地震波的运动学.ppt
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1、1,地震波的运动学,2,目录,第二节 一个界面情况下反射波的时距曲线,第一节 地震波的基本概念,第三节 地震折射波运动学,第四节 多层水平反射波时距曲线,第六节 透射波和反射波时距曲线,第五节 连续介质中地震波的运动学,3,第一章 地震波的运动学,地震波运动学:研究在地震波传播过程中的地震波波前的空间位置与其传播时间的关系,即研究波的传播规律,以及这种时空关系与地下地质构造的关系。,它是用波前、射线等几何图形描述波的运动(传播)过程和规律,与几何光学的一些原理相似,所以也称为几何地震学。,4,第一章 地震波的运动学,地震波动力学:研究地震波在传播过程中波形、振幅、频率、相位等特征的及其变化规律
2、,以及这些变化规律与地下的地层结构,岩石性质及流体性质之间存在的联系。,地震波动力学是从介质运动的基本方程(波动方程)出发来研究地震波的传播特点的。从能量的角度来研究波的特征。,5,利用地震波的运动学特征来查明地下的地质构造的形态。利用地震波的动力学特征及其变化规律来研究地下的地层,岩性及油气显示有一定的实际意义。,地震波运动学+地震波动力学=地震波场理论。,第一章 地震波的运动学,6,第一章 地震波的运动学,地震勘探是研究波在地下介质传播规律的一种方法。有波的传播就有振动。振动与波构成了地震勘探的基础。,第一节 地震波的基本概念,7,第一节 地震波的基本概念,一、振动和波的基本概念,振动某质
3、点在其平衡位置附近做来回往返的运动。通常以周期性为其特征,用振幅、频率来描述。振幅(A)质点离开平衡位置的最大位移。频率(f)每秒钟内振动的次数称频率。周期(T)质点从某位置振动后再回到该位置所需的时间称周期,与频率互为倒数。f1/T,1、振动,8,一、振动和波的基本概念,波动就是振动在介质中的传播。介质内某质点的振动,通过介质质点的相互作用传递相邻质点的振动,如此传递下去就形成了波动。波动产生的条件:振动是波动的源、有传播的介质。质点振动的传播,是能量的传播。波动是能量传播的重要方式之一。特点:当能量在介质中通过波动从一个地方传到另一个地方时,介质本身并不传播。,2、波动,9,一、振动和波的
4、基本概念,3、波动的参数描述,质点振动速度质点在其附近位置振动的速度。波速质点振动能量传播的速度,或振动在介质中传播的速度。质点振动速度与波动的传播速度不同,其振动方向与传播方向也不一定相同波是在介质内部或表面传播的一种振动,也就是介质中质点振动的传播过程。它不包括介质本身的纯运动。,10,一、振动和波的基本概念,波振幅(A)-质点离开平衡点的距离(位移);波长()在单频波中两个相邻周期(T)上各相似点的距离(注意:应在垂直于波前的方向上对它们测定);频率(f)每秒钟内波振动的次数。波的传播速度(V)每秒钟波前进的距离。V=f=/T 或=V/f,11,每个质点在波传播过程中只绕其平衡位置振动并
5、不传播到其它地方。波在传播过程中,质点的振动是有先有后的,也就是波是以有限的速度在介质中传播的,波速的有限性是形成波动的必要条件。波的传播速度,取决于介质的速度,质点振动的速度不等于波速。波动是一种能量传播的重要方式,能量从一个地方传播到另一个地方时介质本身并不传播。波是受近振动的传播,其频率决定于震源而与介质无关。,4、质点的振动和波动的关系,12,一、振动和波的基本概念,质点的振动和波动的关系就是部分和整体的关系。波动是一种不断变化、不断推移的运动过程。介质中有无数个质点,在波的传播过程中,每个质点都会或早或晚地受到牵动而振动起来。单独考虑每一个点,它的运动只是在平衡位置附近进行振动。把介
