地震勘探原理02第一章 几何地震学概述
地震勘探原理
《地震勘探原理》复习要点几何地震学(地震波运动学)：研究地震波传播时间与波前空间位置的关系，采用波前、射线等几何图形来描述波的运动规律，如反射定律、透射定律、斯奈尔定律、费马原理、惠更斯原理，研究地震波时距曲线及解释理论，速度对波的传播路径和时间的影响等，所以，几何地震学在构造勘探中起重要作用。
地震波动力学是相对运动学而言的，从波的能量角度来研究其传播规律，如波的振幅、波形、频率、吸收、极化特点等。
岩石具有弹性性质，地震波是在地下介质中传播的弹性波，其基本规律由弹性波动方程来反映，因此，讨论地震波动力学问题就是讨论波动方程的建立与求解问题，从中获取地震波相应规律。
Huygens 波前原理：在弹性介质中，已知t时刻波前面上的各点，可以看成一个新的点震源，它们产生次扰动，形成子波前，经dt后新波前的位置就是这些子波前的包络。
Fermat 射线原理：波沿射线传播，所用时间最少。
用射线和波前来研究波的传播，是一种用几何作图来反映物理过程的简单方法，这就是几何地震学理论基础。
但它无法解释波的能量问题，于是Fresnel 对波前原理的补充：任一点处质点的新扰动，相当于上一时刻波前面上全部新震源所产生的子波在该点处相互干涉叠加形成的合成波。
合称为惠更斯—菲涅尔原理物理地震学：利用地震波的动力学方法研究地震波运动状态规律的科学，其中包括研究地震波能量、振幅、频率和波形等变化。
相对几何地震学而言，它能够阐明几何地震学不能解释的现象，例如绕射波的传播，菲涅尔带的能量聚焦作用等，物理地震学的实质是惠更斯-菲涅尔原理。
由于地震波的动力学特点受地层的岩性、结构和厚薄的影响很明显，因此，充分研究和利用地震波的物理学特性可提高地震资料的解释质量和解决地质问题的能力。
勘探地震学：通过利用人工激发的地震波在地层中传播特性的观测，分析计算各种波的到达时间和研究波的强度和形状，了解地质构造、岩性变化和地层速度等参数的科学。
其研究内容和方法与地震勘探大致相同。
地震勘探原理
地震勘探原理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。
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，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。
地震波运动学+地震波动力学 = 地震波场理论1、利用地震波的运动学特征来查明地下的地质构造的形态。
2、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。
第一节地震波的基本概念1、地震勘探是研究波在地下介质传播规律的一种方法。
2、有波的传播就有振动。
振动与波构成了地震勘探的基础。
一、振动和波的基本概念1、振动振动－－某质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。
f＝1/T2、波动波动－－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：1、振动是波动的源、有传播的介质。
2、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。
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。
地震勘探原理02第一章 几何地震学解析
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第二章 几何地震学
◙ 2.2 一个分界面情况下反射波的时距曲线 Single Plane Interface Reflection T-X Curve 2.2.1 时距曲线的概念 T-X Curve Conception
时距曲线：地震波的传播时间与距离的关系曲线 直达波时距曲线方程：
波前上任意一点都向该点波前的方向前进，这种垂直波前 的线称为射线，用射线来描述波的传播比用波前面更为方 便。
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第二章 几何地震学
◙ 3、费马原理（射线原理）/时间最小原理
波沿射线传播的时间是最小的――费马时间最小原 理。
◙ 4、互换原理
指震源和检波器的位置可以互相交换，同一波的射 线路径保持不变。
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第二章 几何地震学
◙ 2.1.4 地震波的干涉、极化、绕射和衰减
1、地震波的干涉
干涉：当来自不同方向的两个或两个以上的地震波相遇时， 按照叠加原理，发生能量增强或减弱的现象，称为地震波的 干涉。
2、地震波的绕射
绕射：当地震波通过弹性不连续点（地层的间断点、地层的 尖灭点、不整合接触点、断层的棱角点等）时，如果这些地 质体的大小与地震波的波长大致相当，则这种不连续的间断 点可以看作是一个新震源。新震源产生一种新的扰动向弹性 空间四周传播，这种波在地震勘探中称为绕射波，这种现象 称为绕射。
按指数规律衰减：
Ar=A0.e-α.r=A0.e-α（f）. r A0:初始振幅； Ar：传播了r距离后的振幅； α(f)：吸收系数，它是频谱的函数。
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第二章 几何地震学
