第2章地震信号频谱分析
重大社2023《建筑结构抗震设计(第3版)》教学课件2
地球介质 （含场地）
工程结构
地震 地面运动
结构 地震响应
Acc.(m/s2)
400 300 200 100
0 -100 -200 -300
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t(sec.)
（1）描述地震动的物理量有加速度、速度和位移。
汶川地震什邡八角站记录的NS方向加速度时程
（2）地震动包括两个水平分量和一个竖向分量。
a (t ) (m/s2)
10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0
0 10.0 5.0
10.0 东西分量
5.0
南北分量
a (t ) (m/s2)
地震动是一个具有随机性的不规则0.0 时间历程 -5.0
-10.0
20
40
60
80 t (s) 100
120
140
160
0
20
40
60
80 t (s) 100
与临界阻尼比ζ＝1相应的阻尼系数 为cr＝2wm，称为临界阻尼系数
一般工程结构均为欠阻尼， （ζ=0.01～0.1）
2023年9月6日
2.4.1 单自由度弹性体系的地震反应分析
确定系数c1、c2
x(t) (c1 cos't c2 sin 't)et
考虑初始条件： x0 x(0), x0 x(0)
xg
•
质点所受冲击力为：P
m 0
xg
0 dt dt
dt
•
质点在0～dt时间内的加速度为：
抗震设计中如何把握地震动的 特性？如何保证所考虑地震动 的合理性？
2.2 地震动特性
地震数据数字处理总结
中国石油大学（北京）《地震数据处理方法》勘查2011级复习重点总结第一章地震数据处理基础1、地震信号的特点：1）实信号2）离散3）有限长4）能量有限5）非周期2、采样定律内容：一个连续信号，如果其最高频率小于尼奎斯特折叠频率，即信号的采样频率大于信号最高频率的两倍，则利用离散采样后的信号可以恢复原始信号。
3、采样定律的应用条件：信号的采样频率大于信号最高频率的两倍，即：最高频率至少要在一个周期内采到两个样点4、采样频率、折叠（尼奎斯特）频率、信号最高频率定义：5、假频的定义：高于尼奎斯特频率的高频成分以尼奎斯特频率为中心向低频方向折叠，形成假的频率成分，称为假频。
6、假频的判断和计算：7、地震信号的频谱特点：1）有限带宽（带限）2）有一定主频（主频越高，分辨能力越强）8、判别相位性质的三种办法：1）相位延迟（不常用）2）能量延迟3）Z变换的多项式求根（根都在单位圆外，为最小相位（延迟）信号）9、一维数字滤波实现方法、具体步骤：1）频率域：实现方法：（以零相位为例，翻译略）具体步骤：a、地震频谱分析：确定分析有效频率范围b、设计滤波器：压制噪声保留有效信号c、地震记录FFT变换：标准化变换长度d、进行滤波运算：振幅谱相乘相位谱相加e、滤波结果IFFT2）时间域：（也叫褶积滤波）实现方法：（以零相位为例，翻译略）具体步骤：a、地震记录频谱分析：确定中心频率、带宽b、设计滤波器：确定滤波算子长度（频带越宽，长度越短）c、确定滤波因子离散值：双边对乘实参数d、进行滤波运算：地震记录与滤波因子褶积10、伪门的定义：对连续的滤波因子用时间采样间隔离散采样后，得到离散的滤波因子，若再按离散的滤波因子计算出与它相应的滤波器的频率特性，这时在频率特性的图形上，除了有同原来连续的滤波因子的频率特性对应的“门”外，还会周期性地重复出现很多“门”，这些门称为“伪门”。
产生“伪门”的原因：由于对滤波因子离散采样。
11、吉布斯现象：当对滤波因子用有限项代替无限项时，在原始信号突变点（间断点）处，通过信号出现的明显的振荡现象。
第2课地震解释-地震层序
2.1.4 地震时间剖面的特征