6、质中的无限多个点当作一个整体来看,它的运动就是波动。,13,二、地震波的产生和传播,一种在岩层中传播的,频率较低(与天然地震的频率相近)的波,是弹性波在岩层中传播的一种通俗说法。地震波由一个震源激发。地震勘探中地震波的产生是用人工的方法,如炸药爆炸等。引起地层振动的位置为波源原点。波从波源向四周传播。相对于地层的空间尺度可以把震源作为一个点源,1、地震波,14,二、地震波的产生和传播,2、弹性波,按固体在外力作用下的形变特征,可将固体分为:弹性介质和塑性体弹性体-当使介质产生形变的外力撤消后,介质能立即并完全恢复到原始状态的物体;反之,称为塑性体。在外力作用下,物体即可显示为弹性,又可显示为塑
7、性 条件:外力的大小、作用时间的长短弹性波-在弹性介质中传播的波称为弹性波。它的形成条件是:要有能传播弹性波的介质弹性介质,以及在弹性介质中有振动。,15,二、地震波的产生和传播,在震源附近,爆炸所产生的强大压力大大超过了岩石的极限强度,使岩石破碎,形成一个破坏圈,炸出空洞;随着离开震源距离的增加,压力减小,但仍超过岩石的弹性限度,使岩石发生塑性变形,形成辐射状或环状裂隙,形成塑形带;随着离开震源距离的进一步加大,压力降低到岩石的弹性限度以内,又因为炸药爆炸的产生的是一个延续 时间很短的作用力,根据弹性理论,这一 区域的岩石发生的弹性形变。地震波是一种在岩层中传播的弹性波。,3、地震波的产生过
8、程(以炸药震源为例),16,二、地震波的产生和传播,3、地震子波,定义:爆炸产生的是一个延续时间很短的尖脉冲,这一尖脉冲造成破坏圈、塑性带,最后使离震源较远的介质产生弹性形变,形成地震波,地震波向外传播一定距离后,波形逐渐稳定,成为一个具有2-3个相位(极值)、延续时间60-100毫秒的地震波,称为地震子波。地震子波特征:点源刚进入弹性区后传播的地震波;波形基本稳定;幅度会因种种原因而衰减地震子波看作组成一道地震记录的基本元素。,17,1.波阵面(波前、波后),波阵面波从震源出发向四周传播,在某一时刻,把波到达时间各点所连成的面,简称波面。波前振动刚开始与静止时的分界面,即刚要开始振动的那一时
9、刻。同样,振动刚停止时刻的分界面为波后。波前或波后是用面表示的,不是曲线。特征:在波面上各质点的振动相位 相同。当振动在各向同性介质中 传播时,波前的运动方向与波前 本身垂直。,三、波的几个特征,18,必须记住:波是不断前进的,从而波前和波后这两个曲面也在随着时间不断然地推进。不指明哪一个时刻来谈论波前和波后是没有明确意义的。波阵面的形状决定波的类型,可分为球面、平面和柱面波等。平面波-波前是平面(无曲率),象是一种在极远的震源产生的。这是地震波解析中的一种常用的假设。球面波-由点源产生的波,向四周传播,波面是球面。,三、波的几个特征,19,波面的形状取决于波源的形状和介质的性质。在均匀各向同
10、性介质中,同一个震源,在近距离的波为球面波,在远距离的地方可看成平面波。在地震勘探中,由于传播路线长而接收点小常把地震波看作为平面波。,三、波的几个特征,20,2.波线(射线),射线是用来描述波的传播路线的一种表示。在一定条件下,认为波及其能量是沿着一条“路径”从波源传到所观测的一点P。这是一条假想的路径,也叫波线。射线的特征:1)总是与波阵面垂直;2)波动经过每一点都可以设想有这么一条波线;,三、波的几个特征,21,引入射线的意义:,在均匀介质中(V一定)认为地震波以直线形式向外传播,射线垂直于波面。在非均匀介质中(V变化)认为地震波以曲线形式向外传播,射线垂直于波面。在条件适当时,利用射线
