地震波的基本概念ppt课件.ppt

在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确地球物理系地球物理系 王永刚王永刚在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确课课 程程 内内 容容 第第1章章 绪论绪论 第第2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论 第第3章章 地震资料采集方法与技术地震资料采集方法与技术 第第4章章 地震波速度地震波速度 第第5章章 地震资料解释的理论基础地震资料解释的理论基础 第第6章章 地震资料构造解释地震资料构造解释在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第第2 2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念第二节第二节 常速单界面的反射波路径及常速单界面的反射波路径及 数学表达式数学表达式第三节第三节 变速多界面的反射波路径及变速多界面的反射波路径及 数学表达式数学表达式第四节第四节 地震折射波运动学地震折射波运动学在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念一、地震波的基本概念一、地震波的基本概念二、地震波的传播规律二、地震波的传播规律三、地震波的类型三、地震波的类型第第2 2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 地震波的运动学地震波的运动学（Kinematics of seismic wave)是研是研究地震波波前面的空间位置与其传播时间的相互关系，究地震波波前面的空间位置与其传播时间的相互关系，它与几何光学相似，是引用波前、射线等几何图形来它与几何光学相似，是引用波前、射线等几何图形来描述波的运动过程和规律，因此也称几何地震学。描述波的运动过程和规律，因此也称几何地震学。一、地震波的基本概念一、地震波的基本概念1 1、地震波、地震波振动振动介质中每一个点围绕平衡位置的运动。介质中每一个点围绕平衡位置的运动。波动波动振动在介质中的传播过程。波动是一种不断振动在介质中的传播过程。波动是一种不断变化、不断推移的运动过程。振动和波动的关系就是变化、不断推移的运动过程。振动和波动的关系就是部分和整体的关系。部分和整体的关系。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 振动总有一定的能量，既然波动是振动在介质中的振动总有一定的能量，既然波动是振动在介质中的传播过程，那么伴随着振动的传播，当然也就有能量传播过程，那么伴随着振动的传播，当然也就有能量的传播。波动是能量传播的重要方式之一，其的传播。波动是能量传播的重要方式之一，其特点特点是：是：当能量在介质中通过波动从一个位置传到另一个位置当能量在介质中通过波动从一个位置传到另一个位置时，介质本身并不传播。时，介质本身并不传播。弹性理论的研究表明弹性理论的研究表明，每种物体在外力作用下，整，每种物体在外力作用下，整体表现为弹性还是塑性主要取决于具体的条件，例如体表现为弹性还是塑性主要取决于具体的条件，例如物体本身的物理性质，作用力的大小和特点（延续时物体本身的物理性质，作用力的大小和特点（延续时间的长短、变化的快慢等），以及所处的外界环境间的长短、变化的快慢等），以及所处的外界环境（温度、压力等）。在压力很大、作用时间很长的条（温度、压力等）。在压力很大、作用时间很长的条件下，大部分物体都表现为塑性性质。反之，在外力件下，大部分物体都表现为塑性性质。反之，在外力很小、作用时间很短的情况下，大部分物体都具有弹很小、作用时间很短的情况下，大部分物体都具有弹性性质。性性质。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 在压力很大、作用时间很长的条件下，大部分物体在压力很大、作用时间很长的条件下，大部分物体都表现为塑性性质。反之，在外力很小、作用时间很都表现为塑性性质。反之，在外力很小、作用时间很短的情况下，大部分物体都具有弹性性质。短的情况下，大部分物体都具有弹性性质。物体受力的三种状态：物体受力的三种状态：弹性形变弹性形变塑性形变塑性形变永久形变永久形变 ef在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 地震勘探中地震勘探中形成地震波的过程形成地震波的过程是：若是：若激发方式为炸药爆炸，那么在炸药包附激发方式为炸药爆炸，那么在炸药包附近近,爆炸产生的强大压力大大超过岩石的爆炸产生的强大压力大大超过岩石的极限强度极限强度,岩石遭到破坏形成一个岩石遭到破坏形成一个破坏带破坏带。随着离开震源距离的增大，压力减小随着离开震源距离的增大，压力减小,但但仍超过岩石的弹性限度，该范围岩石发仍超过岩石的弹性限度，该范围岩石发生塑性形变，形成一些辐射状或环状裂生塑性形变，形成一些辐射状或环状裂隙的隙的塑性带塑性带。再向外。