2.1.1 地震子波的有关概念
地震子波：
激发 接收
由人工震源所激发出的弹性波是一个 脉冲波，在传播过程中由于大地滤波作 用，要发生复杂的变化，由于高频成分受 其影响最大，而低频成分受其影响小，因 此在传播一定距离后，尖脉冲变成了频率 较低，具有一定延续时间且相对比较稳定 的波形，称其为地震子波。
X
式中
X(t)为地震子波，
R(t)为反射系数时间序列。
反射系数：(ρ2v2- ρ1v1)/ (ρ2v2+ρ1v1)
子波
反射系数 合成记录
反射地震记录的形成
（2）形成单道地震记录的绕射积分模型
• 根据惠更斯--菲涅尔原理及克希
霍夫绕射积分理论的广义绕射的 思想，认为地震波从震源出发， 以球面波的方式向下传播到达反 射界面S，而S可以看作有许多小 面积△S组成，每个这样的小面积 都可以看作一个新的点震源(绕射 体)，从新震源出发的一系列球面 子波(绕射子波)向四面八方传 播，地面接收点P接收的地震反射 记录是S面上所有绕射子波叠加的 结果。
波峰：质点位移为正时的极值点。
波谷：质点位移为负时的极值点。 周期：相邻两波峰(或波谷)间的时间间隔。 持续时间：初始振动到终止振动所持续的时间 相位数：在持续时间内波峰或波谷的个数
视振幅：质点离开平衡位置 的最大位移量 视周期：相邻两波峰(或波 谷)间的时间间隔 波峰：质点位移为正时的极 值点。 波谷：质点位移为负时的极 值点。
A反射子波=A入射子波×R 因反射系数不仅有大小，还有正负。因此可以说反射界面是有 正负“极性”之分的。从而反射子波随界面性质也具有了“极性”
反射子波的极性
地震勘探原理 第4章地震波速度
n
x2
vi hi
i1 (vm 2 vi 2 )1/ 2
时，可以把反射波的传播时间和炮检距以x2的幂级数展开
t 2 t02 i x2i i 1
这个级数是收敛的。Vm是n层中最大的层速，
n
t0 ti i 1
40
4.2.2 均方根速度VR
t2
t02
x2 vR 2
(
vQ vR
4.1.1 速度与岩石弹性常数的关系 4.1.2 速度与岩性的关系 4.1.3 速度与岩石密度的关系 4.1.4 速度与地质年代和构造历史的关系 4.1.5 地震波速度与埋藏深度的关系 4.1.6 与孔隙度和流体性质的关系 4.1.7 与频率和温度压力的关系 4.1.8 沉积岩中速度分布的一般规律
5
1 1
v v f vm
式中，V是岩石实际速度 ；Vf是孔隙流体中的速度；Vm 是岩石基质的速度；Φ是岩石的孔隙度。
23
4.1.6 与孔隙度和流体性质的关系
在上述公式中速度还受孔隙流体压力的影响，流体压
力降低，流体压力这项的百分比影响就变小，当流体
压力接近大气压时，其影响变得最小。因此在实际条
件下，时间平均方程必须用一个压差调节系数C加以修
18
4.1.5 地震波速度与埋藏深度的 关系
一般来说，随深度的增加地震波速度增 大。不同的地区，速度随深度变化的垂 直梯度可能相差很大。一般地说，在浅 处速度梯度较大；深度增加时，梯度减 小。
19
4.1.5 地震波速度与埋藏深度的 关系
20
4.1 影响地震波传播速度的因素 分析
4.1.1 速度与岩石弹性常数的关系 4.1.2 速度与岩性的关系 4.1.3 速度与岩石密度的关系 4.1.4 速度与地质年代和构造历史的关系 4.1.5 地震波速度与埋藏深度的关系 4.1.6 与孔隙度和流体性质的关系 4.1.7 与频率和温度压力的关系 4.1.8 沉积岩中速度分布的一般规律
地震波形数据的处理和分析
地震波形数据的处理和分析1. 引言2. 数据采集3. 数据预处理- 数据格式转换- 数据降噪- 数据校正4. 数据分析- 时域分析- 频域分析- 时间-频率分析5. 结束语1. 引言地震是地球上的一种常见自然灾害，它可能造成巨大的生命和财产损失。