11、可大大简化地震波的传播问题,即可用几何的方法来研究波的传播。已发展为一个学科-几何地震学,三、波的几个特征,22,3.振动和波形曲线,波动是一种很复杂的运动过程,不能用单独一条曲线来描述其全过程。某点振动随时间的变化的曲线称为振动曲线,也称振动图。注意,一条振动曲线只反映一个点的振动。不同的质点可能有不同的振动曲线,三、波的几个特征,23,波形曲线-在同一时刻各点的位移画在同一图上 形成的曲线,它表示各点振动位置与各点位置的关系。波形图的描绘,在某时刻各点振动之间的关系,不同的时刻有不同的波形曲线;地震勘探中,沿测线画出的波形曲线,也称波剖面。波形曲线是波动的一种表象描述,并不代表波的 真实形
12、态。,三、波的几个特征,24,三、波的几个特征,4.正弦波的几个特征,波随时间的变化,一种最简单的形式是简谐波(正弦波),用正弦的形式表示:Asin(t+)A-振幅,=2f为圆频率,-初相位。简谐波为单频波,是一种理想的振动。对于正弦波,振动频率等于波源频率,周期和频率有固定值。大多数形式较复杂的波,可以用简谐波的叠加来表示,方法是傅氏(频谱)分析。,25,波的振动周期、波长和频率一般以相邻波峰(或波谷)来计算的。波长是描述波的空间分布的一个特征量,对于谐波(正弦波),当质点从平衡位置又回到平衡位置的最小距离,称为波长。波源每振动一次,波就前进一个等于波长的距离,v=f。波长的倒数称波数k,表
13、示在单位距离上波的个数。,三、波的几个特征,26,主波长、主周期和主频率,地震波是一种复杂的波,是一种非正弦波,不能笼统地讨论周期或频率,最好用频谱讨论。一般用主波长、主周期 和主频率 来表征地震波。简单地确定地震波主频、主波长和主周期的方法:以主振动相邻两个波峰(或波谷)为一个主周期。主波长是由主频率分量确定,主频可由频谱分析得到。,27,视速度、视波长,当涉及的波速和波长时,我们是沿着波的传播方向来考虑问题。视速度当波的传播方向与观测方向不一致(夹角)时,观测到的速度并不是波前的真速度V,而是视速度Va。同样,此时的波长为视波长a。,28,为沿着测线方向的视波长,波沿测线方向传播速度,视速
14、度、视波长,29,Va=V/sin。a=/sin。因为sin1,所以Va和a一般大于它们的真实值V和。地震波沿地表传播:=900 Va=V 地震波垂直地表传播:=0 Va=,视速度与速度的关系,三、波的几个特征,30,四、地震波的传播规律,不管什么时候,波只要入射到两种介质的分界面时:入射波、反射波,透射波 物理学称折射波地震勘探中的折射波概念,1、反射和透射,波的反射和透射与介质的弹性性质有关,弹性性质突变时才会发生。用弹性理论可严格证明只有当介质的声(波)阻抗突变时才发生反射。,31,声阻抗 指的是介质(地层)的密度和波的速度的乘积(Zi=iVi,i为地层),在声学中称为声阻抗,在地震学中
15、称波阻抗。波的反射和透射与分界面两边介质的波阻抗有关。只有在Z1 Z2的条件下,地震波才会发生反射,差别越大,反射也越强。,四、地震波的传播规律,32,2、反射和透射定律,法线在界面上垂直界面且过入射点的直线。入(反)射角入(反)射线与界面法线间的夹角、。透射角透射线与界面法线间的夹角。入射面入射线法线确定的平面,垂直于界面。射线平面入射线、过入射点 界面法线和反射线确定的平面。,用射线来表示波的反射和透射,33,反射和透射定律,反射线、入射线分居法线的两侧;反射线位于入射面内;反射角等于入射角;反射线、入射线和法线所构成的的平面 为射线平面,垂直与界面。,反射定律,34,反射路径的虚震源作图
