地震勘探地震波的基本定律ppt课件.ppt

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1、1一、地震波的基础知识一、地震波的基础知识4 4、地震波传播的基本规律地震波传播的基本规律n1) 1) 、反射和透射、反射和透射n2 2）、反射定律和透射定律）、反射定律和透射定律( (斯奈尔定律斯奈尔定律) )n3 3）、费马原理）、费马原理n4 4）、惠更斯原理）、惠更斯原理n5) 5) 、波的运动学和动力学、波的运动学和动力学n6) 6) 、视速度定理、视速度定理n7 7）、折射波）、折射波2反射波反射波n另一部分透入第二种介质中，这在物理学中叫做另一部分透入第二种介质中，这在物理学中叫做折射折射波波，而在地震学中习惯叫做，而在地震学中习惯叫做透射波透射波。1 1）、）、 反射和透射反射

2、和透射3n波阻抗：波阻抗：在声学中把密度和波速的乘积叫做声阻抗，在声学中把密度和波速的乘积叫做声阻抗，在地震学中习惯叫做波阻抗。在地震学中习惯叫做波阻抗。n只有在只有在Z1Z2（波阻抗不等）的条件下，弹性波（波阻抗不等）的条件下，弹性波(地震地震波波)才会发生反射；才会发生反射；Z1和和Z2（波阻抗）的差别越大，反（波阻抗）的差别越大，反射波越强。射波越强。42 2）、）、 反射定律和透射定律反射定律和透射定律n反射定律反射定律n地震波从点波源地震波从点波源O沿射线沿射线OP射射到分界面上；到分界面上；NP垂直于分界面，垂直于分界面，是分界面在是分界面在P点处的法线。点处的法线。n入射线入射线

3、OP和法线和法线NP所确定的所确定的平面垂直于分界面，这个平面平面垂直于分界面，这个平面叫做波的叫做波的入射面入射面。n入射线和法线所夹的角入射线和法线所夹的角1叫做叫做入射角入射角；n反射波的射线叫做反射波的射线叫做反射线反射线，反，反射线和法线所夹的角射线和法线所夹的角1 为为反反射角射角。5水平界面情况：水平界面情况：n在地震勘探中，把入在地震勘探中，把入射线、过入射点的界射线、过入射点的界面法线、反射线三者面法线、反射线三者所决定的平面，称为所决定的平面，称为射线平面射线平面。n根据射线平面的定义根据射线平面的定义可知，它总是垂直界可知，它总是垂直界面的。当我们在地面面的。当我们在地面

4、( (假设它是水平的假设它是水平的) )上上O O点激发，沿测线点激发，沿测线OXOX接收；又设地下的反接收；又设地下的反射界面是水平的，这射界面是水平的，这时，时，射线平面既垂直射线平面既垂直界面也垂直地面界面也垂直地面射射线线平平面面6界面倾斜情况：界面倾斜情况：n当地震测线垂直界面当地震测线垂直界面走向，走向，射线平面既垂射线平面既垂直界面也垂直地面。直界面也垂直地面。n当地震测线不垂直界当地震测线不垂直界面走向，面走向，则射线平面则射线平面只垂直界面，不再垂只垂直界面，不再垂直地面。直地面。7n我们将反射线向反方向我们将反射线向反方向延长，同时从波源延长，同时从波源O O向向分界面作垂

5、线分界面作垂线ODOD并延长；并延长；这两条延线交于一点这两条延线交于一点O O* *，这一点称做这一点称做虚波源虚波源( (地地震勘探中称虚震源震勘探中称虚震源) )，因反射线似乎是从因反射线似乎是从O O* *点点射出来的。射出来的。n 承认了反射定律，很承认了反射定律，很容易证明容易证明OD=OOD=O* *D D。这种。这种作图方法，我们以后用作图方法，我们以后用得很多。得很多。8n反射系数反射系数n反射波的振幅与入射波的振幅比称为反射界面的反反射波的振幅与入射波的振幅比称为反射界面的反射系数：射系数：n当界面波阻抗相等时，只有透射而无反射，只有界当界面波阻抗相等时，只有透射而无反射，

