地震波的基本概念ppt課件

.,地球物理系王永剛,地震波運(yùn)動學(xué)理論,地球物理勘探,.,課程內(nèi)容,第1章緒論第2章地震波運(yùn)動學(xué)理論第3章地震資料采集方法與技術(shù)第4章地震波速度第5章地震資料解釋的理論基礎(chǔ)第6章地震資料構(gòu)造解釋,.,第2章地震波運(yùn)動學(xué)理論,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念第二節(jié)常速單界面的反射波路徑及數(shù)學(xué)表達(dá)式第三節(jié)變速多界面的反射波路徑及數(shù)學(xué)表達(dá)式第四節(jié)地震折射波運(yùn)動學(xué),.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念一、地震波的基本概念二、地震波的傳播規(guī)律三、地震波的類型,第2章地震波運(yùn)動學(xué)理論,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,地震波的運(yùn)動學(xué)（Kinematicsofseismicwave)是研究地震波波前面的空間位置與其傳播時間的相互關(guān)系，它與幾何光學(xué)相似，是引用波前、射線等幾何圖形來描述波的運(yùn)動過程和規(guī)律，因此也稱幾何地震學(xué)。,一、地震波的基本概念1、地震波振動介質(zhì)中每一個點(diǎn)圍繞平衡位置的運(yùn)動。波動振動在介質(zhì)中的傳播過程。波動是一種不斷變化、不斷推移的運(yùn)動過程。振動和波動的關(guān)系就是部分和整體的關(guān)系。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,振動總有一定的能量，既然波動是振動在介質(zhì)中的傳播過程，那么伴隨著振動的傳播，當(dāng)然也就有能量的傳播。波動是能量傳播的重要方式之一，其特點(diǎn)是：當(dāng)能量在介質(zhì)中通過波動從一個位置傳到另一個位置時，介質(zhì)本身并不傳播。彈性理論的研究表明，每種物體在外力作用下，整體表現(xiàn)為彈性還是塑性主要取決于具體的條件，例如物體本身的物理性質(zhì)，作用力的大小和特點(diǎn)（延續(xù)時間的長短、變化的快慢等），以及所處的外界環(huán)境（溫度、壓力等）。在壓力很大、作用時間很長的條件下，大部分物體都表現(xiàn)為塑性性質(zhì)。反之，在外力很小、作用時間很短的情況下，大部分物體都具有彈性性質(zhì)。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,在壓力很大、作用時間很長的條件下，大部分物體都表現(xiàn)為塑性性質(zhì)。反之，在外力很小、作用時間很短的情況下，大部分物體都具有彈性性質(zhì)。,物體受力的三種狀態(tài)：彈性形變塑性形變永久形變,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,地震勘探中形成地震波的過程是：若激發(fā)方式為炸藥爆炸，那么在炸藥包附近,爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力大大超過巖石的極限強(qiáng)度,巖石遭到破壞形成一個破壞帶。隨著離開震源距離的增大，壓力減小,但仍超過巖石的彈性限度，該范圍巖石發(fā)生塑性形變，形成一些輻射狀或環(huán)狀裂隙的塑性帶。再向外,壓力降低到彈性限度以內(nèi),又因?yàn)檎ㄋ幈ㄋa(chǎn)生的是一個延續(xù)時間很短的作用力,該區(qū)域的巖石發(fā)生彈性形變,即為彈性帶。由此可見,地震波就是一種在巖層中傳播的彈性波。,圖2-1-1爆炸產(chǎn)生的三個帶,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,2、波前、波后和波面波前介質(zhì)中的各點(diǎn)剛剛開始振動，這一曲面S2稱作波在t1時刻的波前或波陣面。波后在V0和V1的分界面S1上，介質(zhì)中各點(diǎn)剛剛停止了振動，這一曲面S1叫做波在t1時刻的波后或波尾。不指明哪一個時刻的波前和波后是沒有意義的。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,波面介質(zhì)中每一個同時開始振動的曲面。在波的傳播過程中，波前將不斷推進(jìn)而掃過介質(zhì)的全部。因此，波前在整個介質(zhì)中都留有遺跡。換句話說，通過介質(zhì)中的任何一點(diǎn)，都有一個波面。