16、法,入射线OP在分界面P点入射,过P点的法线为NN,从震源O向分界面作垂线OD并延长,与反射线的反方向延长线相交于O*,把此点作为一个虚震源。这时反射线可以看成是由O*点射出来的。虚震源是一个假设的震源,引入它 可以简化波的入射和反射路径的计算。,反射和透射定律,35,透射定律 1)透射线也位于入射面内,2)入射角的正弦和透射角的正弦之比等于第一和第二两种介质的波速之比,即,或,此式表示波在两种介质内传播的视速度是相等的。,进一步写,反射和透射定律,36,注意:此透射定律只确定了透射线的方向,而没有涉及到透射线的强度,从而它也是几何地震学的一条定律。条件:透射定律要求两种介质必须都是各同性的,
17、也就是说当在同一种介质传播时,波的速度是一个不随方向而变的常数,反射和透射定律,37,3、斯奈尔(Snell)定律,由透射定律可知,当波通过两个声阻抗不同的均匀介质界面时,波前进的方向就会发生改变:当考虑纵波和横波时,这种变化可以表示为:式中:P1是介质1中纵波的入射角,s1是介质1中横波的入射角,VP1、VP2、VS1、VS2分别为介质1和2的纵、横波速度,其中P为常数,称射线路径参数。,38,综合反射定律和透射定律的内容,扩展到多层水平层状介质的情况,则可以得到如下形式的斯奈尔(Snell)定律:Vp1,Vs1,Vp2,Vs2,.Vpi,Vsi 为各层的纵波、横波速度 P为一常数,称为射线
18、路径参数。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。,反射和透射定律,39,射线路径参数P,P(1/V)sin1/V为速度的倒数,称慢度。P是平行于界面的慢度分量。不同的射线有不同的P值或者不同的值,P值的改变和角的改变是相对应的。在任意射线路径上P是常数。,反射和透射定律,40,反射和透射系数,垂直入射时,入射波振幅(A入)与反射振幅(A反)之比可用波阻抗来表示。,反射系数,透射系数,R+T=1,41,波型转换,由反射和透射定律还可知,当入射角很小时,转换波也很小。入射角0时称垂直入射,不产生转换波。波在非
19、法线入射的情况下,在介质的分界面上不仅会改变波的方向,产生反射和透射,而且会发生波的分裂。由一种波分裂为两种不同类型的波,同时会有纵波和横波的反射和透射。,同类波和转换波 称与原来入射波类型相同的反射和透射波为同类波,而改变了波型的反射波和透射波为转换波。,42,4、全反射和折射波(首波),由透射定律 可知,如果V2V1,即sin2 sin1,2 1。当1还没到90时,2 到达90,此时透射波在第二种介质中沿界面滑行,出现全反射现象。开始出现全反射时的入射角称反射临界角c。,43,折射波(首波),当入射波大于临界角时,出现滑行波和全反射。在分界面上的滑行波有另一种特性,即会影响第一界面,并激发
20、新的波。在地震勘探中,由滑行波引起的波叫折射波(refractions),也叫做首波(Head Wave)。由斯奈尔定律知道,折射角等于临界角,折射波始终以临界角从界面向上射出。折射波的特征:入射波以临界角或大于临界角 入射高速介质所产生的波。,44,五、波动传播的定理,由Snell定律可知,波在介质中由一点传播到另一点的可以沿许多条不同的路线传播。费马原理指出波在各种介质中的传播路线,满足所用时间为最短的条件(旅行时为极小)。,费马原理示意图,1、费马原理(Fermats principle),45,五、波动传播的定理,费马原理指的是波在介质中由一点传播到另一点的沿最小旅行时的路线传播,而不
