面“滑行” ，出现了“全反射”现象，
地球物理勘探
地球物理系 王永刚
课程内容
• 第1章 绪论 • 第2章 地震波运动学理论 • 第3章 地震资料采集方法与技术 • 第4章 地震波速度 • 第5章 地震资料解释的理论基础 • 第6章 地震资料构造解释
第2章 地震波运动学理论
• 第一节 几何地震学基本概念 • 第二节 常速单界面的反射波路径及
一、地震波的基本概念 1、地震波 振动——介质中每一个点围绕平衡位置的运动。 波动——振动在介质中的传播过程。波动是一种不断 变化、不断推移的运动过程。振动和波动的关系就是 部分和整体的关系。
第一节 几何地震学基本概念
振动总有一定的能量，既然波动是振动在介质中的 传播过程，那么伴随着振动的传播，当然也就有能量 的传播。波动是能量传播的重要方式之一，其特点是： 当能量在介质中通过波动从一个位置传到另一个位置 时，介质本身并不传播。
•按照波面形状来分， 可以分为球面波、柱 面波、平面波。
第一节 几何地震学基本概念
•按照入射波、反射波和透射波的波型是否相同来区分， 地震波可分为同类波和转换波。
垂直入射时的反射系数公式是：
R 2V2 1V1 2V2 1V1
右上式可知：在介质分界面上能产生反射波的条件是分 界面两边介质的波阻抗不相等。也即严格地说，波阻抗 界面才是反射界面；速度界面不一定是反射界面。
其输出则为激发的单位脉冲通过该滤波器的时间响应， 从这个意义上讲，地震子波就是地震能量由震源通过复 杂的地下路径传播到接收器所记录下来的质点运动速度 (陆上检波器)或压力(海上检波器)的远场时间域响应。
第一节 几何地震学基本概念
广泛用于地震正演模型计算和地震资料解释中的 雷克（Ricker）子波，在时间域可表示为：
s2
s1
震
源 v0
v1
v2
S2 S1
t1
t2
第一节 几何地震学基本概念
波面——介质中每一个同时开始振动的曲面。在波的 传播过程中，波前将不断推进而扫过介质的全部。因 此，波前在整个介质中都留有遗迹。换句话说，通过 介质中的任何一点，都有一个波面。在介质中任取一 点P，再找出介质中和P点同时开始振动的那些点，将 这些点连成一个曲面，就是通过P点的波面。由此可见， 波面是波前的“遗迹”，波面是同相的、等时的和静 止的。
第一节 几何地震学基本概念
在压力很大、作用时间很长的条件下，大部分物体 都表现为塑性性质。反之，在外力很小、作用时间很 短的情况下，大部分物体都具有弹性性质。
物体受力的三种状态： f ①弹性形变 ②塑性形变 ③永久形变
①
② ③e
第一节 几何地震学基本概念
地震勘探中形成地震波的过程是：若 激发方式为炸药爆炸，那么在炸药包附 近,爆炸产生的强大压力大大超过岩石的 极限强度,岩石遭到破坏形成一个破坏带。 随着离开震源距离的增大，压力减小,但 仍超过岩石的弹性限度，该范围岩石发 生塑性形变，形成一些辐射状或环状裂 隙的塑性带。再向外,压力降低到弹性限 度以内,又因为炸药爆炸所产生的是一个 延续时间很短的作用力,该区域的岩石发 生弹性形变,即为弹性带。 由此可见,地震波就是一种在岩层中传播 的弹性波。
第一节 几何地震学基本概念
2、透射定律
由实验总结得出的透射定律如下：透射线也位于入射
面内，入射角的正弦与透射角的正弦之比等于第一、二
两种介质中的波速之比，即：
sin1 V1 sin 2 V2
若把上式改写成如下形式：
或 sin1 sin2
V1
V2
V1
s in 1

V2
s in 2
第一节 几何地震学基本概念 4、费马（Fermat）原理
费马原理较通俗的表达是：波在各种介质中的传播路 径，满足所用时间为最短的条件。
费马原理示意图
第一节 几何地震学基本概念
5、惠更斯（Huygens）原理
惠更斯原理是利用波前概念来研究波的传播的。表 述为：在已知波前面（等时面）上的每一个点都可视 为独立的、新的子波源，每个子波源都向各方发出新 的波，称其为子波，子波以所在处的波速传播，最近 的下一时刻的这些子波的包络面或线便是该时刻的波 前面。这样从前一个波前面位置移到下一个波前面位 置，如法炮制，便可得到介质中的等时面系，因而得 到波在该介质中传播的全部特点。
因为θ1再增大，就不能出现透射波了。 开始出现“全反射”时
的入射角叫做临界角；
因为这时θ2=90o， sinθ2=1，所以临界角θc 满足下列关系式：
s in c