地震波形数据的处理和分析是了解地震活动和预测地震可能性的关键步骤。
本文旨在介绍地震波形数据的处理和分析方法，帮助科研工作者更好地利用这些数据来研究地震活动和预测地震可能性。
2. 数据采集地震波形数据的采集通常使用地震仪。
地震仪通常由三个基本部分组成：传感器、记录器和电源。
传感器用于测量地震波，将其转换为电信号。
记录器接收来自传感器的信号，并将其记录在磁带、磁盘或计算机存储器中。
电源用于提供记录器和传感器所需的电力。
3. 数据预处理处理地震波形数据的首要任务是对其进行预处理。
地震数据预处理可以分为数据格式转换、数据降噪和数据校正三个部分。
- 数据格式转换地震数据采集器通常会以其自己的格式存储数据。
因此，在使用数据之前，必须将其转换为统一的格式。
这通常需要使用专业软件或自己编写的代码来完成。
- 数据降噪地震波形数据通常包含许多各种各样的噪声，并可能出现一些异常值或目标外的信号。
因此，需要降低噪音，以使信号更加清晰。
常用的降噪方法有滤波、去除基线漂移等。
- 数据校正校正是指将原始地震波形数据转换为标准的地震量，例如位移、速度或加速度。
地震波形数据的校正可通过对地震仪的灵敏度和响应函数进行测量来完成。
4. 数据分析地震波形数据的分析涉及到时间域分析、频域分析和时间-频率分析。
- 时域分析时域分析是分析地震波形数据的时间特性。
时域分析方法通常包括峰值、振幅、半周期等。
- 频域分析频域分析是分析地震波形数据的频率特性。
这可以通过将波形数据转换为频谱来实现。
最常用的频域分析方法是傅里叶变换。
- 时间-频率分析在许多情况下，需要分析地震波形数据的时间和频率特性。
这可以通过使用小波分析完成。
设备地震响应的频谱分析法
第30卷第1期2003年北京化工大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GYVol.30,No.12003设备地震响应的频谱分析法李建丰 徐 鸿 王 楠 缪鸿燕(北京化工大学机电工程学院,北京 100029)摘 要:目前设备抗地震分析一般有两种基本方法:时程分析法和地震频谱法。
文中以实例说明了如何运用有限元数值分析方法来实现频谱分析的步骤:首先进行模态分析,求得结构在地震频谱频率范围内的各阶固有频率;然后进行频谱分析,先求得对应于各阶固有频率的地震响应模态解,再进行模态解合并以得到结构对地震的总响应;再在后处理中进行工况组合得到包括地震载荷在内的各种工况的应力解、位移解。
文中还参照ASME 规范第Ш篇NF 分篇的原则确定了不同工况组合下的应力极限。
关键词:地震响应分析;频谱分析法;有限元分析中图分类号:O31312收稿日期:2002206224第一作者:男,1974年生,硕士生E 2mail :lijianfeng311@引 言随着化学工业、石油工业和核电工业等的发展,大型设备、管道和精密装置逐渐被广泛地应用到工业中,它们的抗地震性能也越来越受到人们的重视,尤其是高毒性化学物质、核材料的反应储运设备和装置,人们要求设备在使用期间可能发生的地震中不至于损坏,有的甚至要求在地震期间能够正常运转。
因而,大型设备、管道及精密装置的抗地震分析成为设计制造过程中不可缺少的一个环节[1]。
如何定量地分析在一定的地震条件下设备的响应,以确定设备在地震时的运动情况、变形情况和应力情况,就成为设备抗地震分析所要解决的课题。
分析地震的响应一般有两种方法:时程分析法和频谱分析法。
频谱分析法目前在设备抗地震分析中被广泛采用[1]。
辅以大型有限元计算程序,这种方法虽然不能解出地震历程中设备运动与时间的函数关系,但可以确定设备上各危险点在整个地震历程中的最大应力和最大位移。
地震勘探原理题库讲解