再向外,压力降低到弹性限压力降低到弹性限度以内度以内,又因为炸药爆炸所产生的是一个又因为炸药爆炸所产生的是一个延续时间很短的作用力延续时间很短的作用力,该区域的岩石发该区域的岩石发生弹性形变生弹性形变,即为即为弹性带弹性带。由此可见由此可见,地震波就是一种在岩层中传播地震波就是一种在岩层中传播的弹性波的弹性波。图图2-1-1 2-1-1 爆炸产生爆炸产生的三个带的三个带 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2、波前、波后和波面、波前、波后和波面 波前波前介质中的各点刚刚开始振动，这一曲面介质中的各点刚刚开始振动，这一曲面S2称作称作波在波在t1时刻的波前或波阵面。时刻的波前或波阵面。波后波后在在V0和和V1的分界面的分界面S1上，介质中各点刚刚停上，介质中各点刚刚停止了振动，这一曲面止了振动，这一曲面S1叫做波在叫做波在t1时刻的波后或波尾。时刻的波后或波尾。不指明哪一个时刻的波前和波后是没有意义的。不指明哪一个时刻的波前和波后是没有意义的。震震源源S1S2t1t2在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念波面波面介质中每一个同时开始振动的曲面。在波的介质中每一个同时开始振动的曲面。在波的传播过程中，波前将不断推进而扫过介质的全部。因传播过程中，波前将不断推进而扫过介质的全部。因此，波前在整个介质中都留有遗迹。换句话说，通过此，波前在整个介质中都留有遗迹。换句话说，通过介质中的任何一点，都有一个波面。在介质中任取一介质中的任何一点，都有一个波面。在介质中任取一点点P P，再找出介质中和，再找出介质中和P P点同时开始振动的那些点，将点同时开始振动的那些点，将这些点连成一个曲面，就是通过这些点连成一个曲面，就是通过P P点的波面。由此可见，点的波面。由此可见，波面是波前的波面是波前的“遗迹遗迹”，波面是同相的、等时的和静，波面是同相的、等时的和静止的。止的。S1S2t1t2在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念按照波面的形状，可以对波进行分类。如果所有的波按照波面的形状，可以对波进行分类。如果所有的波面都是球面则为球面波；如果都是柱面则为柱面波；面都是球面则为球面波；如果都是柱面则为柱面波；如果都是互相平行的平面就叫做平面波。波面的形状如果都是互相平行的平面就叫做平面波。波面的形状取决于波源的形状和介质的性质。取决于波源的形状和介质的性质。3 3、射线、射线在几何地震学中，通常认为波及其能量是沿着一条在几何地震学中，通常认为波及其能量是沿着一条“路径路径”从波源传到所考虑的一点从波源传到所考虑的一点P P，然后又沿着那条，然后又沿着那条“路径路径”从从P P点传向别处。这样的假想路径就叫做通过点传向别处。这样的假想路径就叫做通过P P点的波线或点的波线或射线射线。在波动所及的介质中，通过每一点。在波动所及的介质中，通过每一点都可以设想有这么一条波线。在各向同性介质中，波都可以设想有这么一条波线。在各向同性介质中，波线和所过各点处的波面相垂直。例如，在均匀介质中线和所过各点处的波面相垂直。例如，在均匀介质中的球面波，波线就是从波源向外的半径，这就是的球面波，波线就是从波源向外的半径，这就是“射射线线”一词的由来。一词的由来。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念4 4、振动图与波剖面、振动图与波剖面 波动是一种很复杂的运动过程。波动是一种很复杂的运动过程。在这种过程中，介质中的无数在这种过程中，介质中的无数个小部分都在振动，而且不同部个小部分都在振动，而且不同部分的振动还可以在相位、强度等方面有所不同。这样分的振动还可以在相位、强度等方面有所不同。这样复杂的运动，是不能用单独一条曲线来描述其全过程复杂的运动，是不能用单独一条曲线来描述其全过程的。例如，指定了一个点的。例如，指定了一个点P P1 1,它的振动可以用一条振动它的振动可以用一条振动曲线来反映，如上图所示。但是，这样的任何一条曲曲线来反映，如上图所示。但是，这样的任何一条曲线，只是反映无限多个点中某一指定点而已。线，只是反映无限多个点中某一指定点而已。在地震勘探中，每个检波器所记录的，便是那个检在地震勘探中，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。该点的振动图。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 为了反映各点间的振动关系，常常采用描绘波形曲为了反映各点间的振动关系，常常采用描绘波形曲线的方法，即把在同一时刻各点的位移画在同一个图线的方法，即把在同一时刻各点的位移画在同一个图上。选定一个时刻上。选定一个时刻t t1 1，我们用纵坐标代表各物质小块离，我们用纵坐标代表各物质小块离开平衡位置的位移，横坐标为各点的距离开平衡位置的位移，横坐标为各点的距离x x，就得到，就得到一条曲线。这条曲线就叫做波在一条曲线。这条曲线就叫做波在t t1 1时刻沿时刻沿x x方向的波形方向的波形曲线。曲线。在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫做做“波剖面波剖面”。