V1 V2
全反射示意图
第一节 几何地震学基本概念
3、斯奈尔（Snell）定律
设各层的纵波、横波速度分别用Vp1，Vs1，Vp2， Vs2，......Vpi，Vsi表示，θ下标代表各种波的入射角，则 斯奈尔定律可表示为：
第一节 几何地震学基本概念
6、描述波动的特征量 •常见的术语：频率、周期、振幅、波长、速度、视速
度、视波长。 V f /。 •速度和波长是沿着波的传播方向来考虑问题的。若沿 着其他方向，则讨论的是视速度和视波长。
A t
T
第一节 几何地震学基本概念
第一节 几何地震学基本概念
利用惠更斯原理求新波前
第一节 几何地震学基本概念
三、地震波的类型
•按照波在传播过程中质点振动的方向来区分，可以分 为纵波和横波。 •按波动所能传播的空间范围来区分，地震波又可分为 体波和面波。 •按照波在传播过程中的传播路径的特点来区分，又可 把地震波分为直达波、反射波、透射波（透过波）、折 射波等，如右图所示。
图2-1-1 爆炸产生 的三个带
第一节 几何地震学基本概念
2、波前、波后和波面
波前——介质中的各点刚刚开始振动，这一曲面S2称 作波在t1时刻的波前或波阵面。 波后——在V0和V1的分界面S1上，介质中各点刚刚停 止了振动，这一曲面S1叫做波在t1时刻的波后或波尾。 不指明哪一个时刻的波前和波后是没有意义的。
sin p1 sins1 sin p2 sins2 ............ sin pi sinsi P
V p1
Vs1
Vp2
Vs 2
V pi
Vsi
式中P称为射线参数。在水平层状介质中，当波的某条 射线以某一角度入射到第一个界面后，再向下透射的 方向将由上式决定，这条射线就对应于一个射线参数 值Pi 。
视波长与真波长、视速度与真速度的关系：
a

s in
Va

a
T
Va

V
s in
式中θ是波的入射角（射线与界面法线的夹角）。
因为sinθ≤1，所以Va和λa不小于它们的真实速度V和波 长λ。
第一节 几何地震学基本概念
二、地震波的传播规律 1、反射定律
由实验总结得出的反射定 律如下：反射线位于入射平 面内，反射角等于入射角， 即 1' 1 。
•按照各种波在地震勘探中所处的地位来区分，地震波 还可分为有效波、干扰波和特殊波等。
第一节 几何地震学基本概念
4、振动图与波剖面 波动是一种很复杂的运动过程。 在这种过程中，介质中的无数
个小部分都在振动，而且不同部 分的振动还可以在相位、强度等方面有所不同。这样 复杂的运动，是不能用单独一条曲线来描述其全过程 的。例如，指定了一个点P1,它的振动可以用一条振动 曲线来反映，如上图所示。但是，这样的任何一条曲 线，只是反映无限多个点中某一指定点而已。
射线平面与界面的关系 分以下两种情况加以讨 论：
o NR
1

' 1
DP

' 1
2
N'
o
第一节 几何地震学基本概念
水平界面的射线平面 既垂直界面也垂直地面
测线垂直界面走向的倾斜界面， 射线平面既垂直界面也垂直地面
第一节 几何地震学基本概念
测线不垂直界面走向的倾斜界面，射线平面垂直 界面，但不垂直地面。
弹性理论的研究表明，每种物体在外力作用下，整 体表现为弹性还是塑性主要取决于具体的条件，例如 物体本身的物理性质，作用力的大小和特点（延续时 间的长短、变化的快慢等），以及所处的外界环境 （温度、压力等）。在压力很大、作用时间很长的条 件下，大部分物体都表现为塑性性质。反之，在外力 很小、作用时间很短的情况下，大部分物体都具有弹 性性质。
数学表达式
• 第三节 变速多界面的反射波路径及
数学表达式
• 第四节 地震折射波运动学
第2章 地震波运动学理论
第一节 几何地震学基本概念
一、地震波的基本概念 二、地震波的传播规律 三、地震波的类型
第一节 几何地震学基本概念
地震波的运动学（Kinematics of seismic wave)是研 究地震波波前面的空间位置与其传播时间的相互关系， 它与几何光学相似，是引用波前、射线等几何图形来 描述波的运动过程和规律，因此也称几何地震学。
f (t) [1 2(f pt)2 ]exp[f pt)2 ]
在频率域可表示为：
F( f ) (2 /

)( f
2
/
f
3 p
)
exp[(
f
/
f p)2]
(f ) 0
式中f(t)与F(f)互为傅立叶变换，fp为频谱的峰值频率。
第一节 几何地震学基本概念