6、只有界面波阻抗不等时才产生反射波，面波阻抗不等时才产生反射波，这是界面形成反射这是界面形成反射波的必要物理条件。波的必要物理条件。n波阻抗差越大，反射系数越大，反射波越强。波阻抗差越大，反射系数越大，反射波越强。n当反射界面下介质波阻抗大于入射介质波阻抗时，当反射界面下介质波阻抗大于入射介质波阻抗时，反射波与入射波的相位相同，称为反射波与入射波的相位相同，称为正极性反射正极性反射；反；反之，反射波与入射波相位相反，相位相差之，反射波与入射波相位相反，相位相差180180，称，称为为负极性反射负极性反射。利用反射极性的变化，可判断地下。利用反射极性的变化，可判断地下岩层性质。岩层性质。221 1

7、2222frAvvRAvv921/zzR请计算煤层顶底的反射系数（围岩请计算煤层顶底的反射系数（围岩4000，2.6; 煤层煤层2000, 1.3）10地震反射波图地震反射波图从反射可见：由于上覆界面的反射，传下去的能量越来越小；若上覆盖界面有强从反射可见：由于上覆界面的反射，传下去的能量越来越小；若上覆盖界面有强反射面时，则更明显，这时该界面好象起到了一个反射面时，则更明显，这时该界面好象起到了一个“屏蔽屏蔽”作用。作用。111213n 透射定律透射定律n透射线也位于入射面内，入透射线也位于入射面内，入射角的正弦和透射角的正弦射角的正弦和透射角的正弦之比等于第一、二两种介质之比等于第一、二两

8、种介质中的波速之比，即：中的波速之比，即：n当地震波沿当地震波沿OP射在分界面上射在分界面上的的P点时，除有一部分能量作点时，除有一部分能量作为反射波的能量回到第一种为反射波的能量回到第一种介质中以外，通常还有一部介质中以外，通常还有一部分能量作为透射波的能量透分能量作为透射波的能量透入第二种介质中。入第二种介质中。n透射波的射线称为透射波的射线称为透射线透射线。透射线和界面法线透射线和界面法线PN之间之间的夹角的夹角2称做称做透射角透射角。1122sinsinVV1212sinsinVV14n透射定理可改写成如下形式：透射定理可改写成如下形式：n透射定律也只确定了透射线的方向，而完全没有涉透

9、射定律也只确定了透射线的方向，而完全没有涉及透射波的强度，从而它也是属于几何地震学的一及透射波的强度，从而它也是属于几何地震学的一条定律。条定律。n除了和反射定律一样要求那些适用条件以外，除了和反射定律一样要求那些适用条件以外，透射透射定律还特别要求两种介质必须都是各向同性的定律还特别要求两种介质必须都是各向同性的；就；就是说，当在同一种介质中传播时是说，当在同一种介质中传播时, ,波的速度必须是波的速度必须是一个不随方向而变的常量。一个不随方向而变的常量。aVVV2211sinsin（视速度）（视速度）1516n透射系数透射系数n透射波的振幅与入射波的振幅之比，称为透射系数：透射波的振幅与入

10、射波的振幅之比，称为透射系数：n当当 时，才形成透射。时，才形成透射。n透射波发生在速度不同的分界面上，而反射波发生透射波发生在速度不同的分界面上，而反射波发生在波阻抗差异的分界面上。在波阻抗差异的分界面上。n在透射波能量不变的情况下，反射波振幅越强，透在透射波能量不变的情况下，反射波振幅越强，透射波振幅就越弱；反射波振幅越弱，透射波振幅就射波振幅就越弱；反射波振幅越弱，透射波振幅就越强。越强。RvvvAATrt1222111121vv 1718全反射全反射n如果如果V2V1，全反射全反射现象，因为现象，因为1再增大，就不能出现透射再增大，就不能出现透射波了。波了。n开始出现开始出现“全反射全