3、地震波的衰减
特点：
2.第一章 地震勘探的理论基础
其压强不断地减小，直至其周围介质能产生完全 的弹性形变。
破坏圈 塑性带
弹 性 形 变 区
爆炸对岩石的影响示意图
上述震源点附近的非线性形变区称之为等效空 穴，等效空穴边缘的质点，在激发脉冲的挤压下， 质点将产生围绕其平衡位置的振动，形成了初始的 地震子波，这种振动是一种阻尼振动，在介质中沿 射线方向向四面八方传播，形成地震波。又因为接 收和研究地震波传播的空间一般都远离震源点，其
在地表以人工方法激发地震波，在向地
下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界
面，地震波将发生反射与折射，在地表或井
中用检波器接收这种地震波。收到的地震波
信号与震源特性、检波点的位置、地震波经
过的地下岩层的性质和结构有关。
通过对地震波记录进行处理和解释， 可以推断地下岩层的性质和形态。地震勘 探在分层的详细程度和勘查的精度上，都 优于其他地球物理勘探方法。 地震勘探的 深度一般从数十米到数十 千米。
2.波剖面图 如下图所示，假定在某一确定的时刻 t，在距离 震源点O的一定范围内的各不同距离的点上，同时观 察它们的质点振动的情况，并以观测点与振源O的距 离x为横坐标，以质点离开平衡位置的位移 u为纵坐 标作图所得图形如下图（b）所示，
波剖面示意图
从图中可以看出质点振动的波长和该时刻的 起振点 x2（波前）及停振点 x1（波尾）等特 征。描述某一时刻 t 质点振动位移u 随距离 x 变化的图形称之为波剖面图。
地看作为弹性介质。
在地震勘探中，采用人工震源激发地震波， 人工震源的激发是脉冲式的，作用时间极短，且 激发的能量对地下岩层和接收点处的介质所产生 的作用力较小，因此可以把它们近似地看作弹性 介质，并用弹性理论来研究地震波的传播问题。 在弹性理论的研究中，根据介质的不同特征可分 为各向同性与各向异性两类介质。凡是弹性性质 与空间方向无关的称为各向同性介质(isotropic medium)；反之则称为各向异性介质(anisotropic
地震勘探原理 第2章地震波运动学1
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视速度和视波长
22:3542源自21视速度和视波长
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视速度和视波长
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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
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
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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(ωt+φ) A-振幅，ω=2πf为圆频率， φ-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。
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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α’等于入射角α。
透射定律：
透射线也位于入射面内，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
sin α V1 = sin β V2
或
sin α sin β = V1 V2
改写
V1 V = 2 sin α sin β
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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
地震勘探原理与解释
压制面波的方法、 海上地震勘探的特点与特殊性、 海上特殊干扰波、
海上震源等。
3、分析比较陆地与海上地震勘探的异同点。 可从以下方面考虑：观测方式、震源、检波器、定位、干扰波
第二节 野外观测系统 第二节复习要点
1、掌握基本概念：观测系统、多次覆盖、共激发点记录、共接收点记录、共偏移距记录、 共反射（中心、深度）点记录。注意 4 种记录的图示方式、覆盖次数的计算
为 O 点处的自激自收时间；h 为 O 点处
为：
界面的法线深度。
将震源两边等距的两点观测点的反射
波旅行时相减，的倾角时差
:
在
3 应用编辑
的情况下，将上式用泰勒级数展开， 略去 2 次幂以上的最高次项可得：
[1]如果测出了界面的倾角时差，则可利 用它来估算界面倾角：
根据上面的讨论结果可知界面倾角：
对 S'点，同理可得反射波旅行时 ：
2、掌握基本内容：对激发的基本要求、影响激发波形特征的主要因素、A～Q 和 f～Q 的 关系、可控震源的工作原理与记录过程、可控震源相对炸药震源的优越性、对记录的基本 要求、检波器的类型、地震仪的 4 个发展阶段、地震仪的记录过程等。 对激发的基本要求
可控震源的工作原理与记录过程
可控震源相对炸药震源的优越性
参变数，简称参数。类似地，也有曲线的极坐标参数方程 ρ=f(t),θ=g(t）。⑵
