第二、三节 地震波的基本类型 地震波场的基本知识

第二节地震波的基本类型

一、地震波动的形成　

波动产生：弹性体内相邻质点间的应力变化会产生质点的相对位移，存在应力梯度时。

地震波的形成过程：　

物体在受到由小逐渐增大的力作用时，大体经历三种状态：外力小：在弹性限度以内，物体产生弹性形变；

外力增大：到超过弹性限度，物体产生塑性形变；

外力继续增大：超过了物体的极限强度，物体就会被拉断或压碎。

岩层中炸药爆炸：

炸药包附近：压力＞周围岩石弹性

极限，岩石破碎形成一个破坏圈；

离开震源一定距离：压力减小，仍

超过岩石弹性限度，岩石不发生破碎，

但发生塑性形变，形成一系列裂缝的塑性及非线性形变带；

塑性带外：随着距离增加，压力降低到弹性限度内，岩石发生弹性形变。

因此，地震波是一种在岩层中传播的弹性波。　

二、纵、横波的形成及其特点

从上讨论知:外力作用下，存在两种扰动

胀缩力 体积应变，引起的波动（纵波，P波）；

旋转力 剪切应变，引起的波动（横波，S波）。 统称体波 纵波：间隔形成压缩带（密集带）和膨胀带（稀疏带），传播方向与振动方向一致，V p

横波：传播方向与振动方向垂直，V s

水平面内分量：SH波

垂直面内分量：SV波

从波动方程知：纵、横波传播速度为

p s v

v ⎫==⎪⎪⎬⎪==⎪⎭ (1.15)

则纵、横波速度之比为

(1.16)

V p/V s值与介质泊松比的关系　

σ 0 0.1 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5

V p/V s 1.41 1.50 1.63 1.73 1.87 2.45 ∞

讨论：

① σ＝0.25, 一般岩石, V p/V s=3

② σ＝0，极坚硬岩石, V p/V s =2

③ σ＝0.5，浮土,於泥土, V p/V s ∞

④ 横波最小波速=0, 液体和气体中不存在横波。　

解决某些特殊问题，如探测充满液体洞穴（如溶洞）,V s=0

三、面波　

体波：纵、横波，在整个空间；面波：弹性分界面附近

瑞雷面波：自由界面，地滚波，R波

特点：低频、低速，能量大（强振幅），

旋转（铅垂面，椭圆，逆转）

天然地震中，危害极大。

勒夫面波：

低速带顶底界面，平行界面波动，振动方向垂直传播方向，SH波 特点：对纵波勘探影响不大，对横波勘探严重干扰

第三节地震波场的基本知识　

地震波场的基本理论包括：运动学，动力学。

运动学：研究地震波传播时空间位置与传播时间的关系

动力学：研究地震波传播时波形、振幅、频率、相位等与空间位置的关系。

一、运动学的基本知识　

1.惠更斯—菲涅尔原理　

波前：某一时刻介质中刚开始

振动的点连接起来成一曲面

波后：在同一时刻刚停止振动的点连接成的曲面

振动带：波前与波后之间的各点均在振动

波前面形状与介质波速有关，介质波速结构的变化，波前面形状也会产生变化。

均匀介质：波前是以震源O为中心的一簇同心球（半球）面，称球面波（当球面波半径很大时，称平面波）；

非均匀介质：波前面为曲面。

惠更斯原理：在弹性介质中，t时刻的同一波前面上的各点，可以把这些点看作从该时刻产生子波的新的点振源，经过tΔ时刻

+Δ时刻新的波前面。　

后，这些子波的包络面就是t t

① 可从已知波前面的位置求出以后各时刻波前面的位置。

② 只给出了波传播的空间几何位置，没有描述波到达该位置时的物理状态。

菲涅尔补充：由波前面上各点所产生的子波，在观测点上相互干涉叠加，其叠加结果就是我们在该点观测到的总振动。　

惠更斯—菲涅尔原理（波前原理）：

既可用于均匀介质，也可用于非均匀介质。　

2.费马原理

弹性波传播，可用波前描述，还可用射线描述。

射线：波从空间一点到另一点的传播路径。

在任一点上，射线总是垂直于波前。　

费马原理（射线原理）：波沿射线传播的时间和沿其它任何路径传播的时间之比为最小。

即波沿旅行时最小的路径传播。这一最小路径称作射线。

均匀介质：射线为自震源发出的一簇辐射直线；平面波射线是垂直于波前的平行直线。

非均匀介质：射线为曲线。但射线与波前面总是垂直的。　

3.视速度定理 真速度：波沿射线方向传播的速度。

测真速度v ，沿射线方向，实际不能。 视速度：在地面上沿观测方向测得

的波的速度值，用a v 表示。

S 1、S 2为两检波点，x Δ―道间距 视速度：a x v t Δ=Δ

真速度： s v t Δ=Δ

由三角关系：sin s x αΔ=Δ⋅ 那么 sin sin a s x v v t t ααΔΔ==⋅=ΔΔ 即： sin a v v α=

式中：α为平面波波前与地面夹角（波射线与地面法线夹角）。 讨论：

(1) 90α=D ，波沿测线方向入射，a v v =，波传向与测向一致。

(2) 0α=D ，波垂直测线方向，a v →∞，波前同时到达地面各点。 (3) α在0~90D D （一般情况），a v v >。

地震勘探中： 近炮点：反射波视速度高，相邻记录道间反射波时差小； 远炮点：…………………………低，…………………………………………………大。

二、动力学的基本知识

1、振动图与波剖面

地震波在岩层中传播时，质点振动位移(u)随不同时间(t)和位置(X)是不相同的， u是t和X的二元函数，写为

u=u(x,t)

于是：可以分别从二个坐标系统来观察波动。

(1) 振动图　

当X为某一特定值(X=X1)时，u=u(x,t) u=u(t)

振动图：从某一确定距离观察该处质点位移随时间变化的图形，是描述地震波质点位移随时间变

化规律的图像。

图中：

t1―初至，质点刚开始振动

△t―波（质点振动）的延续时间，其

大小直接影响地震勘探的分辨率。