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确介质中不同点的振动曲线介质中不同点的振动曲线地面地面振动是一点的运动；振动是一点的运动；波动是振动的传播，即介质整体的运动。波动是振动的传播，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。速度无关。波速有限是波动的必要条件。波动伴随能量传播。波动伴随能量传播。第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念总总结结在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确振动曲线：表示质点振动的曲线。振动曲线：表示质点振动的曲线。振动图：检波器所在点的振动曲线。振动图：检波器所在点的振动曲线。波形线：同一时刻各点的位移绘制在一个图波形线：同一时刻各点的位移绘制在一个图上得到的曲线。上得到的曲线。波剖面：沿测线的波形曲线。波剖面：沿测线的波形曲线。总总结结地面地面t1时刻波剖面t2时刻波剖面在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念5、地震子波、地震子波(wavelet)爆炸脉冲的变化如右图所示。爆炸脉冲的变化如右图所示。具有多个相位、延续具有多个相位、延续60100毫秒的稳定波形（图毫秒的稳定波形（图c）称为）称为地震子波地震子波。如果把某个反射界面以上的如果把某个反射界面以上的地层介质视为一个滤波器，该地层介质视为一个滤波器，该滤波器的输入就是激发脉冲，滤波器的输入就是激发脉冲，其输出则为激发的单位脉冲通过该滤波器的时间响应，其输出则为激发的单位脉冲通过该滤波器的时间响应，从这个意义上讲，从这个意义上讲，地震子波地震子波就是地震能量由震源通过复就是地震能量由震源通过复杂的地下路径传播到接收器所记录下来的质点运动速度杂的地下路径传播到接收器所记录下来的质点运动速度(陆上检波器陆上检波器)或压力或压力(海上检波器海上检波器)的远场时间域响应。的远场时间域响应。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 广泛用于地震正演模型计算和地震资料解释中的广泛用于地震正演模型计算和地震资料解释中的雷克（雷克（Ricker）子波，在时间域可表示为：）子波，在时间域可表示为：在频率域可表示为：在频率域可表示为：式中式中f(t)与与F(f)互为傅立叶变换，互为傅立叶变换，fp为频谱的峰值频率。为频谱的峰值频率。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念雷克子波的基本图形如下图所示，雷克子波的基本图形如下图所示，(a)(a)是子波波形，是子波波形，(b)(b)是振幅谱。雷克子波是零相位子波，故其相位谱恒是振幅谱。雷克子波是零相位子波，故其相位谱恒为零。为零。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念6 6、描述波动的特征量、描述波动的特征量常见的术语：频率、周期、振幅、波长、速度、视速常见的术语：频率、周期、振幅、波长、速度、视速度、视波长。度、视波长。正弦波：质点振动为简谐振动的波。正弦波：质点振动为简谐振动的波。速度和波长是沿着波的传播方向来考虑问题的。若沿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。着其他方向，则讨论的是视速度和视波长。tTA在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念视波长与真波长、视速度与真速度的关系：视波长与真波长、视速度与真速度的关系：式中式中是波的入射角（射线与界面法线的夹角）。是波的入射角（射线与界面法线的夹角）。因为因为sin1，所以，所以Va和和a不小于它们的真实速度不小于它们的真实速度V和波和波长长。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念二、地震波的传播规律二、地震波的传播规律 1、反射定律、反射定律 由实验总结得出的由实验总结得出的反射定反射定律律如下：反射线位于入射平如下：反射线位于入射平面内，反射角等于入射角，面内，反射角等于入射角，即即 。射线平面与界面的关系射线平面与界面的关系分以下两种情况加以讨分以下两种情况加以讨论：论：R在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念水平界面的射线平面水平界面的射线平面 测线垂直界面走向的倾斜界面，测线垂直界面走向的倾斜界面，既垂直界面也垂直地面既垂直界面也垂直地面 射线平面既垂直界面也垂直地面射线平面既垂直界面也垂直地面 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念测线不垂直界面走向的倾斜界面，射线平面垂直测线不垂直界面走向的倾斜界面，射线平面垂直界面，但不垂直地面。界面，但不垂直地面。