地震勘探原理第2章地震波运动学课件.ppt

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1、地震勘探原理,主讲人：陈双全,02:43,2,地震勘探原理,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,02:43,3,第2章 地震波运动学理论,几何地震学:研究地震波波前的空间位置与其传播时间的关系。引用波前、射线等几何图形来描述波的运动过程和规律。主要内容:首先介绍基本概念和地震波在传播过程中所遵循的几个原理；其次分析在介质分界面上产生的反射波、折射波、透射波的条件及这些波的特点；最后讨论地震波在层状介质、连续介质中的传播特点。,02:43,4,第2章 地震波运动学理论,2.1 几何地震学基本概念2.2 常速单界面的

2、反射波特征及数学表达式2.3 变速多界面的反射波特征及数学表达式 2.4 地震折射波运动学,02:43,5,第2章 地震波运动学理论,2.1 几何地震学基本概念2.2 常速单界面的反射波特征及数学表达式2.3 变速多界面的反射波特征及数学表达式 2.4 地震折射波运动学,02:43,6,2.1 几何地震学基本概念,2.1.1 地震波的基本概念2.1.2 地震波的传播规律2.1.3 地震波的类型,02:43,7,2.1.1 地震波的基本概念,2.1.1.1 地震波2.1.1.2 波前、波后和波面2.1.1.3 射线2.1.1.4 振动图与波剖面2.1.1.5 地震子波2.1.1.6 描述波动的特

3、征量,02:43,8,2.1.1.1 地震波,1、什么是波？2、什么是弹性波？3、什么是地震波？,地震波是在岩层中传播的弹性波,02:43,9,1、什么是波,波(wave)就是振动在介质中的传播形成条件：弹性介质、激发振动。,02:43,10,1、什么是波,02:43,11,1、什么是波,02:43,12,1、什么是波,02:43,13,1、什么是波,02:43,14,2.1.1.1 地震波,1、什么是波？2、什么是弹性波？3、什么是地震波？,02:43,15,2、什么是弹性波,02:43,16,2、什么是弹性波,02:43,17,2、什么是弹性波,在消除外力作用后立即恢复原来状态的介质，在地

4、震勘探中这种传播地震波的岩层称为弹性介质。振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”,02:43,18,2.1.1.1 地震波,1、什么是波？2、什么是弹性波？3、什么是地震波？,02:43,19,3、什么是地震波？,02:43,20,3、什么是地震波？,02:43,21,3、什么是地震波？,02:43,22,2.1.1 地震波的基本概念,2.1.1.1 地震波2.1.1.2 波前、波后和波面2.1.1.3 射线2.1.1.4 振动图与波剖面2.1.1.5 地震子波2.1.1.6 描述波动的特征量,02:43,23,2.1.1.2 波前、波后和波面,1、波动与振动振动是质点的运动，波动是振动的传

5、播，即介质整体的运动。振动传播的速度为波速，与质点本身运动的速度无关。波速有限是波动的必要条件。波动伴随能量传播。,02:43,24,1、波动与振动,02:43,25,2、波前、波后和波面,波前：某一时刻介质中各点刚好开始振动，这一曲面叫波前，也叫波阵面。波后：某一时刻介质中各点的振动刚好停止，这一曲面叫波后，也叫波尾。波面：把某一时刻介质中所有相同状态的点连成曲面,这个曲面就叫做这个时刻的波面，也叫等相面。波面是波前的“遗迹”，按波面的形状，可以对波进行分类。球面波、柱面波、平面波。不指明哪一个时刻来讨论波前和波后是没有意义的。,02:43,26,2.1.1 地震波的基本概念,2.1.1.1

6、 地震波2.1.1.2 波前、波后和波面2.1.1.3 射线2.1.1.4 振动图与波剖面2.1.1.5 地震子波2.1.1.6 描述波动的特征量,02:43,27,2.1.1.3 射线,波线：在适当的时候，认为波及其能量沿着某一条路线传播，这条路线称为波线，或射线。射线是一条假想的“线”，射线垂直于波前。,02:43,28,2.1.1 地震波的基本概念,2.1.1.1 地震波2.1.1.2 波前、波后和波面2.1.1.3 射线2.1.1.4 振动图与波剖面2.1.1.5 地震子波2.1.1.6 描述波动的特征量,02:43,29,2.1.1.4 振动图与波剖面,波的完整描述振动曲线:表示质点