圆的参数方程 x=a+r cosθ y=b+r sinθ（θ∈ [0，2π) ） (a,b) 为圆心坐标，r 为
圆半径，θ 为参数，(x,y) 为经过点的坐标
平
均
速
度
射
线
方
程
、
等
时
线
地震勘探原理总结
《地震勘探原理》各章节的复习要点第一章绪论（不作为考试内容）第二章地震波运动学理论§2.1 几何地震学基本概念1、基本概念，如地震子波：具有多个相位、延续60～100毫秒的稳定波形称为地震子波。
几何地震学:地震波的运动学是研究地震波,波前的空间位置与传播时间的关系，他与几何光学相似,也是引用波前,射线等几何图形来描述波的运动过程和规律,因此又叫几何地震学.地震勘探:通过人工方法激发地震波,研究地震波在地层中传播的情况,以查明地下的地质构造,力寻找油气田或其他勘探目的服务的一种物探方法.波面：介质中每一个同时开始振动的曲面。
射线：在几何地震学中，通常认为波及其能量是沿着一条“路径”从波源传到所考虑的一点P，然后又沿着那条“路径”从P点传向其他位置。
这样的假想路径称为通过P点的波线或射线。
振动图：在地震勘探中，每个检波器所记录的，便是那个检波器所在点处的地面振动，它的振动曲线习惯上叫做该点的振动图。
波剖面：在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫做“波剖面”。
视速度和视波长：如果不是沿着波的传播方向而是沿着别的方向来确定波速和波长，得到的结果就不是波速和波长的真实值。
这样的结果叫做简谐波的视速度和视波长。
全反射：如果V2>V1，则有sinθ2>sinθ1，即θ2>θ1；当θ1增大到一定程度但还没到90°时，θ2已经增大到90°，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，因为θ1再增大就不能出现透射波了。
雷克子波：2、基本原理反射定律：反射线位于入射平面内，反射角等于入射角，即。
透射定律：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、第二两种介质中的波速之比，即Snell定律：惠更斯原理：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。
02-1-地震勘探-地震波基本概念1弹性波
杨氏模量（ E )
E
应力 应变
F/S L / L
(2) 泊松比（σ） 在拉伸形变中，直杆的横切面会减小。反之，在轴向挤压时，横截面将增大。
也就是说，在拉伸或压缩形变中，纵向增量 L和横向增量 d的符号总是相
反的。
泊松比: 介质的横向应变与纵向应变的比值 σ =- d / d
L / L
(3) 体变模量 一个体积为V的立方体，在流体静压力P的挤压下所发生体积形变。即每个正 截面的压体变模量（压缩模量）: 压力P与体积相对变化之比 K= - P
参考书《弹性波动力学 》
自然界中绝大部分物体，在外力作用下，既可显弹，也可显塑
地震勘探，震源是脉冲式的，作用时间很短（持续十几～几十毫秒），岩土受 到的作用力很小，可把岩、土介质看作弹性介质，用弹性波理论来研究地震波。
各向同性介质：凡弹性性质与空间方向无关的介质 各向异性介质: 凡弹性性质与空间方向有关的介质
36个cij变为21个cij
各向同性
21个cij变为2个弹性参数
三、弹性模量
1．弹性模量的定义
弹性模量也叫弹性参数或弹性系数，它表示了弹性体应力与应变之间的关系， 反映了弹性体的弹性性质。
(1) 杨氏模量
当弹性体在弹性限度内单向拉伸时，应力与应变的比值称为杨氏模量（拉伸模量）。
E = F/S T
L / L e
地震波是机械波的一种
机械波定义：机械振动在介质中的传播。 形成机械波的两个必要条件：波源和介质。
•1）什么是波？
声波
绳子传播的波
水波
什么是地震波？
•弹性波：弹性介质中传播的波
•地震波是地下岩层中传播的弹性波
• 弹性波的产生
2、弹性介质与粘弹性介质
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第二章 几何地震学
◙ 2、惠更斯――菲列涅耳原理 惠更斯原理只给出了波传播的空间几何位置，而不能给出 波传播的物理状态，如能量变化问题，在1814年菲列涅耳 补充了惠更斯原理，他认为；波传播时，任一点处质点的 新扰动，相当于上一时刻波前面上全部新震源所产生的子 波在该点处相互干涉叠加形成的合成波。这就是惠更斯－ 菲列涅耳原理。
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第二章 几何地震学
◙ 几何地震学 :研究地震波的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: 地震波传播的基本概念和基本规律 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
然后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
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第二章 几何地震学
◙ 1、惠更斯原理 克里斯蒂安 · 惠更斯（荷兰 科 学 家 ） 在 1690 年 出 版 的 《光论》一书中正式提出了 光的波动说，建立了著名的 惠更斯原理 ，说明波向前 传播的规律。