在介質(zhì)中任取一點(diǎn)P，再找出介質(zhì)中和P點(diǎn)同時開始振動的那些點(diǎn)，將這些點(diǎn)連成一個曲面，就是通過P點(diǎn)的波面。由此可見，波面是波前的“遺跡”，波面是同相的、等時的和靜止的。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,按照波面的形狀，可以對波進(jìn)行分類。如果所有的波面都是球面則為球面波；如果都是柱面則為柱面波；如果都是互相平行的平面就叫做平面波。波面的形狀取決于波源的形狀和介質(zhì)的性質(zhì)。,3、射線在幾何地震學(xué)中，通常認(rèn)為波及其能量是沿著一條“路徑”從波源傳到所考慮的一點(diǎn)P，然后又沿著那條“路徑”從P點(diǎn)傳向別處。這樣的假想路徑就叫做通過P點(diǎn)的波線或射線。在波動所及的介質(zhì)中，通過每一點(diǎn)都可以設(shè)想有這么一條波線。在各向同性介質(zhì)中，波線和所過各點(diǎn)處的波面相垂直。例如，在均勻介質(zhì)中的球面波，波線就是從波源向外的半徑，這就是“射線”一詞的由來。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,4、振動圖與波剖面波動是一種很復(fù)雜的運(yùn)動過程。在這種過程中，介質(zhì)中的無數(shù)個小部分都在振動，而且不同部分的振動還可以在相位、強(qiáng)度等方面有所不同。這樣復(fù)雜的運(yùn)動，是不能用單獨(dú)一條曲線來描述其全過程的。例如，指定了一個點(diǎn)P1,它的振動可以用一條振動曲線來反映，如上圖所示。但是，這樣的任何一條曲線，只是反映無限多個點(diǎn)中某一指定點(diǎn)而已。在地震勘探中，每個檢波器所記錄的，便是那個檢波器所在點(diǎn)處的地面振動，它的振動曲線習(xí)慣上叫做該點(diǎn)的振動圖。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,為了反映各點(diǎn)間的振動關(guān)系，常常采用描繪波形曲線的方法，即把在同一時刻各點(diǎn)的位移畫在同一個圖上。選定一個時刻t1，我們用縱坐標(biāo)代表各物質(zhì)小塊離開平衡位置的位移，橫坐標(biāo)為各點(diǎn)的距離x，就得到一條曲線。這條曲線就叫做波在t1時刻沿x方向的波形曲線。在地震勘探中，通常把沿著測線畫出的波形曲線叫做“波剖面”。,.,振動是一點(diǎn)的運(yùn)動；波動是振動的傳播，即介質(zhì)整體的運(yùn)動。振動傳播的速度為波速，與質(zhì)點(diǎn)本身運(yùn)動的速度無關(guān)。波速有限是波動的必要條件。波動伴隨能量傳播。,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,總結(jié),.,振動曲線：表示質(zhì)點(diǎn)振動的曲線。振動圖：檢波器所在點(diǎn)的振動曲線。波形線：同一時刻各點(diǎn)的位移繪制在一個圖上得到的曲線。波剖面：沿測線的波形曲線。,總結(jié),.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,5、地震子波(wavelet)爆炸脈沖的變化如右圖所示。具有多個相位、延續(xù)60100毫秒的穩(wěn)定波形（圖c）稱為地震子波。如果把某個反射界面以上的地層介質(zhì)視為一個濾波器，該濾波器的輸入就是激發(fā)脈沖，,其輸出則為激發(fā)的單位脈沖通過該濾波器的時間響應(yīng)，從這個意義上講，地震子波就是地震能量由震源通過復(fù)雜的地下路徑傳播到接收器所記錄下來的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度(陸上檢波器)或壓力(海上檢波器)的遠(yuǎn)場時間域響應(yīng)。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,廣泛用于地震正演模型計(jì)算和地震資料解釋中的雷克（Ricker）子波，在時間域可表示為：,在頻率域可表示為：,式中f(t)與F(f)互為傅立葉變換，fp為頻譜的峰值頻率。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,雷克子波的基本圖形如下圖所示，(a)是子波波形，(b)是振幅譜。雷克子波是零相位子波，故其相位譜恒為零。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,6、描述波動的特征量常見的術(shù)語：頻率、周期、振幅、波長、速度、視速度、視波長。