7、振动的曲线。振动图:检波器所在点的振动曲线。波形曲线:同一时刻各点的位移绘制在一个图上得到的曲线。波剖面:沿测线的波形曲线。,02:43,30,2.1.1.4 振动图与波剖面,02:43,31,2.1.1.4 振动图与波剖面,02:43,32,2.1.1.4 振动图与波剖面,多个振动图组成一张野外共炮点地震记录,02:43,33,2.1.1 地震波的基本概念,2.1.1.1 地震波2.1.1.2 波前、波后和波面2.1.1.3 射线2.1.1.4 振动图与波剖面2.1.1.5 地震子波2.1.1.6 描述波动的特征量,02:43,34,2.1.1.5 地震子波,地震子波（wavelet）：当地

8、震波传播一定距离后，其形状逐渐稳定，具有2-3个相位，有一定的延续时间的地震波，称为地震子波，它是地震记录的基本元素。,02:43,35,2.1.1.5 地震子波,地震子波在继续传播的过程中，严格来讲其幅度和形状都会发生变化，近似可以认为地震子波的形状基本不变，但其振幅有大有小、极性有正有负，到达接收点的时间有先有后。,02:43,36,2.1.1.5 地震子波,地震勘探的实质利用地震子波从地下地层界面（或岩性界面）反射回地面时带回的双程旅行时信息（运动学）和幅度、形状（动力学）等变化的信息来研究界面的埋深及界面上下岩性变化的。,02:43,37,2.1.1.5 地震子波,雷克(Ricker)

9、子波,02:43,38,2.1.1 地震波的基本概念,2.1.1.1 地震波2.1.1.2 波前、波后和波面2.1.1.3 射线2.1.1.4 振动图与波剖面2.1.1.5 地震子波2.1.1.6 描述波动的特征量,02:43,39,2.1.1.6 描述波动的特征量,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：U(t)=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，但在理论分析上有十分重要的意义。大多数形式较复杂的波，可以用简谐波的叠加来表示，方法是付氏(频谱)分析。,02:43,40,2.1.1.6 描述波动的特征量,周期T频

10、率f：f=1/T波长：在一个周期时间内正弦波沿着波线前进的距离。波速：单位时间内正弦波沿着波线前进的距离,02:43,41,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。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。,视速度和视波长,02:43,42,视速度和视波长,02:43,43,视速度和视波长,02:43,44,视速度和视波长,02:43,45,2.1.1 地震波的基本概念,2.1.1.1 地震波2.1.1.2 波前、波后和波面2.1.1.3 射线2.1.1.4 振动图与波剖面2.1.1.5 地震子波2.1.1.6 描述波动的特征量,02:

11、43,46,2.1 几何地震学基本概念,2.1.1 地震波的基本概念2.1.2 地震波的传播规律2.1.3 地震波的类型,02:43,47,2.1.2 地震波的传播规律,2.1.2.0 反射和透射2.1.2.1 反射定律2.1.2.2 透射定律2.1.2.3 施奈尔(Snell)定律2.1.2.4 费马(Fermat)原理2.1.2.5 惠更斯(Huygens)原理,02:43,48,1、反射和透射,概念：当下行的地震波到达两种介质的分界面时，其中的一部分又回到了上层介质中，这种波称为反射波；另一部分穿过界面到达下伏介质中的地震波称为透射波。波阻抗：地震波传播速度与介质密度的乘积（Z=V）。它

12、是研究界面上地震波反射强度的一个重要参数。Z1Z2 界面上下存在 有波阻抗差。界面上下 的波阻抗差越大，反射 波就越强,02:43,49,几种岩石的波阻抗,02:43,50,2、反射定律和透射定律,入射线、反射线和透射线-波的入射、反射和透射用射线表示。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,02:43,51,2、反射定律和透射定律,反射定律 反射线位于入射面内，反射角等于入射角。透射定律：透射线

13、也位于入射面内，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。,改写,02:43,52,2、反射定律和透射定律,02:43,53,2、反射定律和透射定律,02:43,54,地震折射波,两层介质，下伏层的速度大于上覆层的速度，即V2V1，这时地层中才会产生折射波。滑行波：当入射角等于临界角时，透射波的射线与界面平行，以下界面的地震波速度沿界面滑行传播的波。折射波：滑行波在滑行的过程中，下层介质中的质点就会产生振动，形成新的震源，并在上层介质中产生新的地震波。,02:43,55,地震折射波,02:43,56,波型转换,波在非法线

