地震波

体波质点振动
(a) P 波 (b) SH 波 (c) SV 波
体波质点振动
面波质点振动
面波（瑞雷波、地滚波） P+SV
拉夫波 P+SH
2.1.3 地震波的波形图
• 激发的地震波在3D空间传播，其振动
u u(x, y, z;t) • 对于1D的情况， u u(x,t)
• 波形图
– 波形指某质点振动随时间变化的关系。
① 惠更斯原理 Huygen’s principle ② 费马原理 Fermat’s principle ③ 叠加原理 Superposition principle ④ 互换原理 Reciprocity principle
① 惠更斯原理 Huygen’s principle
• 惠更斯原理
前进波前上任意点都看作是次生波源，而且 下一个时刻波前就是所有该时刻次生波前的包 络。
• Snell’s law
（反射、折射定理）
当地震波传播中遇 到弹性分界面，地震波 要产生反射与透射，它 们服从Snell’s law:
入射波
介质 介质
反射波
界面 透射波
1. sin sin sin
v1
v1
v2
斯奈尔定理 Snell’s law（续）
2. 入射线、反射线、透 射线与法线同在一个 平面内，该平面叫射 线平面。射线平面垂 直于界面，除界面水 平外，射线平面不垂 直界面。
地震反射波的能量 随着它在地下的 传播不断衰减， 主要由四部分组 成：
几何发散 透射损失 反射损失 介质的吸收衰减 散射等其它
地震波的能量和衰减
① 能量密度 ② 球面几何发散 ③ 吸收衰减 ④ 吸收和扩散的相对重要性
① 能量密度
• 波通过介质，产生与介 质波动有关的能量。
• 能量密度
③ 叠加原理 Superposition principle
• 叠加原理
– 两个或多个同时存在的原因产生的结果， 可以通过各个原因单独产生的结果求和 得到。这里，隐含着线性关系。
④ 互换原理 Reciprocity principle
• 互换原理
震源与接收点互换， 其波的传播路径相同， 效果（旅行时、位移、 波形）一样，产生相同 的地震道。
波前、波尾、扰动带、射线
震源
球面波前与平面波前
• 均匀各向同性介质 中，在t时刻，以r 为半径的球壳上， 具有相同的波场 值，，该球壳就是 该时刻的波前面。 任意一条半径都是 波的射线。
• 当半径很大、很大 时，取一小片球面， 其实非常接近平面。 这时，可以用平面 波代替球面波进行 研究。
2.2.2 地震勘探基本原理
• 定义：在单位时间内，垂直于波传播方向的单位面积上
能量的通量。
计算：沿波传播方向取一个小圆柱体，断面积为 s ，长
度为 t 时间内传播的距离。柱体内任意时刻，其总能量
为 Evts ，在 t t 时刻，柱内所有能量从柱体一端流
出，则
I Ev
对于球面波，其波前从震源向外扩散，在对应 r1 、r2 波前
性……
2. 地震波及其传播
2.1 地震波的生成、类型 2.2 地震波传播的基本原理 2.3 地震波的能量与衰减 2.4 地震波的反射、透射和折射 2.5 菲涅耳带的概念 2.6 地震道的生成 2.7 煤层反射波
2.1 地震波的生成、类型
2.1.1 地震波的生成 2.1.2 地震波的类型 2.1.3 地震波的波形图和波剖面图 2.1.4 有效波与干扰波
2.1.1 地震波的生成
• 什么叫地震波
– 人工激发的、在地 质介质传播的机械 振动。
• 人工激发的方式：
– 炸药震源 – 非炸药震源
• 气枪（气爆） • 电火花 • 可控震源 • 敲击……
• 炸药震源地震波的形成
– 当炸药爆炸瞬间释放大量高温、高压 的气体作用于周围介质，在距震源较 远的介质只受到瞬间、小的作用力而 产生弹性形变，质点随之振动，并向 外传播而形成地震波。
– 纵波 Primary wave – 横波 Shear wave – 面波 Surface wave
• 它们具有不同的特点、以不同的速度、按 各自固有的规律在地质介质中传播。
地震波的类型
地震波类型
形成机制
纵波
vvvRPS0.9vS2
体积形变
Primary wave
横波 Shear wave
v/ f
2.1.4 有效波与干扰波
• 有效波 通常包括：
– 反射波（含有关回转波、绕 射波）
– 折射波
• 干扰波 通常包括：
– 规则干扰：多次波、面波、 声波等与激发有关的
– 非规则干扰：随机干扰、环 境噪音
• 干扰波与有效波不完全是绝对的。如面波、多次波…横波、转换波、
折射波与反射波。
• 选择压制的依据：频谱、传播路径等特征。
– 平面波的能量不发散，所以其能量强度是常数。 – 能量比或能量强度比常用dB表示，有
dB 10 log(E2 / E1)
– 因为能量和能量强度与振幅的平方成反比，所以有
dB 20 log( A2 / A1)
– 实际地震波速度随深度增加，使得地震波扩散更快。这 时尽管波前已经不是球面了，却仍然使用“球面扩散”。
• 品质因子 定义
每周期内最大能量
Q 2 每周期内的耗散能量
岩石的 Q 值变化于 50-300左右。
岩石的品质因子及吸收系数
吸收衰减与频率
岩 石 Q p
岩浆岩 75～l50 0.04—0.02 沉积岩 20～l50 0.16—0.02 含气岩石 5～50 0.63—0.06
④ 地震波的吸收衰减与波前扩散衰减 设
频率 Hz 250
0.15db / , 2200 m / s, x0 100 m
炮检距 xl， m
500
750
1000
1500
3000
1
0.010 0.027 0.044 0.061 0.095 0.198
10
0.102 0.273 0.443 0.641 0.955 1.980
面上取面积 s1、s2，单位时间内流过二面积的能量必定相等，
总流通量是能量强度和面积的乘积。因此有
，
最后I1s得1 I 2 s2
I2
/ I1