11、反射”时的入时的入射角叫做射角叫做临界角；临界角；n因为这时因为这时2 90，sin 2 1，所以临界角，所以临界角c满足下列关满足下列关系式：系式：12sincVV19 斯奈尔斯奈尔(Snell)(Snell)定律定律n综合综合反射定律和透射定律反射定律和透射定律的内容，并扩展到水平层状介质的的内容，并扩展到水平层状介质的情况，可以得到斯奈尔定律。它还包括横波和纵波的传播。情况，可以得到斯奈尔定律。它还包括横波和纵波的传播。PSiSiPiPiSSPPSSPPVVVVVVsinsinsinsinsinsin222211112021n层状介质中的地震射线层状介质中的地震射线SnellSnell定

12、律的应用定律的应用n说明：地震学中，考虑局部问题时，可以忽略地说明：地震学中，考虑局部问题时，可以忽略地球表面和层界面的曲率，而且把局部地表和地下球表面和层界面的曲率，而且把局部地表和地下层界面看作是平面。层界面看作是平面。n假设：有假设：有n个水平层，各层的介质都是均匀的和各个水平层，各层的介质都是均匀的和各向同性的，层厚度分别为向同性的，层厚度分别为h1、h2、 、 hn，层，层速度分别为速度分别为V1、V2、 、 Vn。（为简便计，只考虑（为简便计，只考虑V Vp p，这对人工震源是合适的），这对人工震源是合适的） 22XO（0，0）A（X，H）h1，V1h2，V2h3，V3hn，Vni

13、1i2in界面界面1界面界面2界面界面3界面界面4界面界面5层层1层层2层层3层层4层层5层层6232221sin1coskkkVPii24P为一常数。为一常数。A点的坐标为（点的坐标为（X，H）nvvv2125263 3）、费马）、费马(Fermat)(Fermat)原理原理2728费马原理的粗略解释费马原理的粗略解释:n设想如图所示，波从一点设想如图所示，波从一点P传到另一点传到另一点Q，途中经，途中经过的介质可能是均匀的，有分界面的，或是完全过的介质可能是均匀的，有分界面的，或是完全不均匀。图中的实线代表波在传播中的实际路线，不均匀。图中的实线代表波在传播中的实际路线，而虚而虚 线则代表

14、任意画的另外几条曲线，叫做假想线则代表任意画的另外几条曲线，叫做假想路线。路线。n可以理解为：波沿着实际路线传播时所用的时间，可以理解为：波沿着实际路线传播时所用的时间，比沿假想路线传播时所用的时间要比沿假想路线传播时所用的时间要“短短”。29 4 ）、）、惠更斯惠更斯(Huygens)原理原理n惠更斯惠更斯(Huygens)原理原理：n介质中波所传到的各点介质中波所传到的各点,都可以看成新的波源，叫做都可以看成新的波源，叫做子波源子波源。n可以认为每个子波源都向各方发出微弱的波，叫做可以认为每个子波源都向各方发出微弱的波，叫做子波子波。n子波是以所在点处的波速传播的。子波是以所在点处的波速传

15、播的。303132l 利用惠更斯原理求新波前利用惠更斯原理求新波前有了惠更斯原理，就可以利用作图的方有了惠更斯原理，就可以利用作图的方法，法，根据已知的波前求出后来时刻的波根据已知的波前求出后来时刻的波前。前。如右图所示，如右图所示，S1代表时刻代表时刻t1的波前。的波前。要确定后来的一个时刻要确定后来的一个时刻t2=t1+t的新波前，的新波前，可以把可以把S1上所有的点都看成子波源，认为上所有的点都看成子波源，认为它们从时刻它们从时刻t1开始向外发出子波。开始向外发出子波。过了一段时间过了一段时间t ，这些子波的，这些子波的“子波前子波前”应是半径为应是半径为V t的球面。用一个曲面的球面。