14、入射的情况下，无论是纵波或是横波。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。,02:43,57,3、纵横波的反射和透射定律(Snell定律),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，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，VP1、VP2、VS1、VS2分别为介质1和2的纵横波速度，其中P为一常数，称射线路径参数。,02:43,58,多层水平介质的

15、斯奈尔（Snell）定律,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，可以得到斯奈尔定律。它还包括横波和纵波的传播。设各层的纵波、横波速度分别用Vp1,Vs1,Vp2,Vs2,.Vpi,Vsi表示，则斯奈尔定律的形式如下：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,02:43,59,4、费马原理,02:43,60,5、惠更斯原理,02:43,61,5、惠更斯原理,02:43,62,5、惠更斯原理,02:43,63,2.1.2 地震波的传播规律,2.1.2.0 反射和透射2.1.2

16、.1 反射定律2.1.2.2 透射定律2.1.2.3 施奈尔(Snell)定律2.1.2.4 费马(Fermat)原理2.1.2.5 惠更斯(Huygens)原理,02:43,64,2.1 几何地震学基本概念,2.1.1 地震波的基本概念2.1.2 地震波的传播规律2.1.3 地震波的类型,02:43,65,地震波的类型,02:43,66,地震波的类型,02:43,67,纵波,质点振动方向与波的传播方向一致，传播速度最快。又称压缩波(compressional)、膨胀波(dilatational)、纵波(longitudinal)或P-波(P-Wave),02:43,68,横波,质点振动方向与

17、波的传播方向垂直，速度比纵波慢，也称剪切(shear)波、旋转(rotational)波、横波(transverse)或S-波(S-wave)，速度小于纵波约0.7倍。,02:43,69,两种振动方向的横波SV和SH波,在三维体介质中，横波的振动与传播方向垂直有两个方向，可把横波分为SV和SH波两种形式：如果振动发生在通过波传播方向的垂直平面内称SV波，在水平面内则称SH波。,SV波,SH波,02:43,70,面波,面波 一种质点振动沿着或靠近介质表面传播的地震波，振幅随深度以指数规律衰减。其速度可由大约一个波长的深度范围内介质的弹性性质所定，速度约为横波的0.92倍。在地震勘探中，通常指地滚

18、波(ground roll)。包括瑞利波、乐夫波等。其中最重要的面波是瑞利波。在地震勘探中，面波被作为一种干扰波处理，并且发展相应的观测和处理技术。但在一些工程勘探中被作为一种有效的勘探方法。,02:43,71,乐夫波,02:43,72,瑞利波,瑞利波是最常见的沿地面传播的面波。,02:43,73,反射和透射波的强度和极性,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,注意：自由界面上的位移总振幅为介质内部质点位移振幅的两倍。,垂直入射反射和透射系数,02:43,74,极性,反射波强度与分界面两边波阻抗之差（Z2Z1）和之和（Z2Z1）

19、有关。当浅层和深层波阻抗差相同时，深层的反射弱。反射极性：当Z2Z1时，R0，反射波和入射波的相位相同；当Z2Z1时，R0。两个振幅反号，反射波的相位与入射波相反，差180度，称这种现象为“半波损失”。透射系数T1R总是正的，说明透射波的相位与入射波的相位相同；当R为负时，T可以大于1。,02:43,75,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。,水平界面上的各种波,02:43,76,同类波与转换波,入射波和反射波、透射波的振动特性一致称同类波，改变了振动特性的反射和透射波称转换波。,02:43,77,2.1 几何地震学基本概念,2.1.1 地震波的基本概念2.1.2 地震波的传播规律2.1.3 地震波的类型,02:43,78,第2章 地震波运动学理论,2.1 几何地震学基本概念2.2 常速单界面的反射波特征及数学表达式2.3 变速多界面的反射波特征及数学表达式 2.4 地震折射波运动学,02:43,79,作业,解释下列概念1、地震波的运动学2、波前、波后和波面3、射线4、振动曲线和波形曲线5、地震子波6、视速度和视波长7、波阻抗,02:43,80,作业,解释下列概念8、Snell定律9、费马原理10、惠更斯原理11、反射系数12、纵波与横波,