s1 / s2


r1
r2
2

E2
/ E1
② 几何扩散
• 几何扩散
– 使球面波强度和能流密度都随距离 的平方成反比衰减，或振幅与距离 成反比衰减，这种现象称球面扩散。
吸收和扩散的相对重要性和比较
① 吸收和扩散作用的大小决定于地震波传播的距 离和频率。
② 当频率较低、距离不大时，波前扩散比吸收作 用大；
③ 随着频率升高、传播距离增加，吸收损失增大， 最终变成能量损失的主要因素。
④ 吸收使高频衰减，导致地震波形随距离变化， 其谱的能量向低频移动。
⑤ 随频率衰减的因素不止吸收，因此，地震波实 际衰减的程度比这还要高。
25
0.260 0.680 1.110 1.530 2.390 4.940
50
0.510
1.36
2.220 3.070 4.770 9.890
吸收
75
dB
100
0.760 1.020
2.050 2.730
3.320 4.430
4.600 6.140
7.160 9.550
14.800 19.800
150
• 特点
在于其普遍性。它不 仅适用于任意边界的弹 性介质，也适用于非均 匀、各向异性介质。
• 应用
– 面波的压制 大家知道面 波的振幅（或能量）沿深 度增加按指数迅速衰减； 利用互换原理，加深震源， 就可以有效压制所生成的 面波。
– 折射（反射）波的互换， 其互换时间相等（炮点与 检波点互换时）。
2.3 地震波的能量与衰减
形状形变
质点振动 方向
速度
v 与传播方向相同
2
P

v 与传播方向垂直
S
面波 Surface wave
在界面附近，由 P、S波干涉 形成，局限 在界面附近 传播
见后
vR 0.9vS
vP>vS>vR
表中，、──拉梅系数；──密度； vP>vS>vR
体波质点振动
(a) P 波 (b) SV 波 (c) SH 波
波场试验记录
声波、面波
折射-折射、微震
各种地震波频谱特征
面波
工业电
微震
声波
地震波的频谱特征
浅层折射
有效波
地震波的视速度特征
2.2 地震波传播的基本原理
2.2.1 地震波前与射线 2.2.2 地震波传播的基本原理
1. 惠更斯原理 2. 费马原理 3. 叠加原理 4. 互换原理
2.2.1 地震波前与射线
2. 地震波 及其传播
地震勘探示意图
什么叫地震勘探？
• 地震勘探是当前油气、煤炭勘探中 最重要 的一种方法。它根据岩石弹性差异，研究 人工激发的地震波在地质介质中传播的规 律，以查明地下地质构造的方法。由于地 震波传播的路径、ห้องสมุดไป่ตู้度、能量、波形等随 通过介质的弹性、几何结构和形态不同而 异，由
– 传播时间、速度介质结构 – 能量、频率、速度及其它特征地层、岩
– 定义：单位体积内的能 量。
– 能量=动能+势能。
– 质点振动过程中，动能 与势能相互转换：位移 →0，势能→0，动能 →max；位移→max ， 势能→max，动能→0。 总能量等于动能|max。