16、用一个曲面S2将将这些小球面上离曲面这些小球面上离曲面S1最远的各点连起来，最远的各点连起来，就得到和时刻就得到和时刻t2=t1+t相对应的波前。相对应的波前。因为因为S2上的各点就是波刚刚传到的地方；上的各点就是波刚刚传到的地方；比这些点离比这些点离S1更远的地方，波还没有传到。更远的地方，波还没有传到。这里的这里的S2应该是各个子波前的公切面，这应该是各个子波前的公切面，这样的曲面称为各该样的曲面称为各该子波前的包面子波前的包面。33343536373839n菲涅尔带是反射界面的一部分。菲涅尔带是反射界面的一部分。n当用射线描述波的传播时，意味着反射波只是由一个反当用射线描述波的传播时，意

17、味着反射波只是由一个反射点产生的，射点产生的，但实际上反射波是由反射界面上相当大的但实际上反射波是由反射界面上相当大的一个面积内返回的能量叠加而成，到达同一检波器反射一个面积内返回的能量叠加而成，到达同一检波器反射波相位差不大于半个周期，波相位差不大于半个周期，这些波或多或少地可以相干这些波或多或少地可以相干干涉。产生相干干涉反射波的区域称着干涉。产生相干干涉反射波的区域称着菲涅尔带菲涅尔带。40414243地震波的运动学特征和动力学特征统称为波场特征。地震波的运动学特征和动力学特征统称为波场特征。地震波地震波 弹性界面弹性界面 路径改变路径改变 能量吸收能量吸收 旅行时间、速度（旅行时间、速

18、度（t,v） 强度、波形改变（强度、波形改变（A,f,） 知构造知构造 知岩性知岩性 44n6)6)、视速度、视速度45AB S t，s Stsvt*sv 46AB S t，s*vsvstsinsssin*vssvv由此式可见，视速度一方面反映真速度，另方面又受传播由此式可见，视速度一方面反映真速度，另方面又受传播方向影响，故也成为识别各种地震波的特征之一。方向影响，故也成为识别各种地震波的特征之一。 地震波沿地表传播的时候，地震波沿地表传播的时候，=900,视速度等于真速度视速度等于真速度地震波垂直地表传播时，地震波垂直地表传播时，=00,视速度等于无穷大视速度等于无穷大4748495051

19、7 7）、）、地震折射波地震折射波211sinVV2121sinsinVVl 但是，滑行波的传播又引起了另外的效应，这种效应也可以根据惠更但是，滑行波的传播又引起了另外的效应，这种效应也可以根据惠更斯原理来加以理解。斯原理来加以理解。l 两种介质是互相密接的，滑行波在传播过程中也会反过来影响第一种两种介质是互相密接的，滑行波在传播过程中也会反过来影响第一种介质，并在第一种介质中激发新的波，这种由介质，并在第一种介质中激发新的波，这种由滑行波引起的波滑行波引起的波，在地震，在地震勘探中叫勘探中叫“折射波折射波”。5212sinviv临界角临界角i有有当入射角大于临界角时，当入射角大于临界角时，则

20、出现全反射现象。则出现全反射现象。折射波的形成：折射波的形成：5321vv121max ,iivv vvi54激发点激发点入射波入射波滑行波滑行波902透射波透射波折射波折射波反射波反射波直达波直达波转换波转换波分界面分界面55信号及噪音在各个频率成分中的比例信号及噪音在各个频率成分中的比例 561 1）地震波的基础知识）地震波的基础知识2 2）地震的地质地球物理基础）地震的地质地球物理基础3 3）地震波的时距曲线）地震波的时距曲线4 4）地震勘探野外工作方法）地震勘探野外工作方法5 5）地震勘探数据处理）地震勘探数据处理6 6）地震资料的解释）地震资料的解释目录：目录：57一个地区地震勘探工