21、是沿最短路径传播。如果介质不均匀(速度不同),波在介质中传播的路径不是直线,满足中费马原理的射线路径不是唯一的路径。,注意:,46,1、惠更斯(huygens)原理,在前进的波前成上每一点都可以看作一个二次的震(波)源,且后一时刻的波前面就是基于前一时刻的波前面所激发的所有二次波的包络面。另一种表述:在波前面上的任意一个点,都可以看成是一个新的波(震)源,叫子波源。每个子波源都向各方发出波,叫子波,子波以所处点的速度传播。,47,惠更斯原理的应用,惠更斯原理是利用波前面的概念来处理问题的。因此可用图法绘出各种波的波面。惠更斯原理只给出波相位的信息,它可以确定波的传播方向,而不能确定沿不同方向传
22、播的振动的振幅,只是给出了几何位置,没有涉及波到达新位置的物理状态。,48,六、地震波的类型和特征,1、按传播机制划分(质点振动方向):纵波、横波2、按波传播的范围分:体波、面波体波-波在无穷大均匀介质(固体)中传播时有两种类型的波(纵波和横波),它们在介质的整个立体空间中传播,合称体波。面波波在自由表面或岩体分界面上传播的一种类型的波。,49,3、分界面中波的类型,按地震波在传播过程中传播路径(射线)的特点还可以把分为直达、透射、反射和折射波等。,50,地震勘探的基本任务是根据地震记录上的反射波或折射波来确定地质界面的位置。地震波的运动学可以利用类似几何光学的方法给出地震波的传播时间与反射或
23、折射界面位置的基本关系。传播时间与界面位置的关系是通过介质的传播速度联系的,与地质结构有关,先考虑常速度地质结构的情况。,第二节 一个分界面情况下反射波的时距曲线,51,在地面激发了地震波后,根据地下介质的结构和波的类型(如直达波、折射波和反射波),地震波将具有不同的传播特点。为了定量地说明不同类型的波在各种介质结构情况下传播的特点,在地震勘探中主要采用“时距曲线”(时距曲线方程)这个概念。震源激发的波在地下传播时会产生各种波的速度不同的波。由于到达时间出现不同,会有各种波的时距曲线。,第二节 一个分界面情况下反射波的时距曲线,52,第二节 一个分界面情况下反射波的时距曲线,一、时距关系(曲线
24、),定义 表示波从震源出发,传播到测线上各观测点的旅行时间t,同观测点相对于激发点的距离x之间的关系曲线。旅行时的确定 波的旅行时是通过地震记录上相应的接收道波形确定的。接收道波形记录的是各个接收点的振动曲线,用时间形式表示。,x不一定是波传播的实际路径的长度。,53,第二节 一个分界面情况下反射波的时距曲线,直达波的时距曲线,在O点激发,在测线x方向接收。,直达波时距曲线方程:是一直线。,54,第二节 一个分界面情况下反射波的时距曲线,波至(初至)-接收点由静止状态到因波到达开始振动的时刻,这个时刻称为波的初至。相位-这个相位与物理中的相位概念不同。地震勘探中习惯用振动波形图上某个特定的位置
25、(极大或极小值),地震相位通常指反射波组的特征,包括振幅、周期和连续性等。同相轴(event)-一组地震道上整齐排列的相位,表示一个新的地震波的到达,由地震记录上系统的相位或振幅变化表示。,55,第二节 一个分界面情况下反射波的时距曲线,讨论时距曲线的实际意义,不同的波具有不同的时距曲线,具有不同的特点。各种波时距曲线的特点是在地震记录上识别各种类型地震波的重要依据。自激自收接收地震剖面上,反射波同相轴的形态与地下界面的对应关系。但在一点激发多道接收的地震记录不对应了。为了把反射波时距曲线校正为能反映地下界面形态的自激自收记录,必须研究时距曲线。,56,第二节 一个分界面情况下反射波的时距曲线
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