正弦波：質(zhì)點(diǎn)振動為簡諧振動的波。速度和波長是沿著波的傳播方向來考慮問題的。若沿著其他方向，則討論的是視速度和視波長。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,視波長與真波長、視速度與真速度的關(guān)系：,式中是波的入射角（射線與界面法線的夾角）。因?yàn)閟in1，所以Va和a不小于它們的真實(shí)速度V和波長。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,二、地震波的傳播規(guī)律1、反射定律由實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出的反射定律如下：反射線位于入射平面內(nèi)，反射角等于入射角，即。,射線平面與界面的關(guān)系分以下兩種情況加以討論：,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,水平界面的射線平面測線垂直界面走向的傾斜界面，既垂直界面也垂直地面射線平面既垂直界面也垂直地面,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,測線不垂直界面走向的傾斜界面，射線平面垂直界面，但不垂直地面。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,2、透射定律由實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出的透射定律如下：透射線也位于入射面內(nèi)，入射角的正弦與透射角的正弦之比等于第一、二兩種介質(zhì)中的波速之比，即：,若把上式改寫成如下形式：,或,此式表明：沿著界面，波在兩種介質(zhì)中傳播的視速度是相等的。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,由右下圖可以看到所謂全反射現(xiàn)象的存在。如果V2V1，則有sin2sin1，即21；當(dāng)1增大到一定程度但還沒到90o時，2已經(jīng)增大到90o這時透射波在第二種介質(zhì)中沿界面“滑行”，出現(xiàn)了“全反射”現(xiàn)象，因?yàn)?再增大，就不能出現(xiàn)透射波了。,開始出現(xiàn)“全反射”時的入射角叫做臨界角；因?yàn)檫@時2=90o，sin2=1，所以臨界角c滿足下列關(guān)系式：,全反射示意圖,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,3、斯奈爾（Snell）定律設(shè)各層的縱波、橫波速度分別用Vp1，Vs1，Vp2，Vs2，.Vpi，Vsi表示，下標(biāo)代表各種波的入射角，則斯奈爾定律可表示為：,式中P稱為射線參數(shù)。在水平層狀介質(zhì)中，當(dāng)波的某條射線以某一角度入射到第一個界面后，再向下透射的方向?qū)⒂缮鲜經(jīng)Q定，這條射線就對應(yīng)于一個射線參數(shù)值Pi。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,4、費(fèi)馬（Fermat）原理費(fèi)馬原理較通俗的表達(dá)是：波在各種介質(zhì)中的傳播路徑，滿足所用時間為最短的條件。,費(fèi)馬原理示意圖,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,5、惠更斯（Huygens）原理惠更斯原理是利用波前概念來研究波的傳播的。表述為：在已知波前面（等時面）上的每一個點(diǎn)都可視為獨(dú)立的、新的子波源，每個子波源都向各方發(fā)出新的波，稱其為子波，子波以所在處的波速傳播，最近的下一時刻的這些子波的包絡(luò)面或線便是該時刻的波前面。這樣從前一個波前面位置移到下一個波前面位置，如法炮制，便可得到介質(zhì)中的等時面系，因而得到波在該介質(zhì)中傳播的全部特點(diǎn)。,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,利用惠更斯原理求新波前,.,第一節(jié)幾何地震學(xué)基本概念,三、地震波的類型,按照波在傳播過程中質(zhì)點(diǎn)振動的方向來區(qū)分，可以分為縱波和橫波。按波動所能傳播的空間范圍來區(qū)分，地震波又可分為體波和面波。按照波在傳播過程中的傳播路徑的特點(diǎn)來區(qū)分，又可把地震波分為直達(dá)波、反射波、透射波（透過波）、折射波等，如右圖所示