第一章地震波的运动学第一节地震波的基本概念第二节反射地震波的运动学第三节地震折射波运动学第二章地震波动力学的基本概念第一节地震波的频谱分析第二节地震波的能量分析第三节影响地震波传播的地质因素第四节地震记录的分辨率第三章地震勘探野外数据的野外采集第一节野外工作方法第二节地震勘探野外观测系统第三节地震波的激发和接收第四节检波器组合第五节地震波速度的野外测定第四章共中心点迭加法原理第一节共中心点迭加法原理第二节多次反射波的特点第三节多次叠加的特性第四节多次覆盖参数对迭加效果的影响及其选择原则第五节影响迭加效果的因素第五章地震资料数字处理第一节提高信噪比的数字滤波第二节反滤波第三节水平迭加第四节偏移归位第五节地震波的速度第六章地震资料解释第一节地震资料构造解释工作概述第二节时间剖面的对比第三节地震反射层位的地质解释第四节各种地质现象在时间剖面上的特征和解释第五节地震剖面解释中可能出现的假象第六节反射界面空间位置的确定第七节构造图、等厚图的绘制及地质解释第八节水平切片的解释一、名词解释第一章地震波的运动学1、波动（难度90区分度30）2、波前（难度89区分度31）3、波尾（难度89区分度31） 4、波面（难度89区分度31） 5、等相面（80 、 33） 6、波阵面（81 、 34）7、波线（70 、 33） 8、射线（72 、 40）9、振动曲线（75 、 42） 10、波形曲线（76 、 44） 11、波剖面（65 、 46） 12、子波（60 45）13、视速度（80 、 30） 14、射线平面（60 、 47）15、运动学（70 、 55） 16、时距曲线（68、 40） 17、正常时差（60 、 45） 18、动校正（60、 60） 19、几何地震学（70 、 35）第二章地震波动力学的基本概念1、动力学（70 、 40）2、物理地震学（71、 35）3、频谱（50 、 50）4、波的发散（90 、 30）5、波散（90 、 31）6、频散（80、 35）7、吸收（70 、 40 ）8、纵向分辨率（60、40）9、垂向分辨率（60、40）10、横向分辨率（60、40）11、水平分辨率（60、40）12、菲涅尔带（50、45） 13、主频（65、40）第三章地震勘探野外数据的野外采集1、规则干扰波（90、30）2、不规则干扰波（90、30）3、观测系统（80、35）4、多次覆盖（65、50） 5、共反射点道集（70、45）6、检波器组合（90、30）7、方向特性（75、30）8、方向效应（90、30）第四章共中心点迭加法原理1、共中心点迭加（70、40）2、水平迭加（60、40）3、剩余时差（60、50）第五章地震资料数字处理1、偏移迭加（75、30）2、平均速度（85、30）3、均方根速度（80、30）4、迭加速度（70、40）第六章地震资料解释1、标准层（50、40）2、绕射波（40、50）3、剖面闭合（30、60）4、三维地震（70、30） 5、水平切片（45、60） 6、等厚图（65、40） 7、构造图（80、30）二、填空题第一章1、振动在介质中的传播就是（）。
地震勘探概论3_地震波的动力学特征
2. 球面扩散
均匀介质中的波前扩散。即振幅随传播距离的增加而呈线 性衰减，而能量密度随传播距离平方的增大而减小。
I1 E 4r1 , I2 2
2
E 2 , E A 4r22
2 2
I1 r2 I 2 r1
I1 A1 r2 I A r 2 2 1
43
第一节 地震波的频谱
频谱、波谱和频波谱分析的最终目的： 为数字滤波奠定基础，从而达到压制 干扰波，增强有效波，提高信噪比的目的。
44
第一节 地震波的频谱
45
第一节 地震波的频谱
频带扫描
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折射波 背景干扰 折射波
面波
50Hz干扰
面波
随机高频
干扰波
地震波的种类识别