荷兰物理学家(1629-1695)
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第二章 几何地震学
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第二章 几何地震学
◙ 2.1
地震波的传播 Seismic Wave Propagation
2.1.1 地震波传播的基本原理 Basic Principle of Seismic Wave propagation 1、惠更斯原理（波前原理）(Front Wave Principle) 2、惠更斯――菲列涅耳原理 3、费马原理（射线原理）、时间最小原理(ray Principle/The Least Time Principle) 4、互换原理 5、叠加原理
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第二章 几何地震学
2 、振动图与波剖面（振动曲线与波形曲线）
振动曲线：某质点在不同时刻的位置关系 波形曲线：在某一时刻不同质点的位置关系
振动 曲线
振动曲线与波 形曲线的关系
波形 曲线
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波前上任意一点都向该点波前的方向前进，这种垂直波前 的线称为射线，用射线来描述波的传播比用波前面更为方 便。
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第二章 几何地震学
◙ 3、费马原理（射线原理）/时间最小原理 波沿射线传播的时间是最小的――费马时间最小原 理。 ◙ 4、互换原理
指震源和检波器的位置可以互相交换，同一波的射 线路径保持不变。
◙ 1．破坏圈 (Destroy Circle/round)
炸药在井中爆炸时，它所产生的高温高压气体对炸药 周围的岩石产生了巨大的压力，靠近炸药附近的岩石， 由于压力太大的抗压强而被压碎，超过了岩石的抗压 强而被压碎，形成了一个空洞的破坏圈。
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第二章 几何地震学
◙ 2. 塑性带 ( Plastics Range/band)
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第二章 几何地震学
◙ 3．弹性形变区 ( Elasticity Formation Range/rear)
随着离开震源距离的增大，炸药的能量将变得更小。在这 个区域，由于爆炸所产生压力作用变得很小，作用时间很 短，所以此区域的岩石已处在弹性限度内，可以把岩石看 成是完全弹性体，整个区域称为弹性形变区。该区受力后， 岩石质点将发生弹性形变，即发生弹性振动，由于岩石部 分之间有弹性联系，所以这一部分岩石的质点（形变）又 引起它周围各部分岩石的振动（形变〕。这样的弹性振动 将由近及远的传播出去，就形成了在地下岩层中传播的弹 性波――地震波。
◙ 5、叠加原理 几个波相加的结果等于各个波作用的和。03:05:42源自13第二章 几何地震学
◙ 2.1.2 地震波的描述 Seismic Waves Description 1、波前 Waves Front 、波后 Wave Back 、波面与波线 Waves Ray
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。
主讲：彭晓波
地球物理与石油资源学院
pxbcn@
绪 论
◙ 课堂回顾：
油气勘探的方法 物探方法 地震勘探 地震勘探的组成 地震勘探的发展概况
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地震勘探原理
◙绪论 ◙第二章 几何地震学
◙第三章 地震数据采集
◙第四章 地震勘探组合法 ◙第五章 多次覆盖方法 ◙第六章 地震波速度 ◙第七章 地震勘探资料解释 ◙第八章 几种专门的地震方法
表述：波在传播过程中，任一时刻的波前面上的每一点都可 以看作是一个新的点震源，由它产生二次扰动，形成子波前， 这些子波前的包络面(envelope) ，就是新的波前面。反映了 波传播的空间位置、形态。根据这个原理可以通过作图的方 法，由已知t时刻波前的位置去求出t+Δt时刻的波前。 意义：可确定波传播的方向（射线方向）。
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第二章 几何地震学
◙ 地震波的形成 Seismic Wave Formation
假设地下岩石是均匀 介质，它的各部位之 间存在着弹性联系， 当炸药在岩层中爆炸 后，应变形成三个区 域(Three Range)
r
破碎区 塑性区
爆炸半 径
弹性区
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第二章 几何地震学
在破坏圈内，由于爆炸的能量有一部分在压碎岩石和发 热过程中消耗，并随着离开震源距离的增加，炸药爆炸 的能量传给越来越多的岩石单元，因而岩石单位体积上 的能量将迅速减少，在离开炸药一定的距离时，炸药的 能量将小于岩石的抗压强度，此时，岩石虽不再受破坏， 但压力还是超过岩石的弹性极限。因此，这一带的岩石 具有塑性形变的特点，在岩石中出现以震源为中心向四 周扩张的辐射状的裂隙，这个地带叫塑性带。