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2 2、透射定律、透射定律 由实验总结得出的由实验总结得出的透射定律透射定律如下：透射线也位于入射如下：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、二面内，入射角的正弦与透射角的正弦之比等于第一、二两种介质中的波速之比，即：两种介质中的波速之比，即：若把上式改写成如下形式：若把上式改写成如下形式：或或此式表明：沿着界面，波在两种介质中传播的视速度此式表明：沿着界面，波在两种介质中传播的视速度是相等的。是相等的。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 由右下图可以看到所谓由右下图可以看到所谓全反射全反射现象的存在。如果现象的存在。如果V2V1，则有，则有sin2sin1，即，即21；当；当1增大到一定程增大到一定程度但还没到度但还没到90o时，时，2已经增大到已经增大到90o这时透射波在第二这时透射波在第二种介质中沿界面种介质中沿界面“滑行滑行”，出现了，出现了“全反射全反射”现象，现象，因为因为1再增大，就不能出现透射波了。再增大，就不能出现透射波了。开始出现开始出现“全反射全反射”时时的入射角叫做临界角；的入射角叫做临界角；因为这时因为这时2=90o，sin2=1，所以临界角，所以临界角c满足下列关系式：满足下列关系式：全反射示意图全反射示意图在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念3、斯奈尔（、斯奈尔（Snell）定律）定律 设各层的纵波、横波速度分别用设各层的纵波、横波速度分别用Vp1，Vs1，Vp2，Vs2，.Vpi，Vsi表示，表示，下标代表各种波的入射角，则下标代表各种波的入射角，则斯奈尔定律可表示为：斯奈尔定律可表示为：式中式中P称为射线参数。在水平层状介质中，当波的某条称为射线参数。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方向将由上式决定，这条射线就对应于一个射线参数值值Pi。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念4、费马（、费马（Fermat）原理）原理 费马原理较通俗的表达是：波在各种介质中的传播路费马原理较通俗的表达是：波在各种介质中的传播路径，满足所用时间为最短的条件。径，满足所用时间为最短的条件。费马原理示意图费马原理示意图 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念5 5、惠更斯（、惠更斯（Huygens）原理）原理 惠更斯原理是利用波前概念来研究波的传播的。表惠更斯原理是利用波前概念来研究波的传播的。表述为：在已知波前面（等时面）上的每一个点都可视述为：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。这样从前一个波前面位置移到下一个波前面位前面。这样从前一个波前面位置移到下一个波前面位置，如法炮制，便可得到介质中的等时面系，因而得置，如法炮制，便可得到介质中的等时面系，因而得到波在该介质中传播的全部特点。到波在该介质中传播的全部特点。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念利用惠更斯原理求新波前利用惠更斯原理求新波前 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念三、地震波的类型三、地震波的类型按照波在传播过程中质点振动的方向来区分，可以分按照波在传播过程中质点振动的方向来区分，可以分为纵波和横波。为纵波和横波。按波动所能传播的空间范围来区分，地震波又可分为按波动所能传播的空间范围来区分，地震波又可分为体波和面波。体波和面波。按照波在传播过程中的传播路径的特点来区分，又可按照波在传播过程中的传播路径的特点来区分，又可把地震波分为直达波、反射波、透射波（透过波）、折把地震波分为直达波、反射波、透射波（透过波）、折射波等，如右图所示。射波等，如右图所示。按照波面形状来分，按照波面形状来分，可以分为球面波、柱可以分为球面波、柱面波、平面波。面波、平面波。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念按照入射波、反射波和透射波的波型是否相同来区分，按照入射波、反射波和透射波的波型是否相同来区分，地震波可分为同类波和转换波。地震波可分为同类波和转换波。垂直入射时的反射系数公式是：垂直入射时的反射系数公式是：右上式可知：在介质分界面上能右上式可知：在介质分界面上能产生反射波的条件产生反射波的条件是分是分界面两边介质的波阻抗不相等。也即严格地说，波阻抗界面两边介质的波阻抗不相等。也即严格地说，波阻抗界面才是反射界面；速度界面不一定是反射界面。界面才是反射界面；速度界面不一定是反射界面。按照各种波在地震勘探中所处的地位来区分，地震波按照各种波在地震勘探中所处的地位来区分，地震波还可分为有效波、干扰波和特殊波等。还可分为有效波、干扰波和特殊波等。