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滤波前的单炮记录
滤波后的单炮记录
接收条件：
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第二节 影响反射波振幅的因素
一、定性分析
二、影响反射波振幅的种类
三、影响反射波振幅的主要因素
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三、影响反射波振幅的主要因素
（一）波前扩散
（二）吸收衰减
（三）透射损失
（四）入射角的变化
（五）反射界面形态产生的聚焦和发散
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（一）波前扩散
1. 概念 指地震波在介质中，由震源向四面八方传播，随着距离 的增加散布的波前面面积越来越大的这种现象。
12
第一节 地震波的频谱
一、频谱的概念 二、地震波频谱的表示方法 三、地震波频谱的特点
四、频谱分析的意义
五、地震波的波谱和频波谱
13
二、地震波频谱的表示方法
1. 表示方法
能用谐波分量合成任意曲线
凌云地震数据定量分析#2
2.干扰信噪比分析自从地震勘探方法用于石油勘探以来，人们就十分熟悉信噪比这一名词。
因为它直接影响地震成象的质量，同时也限制了实际地震勘探的能力。
人们一直在野外采集和处理中为提高地震数据的信噪比而努力。
如在野外尽可能采用合理的组合方式压制规则干扰波，尽可能选择合理的激发和接收提高反射信息能量；在处理中研究去噪方法，如频率滤波、F-K滤波、K-L滤波、τ-P滤波、中值滤波、F-X随机干扰滤波和各种叠加滤波方法。
人们期望通过对干扰波的压制，提高反射目的层的高频信噪比，从而获得更高分辨率地震的成象结果。
但由于地球表层沉积岩（非均匀、各向异性、非完全弹性）介质的复杂性，和大地吸收衰减的存在，以及实际地震处理能力的限制，往往我们难以获得能满足地质家要求的地震勘探结果。
如小于5米的岩性油气田勘探和油田开发中的油气水界面等勘探要求。
但我们相信随着地震勘探技术的提高，可以逐步提高地震勘探精度和能力。
显然要提高地震勘探的能力就必须认识和解决地球物理中存在的问题。
从地震勘探角度分析，在诸多地震勘探客观因素（近地表介质变化引起的激发和接收的振幅衰减和频率吸收衰减影响、潜水面变化引起的激发虚反射的变化影响、非完全弹性体介质引起的球面发散与吸收衰减变化的影响、环境变化（风、雨和雷电的影响）引起的高频干扰、50Hz工业干扰和其它人文环境干扰等的影响）和主观因素（如激发因素（激发源类型、激发深度、激发能量、激发组合形式等）、接收器因素（接收器型号、接收器埋深、接收器数量和组合形式等）、仪器因素（仪器型号、仪器动态范围、仪器前置滤波、仪器前置放大器和仪器陷波器）、激发干扰波（面波、次生干扰波，折射干扰）、以及观测纵波外的其它波（多次波、转换波、横波等））中，地震反射波传播的吸收衰减影响和干扰波影响仍是地震勘探中的主要问题。
它们之间的变化关系形成了地震勘探的信噪比临界门限值，这一信噪比门限值限制了地震勘探的能力。
但在实际地震勘探中如何确定这一信噪比临界门限值仍是地球物理工作者难以回答的问题。
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 vv ⎫==⎪⎪⎬⎪==⎪⎭ (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 0.5V 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=3② σ＝0，极坚硬岩石, V p/V s =2③ 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。