21、作效果的好坏，取决于两个因素： 技术装备和工作方法 地震地质条件地震地质条件一、岩土介质的一般波速特征一、岩土介质的一般波速特征 不同岩土介质由于其弹性性质的差异而具有不同的传播速度和波阻抗。 一般：火成岩和变质岩比沉积岩的波速大，沉积岩的一般：火成岩和变质岩比沉积岩的波速大，沉积岩的波速较低而变化范围较大。波速较低而变化范围较大。下表列出了部分常见岩土介质的波速和波阻抗。下表列出了部分常见岩土介质的波速和波阻抗。 58 从表可见，不同岩石或地层之间，存在着波速和波阻抗的差异，因而不同岩性的分界面，往往就是地震波的反射或折射界面，这是这是开展地震勘探工作的基础开展地震勘探工作的基础。 岩石速度

22、Vp(m/s)波阻抗104g/cm2s岩石速度Vp(m/s)波阻抗104g/cm2s风化带干砂、砾石泥湿砂、砾石粘土疏松砂岩泥灰岩致密砂岩10015010060050019002002000120028001500250020004700180043001.292.8143.830340156527602012040116泥质片岩灰岩、白云岩硬石膏、岩盐煤空气石油水冰27004800200062504500650016001900310360130014001430159031004200651353518011014020350.00412151416304559二、影响地震波传播速度的地质

23、因素二、影响地震波传播速度的地质因素 地震勘探中，影响波传播速度的地质因素很多，除具有不同岩石成分和结构的岩性外，主要还与岩石的密度、孔隙度、孔隙充填物、地质年代、埋藏深度等因素有关。 1.密度密度 沉积岩中波速与岩石密度相关，两者关系为 21.750.2660.015(2.1)VV 如果岩石密度处于1.9g/cm3与2.7g/cm3之间，则V、间存在线性关系，表达式为： 1.8990.174(2.2)V 由于自然界大多数岩、矿石的密度处于1.9g/cm32.7g/cm3之间，因此式(2.2)有着更重要的实用价值。图2.1表示了不同岩石的密度与速度的关系。 602.2.孔隙度孔隙度图2.1 不

24、同岩石的密度与速度的关系曲线：只有同一岩相的介质。：由两种岩相组成的介质。 对于一块岩石，从结构上来说，由二部分组成： 61一部分：矿物颗粒本身，岩石骨架（基质）； 另一部分：各种气体或液体充填的孔隙。 岩石实际上是双相介质，地震波就在这种双相介质中传播。 时间平均方程：计算波速和孔隙度之关系的公式 1(1)mlVVV (2.3)孔隙度，V 波速，Vm 骨架波速，VL 孔隙介质波速方程说明：波在岩层中传播总时间 骨架时间充填物时间。 一般：波在流体中传播速度骨架波速。因此，孔隙度大的岩石，波速减小；反之，孔隙度变小，速度增大。 图2.2 孔隙度和速度的关系曲线 孔隙度的变化也会影响岩石密度的变

25、化，密度和孔隙度之间成反比关系，孔隙度增大，岩石密度相对变小，反之则变大。 623.孔隙充填物孔隙充填物 V气V油V水 充填物不同 V不同R不同。三者之间会形成良好的波阻抗界面。 4.风化程度风化程度 风化作用使岩体矿物变异、原生结构破坏导致质点间弹性联系减弱岩体波速随风化程度增加而减小。下表给出了长江三峡坝区结晶岩（闪长花岗岩）中不同风化带的波速。表表2.2 长江三峡坝区结晶岩中风化带的波速长江三峡坝区结晶岩中风化带的波速 从上表可见，全、强风化带其波速要比新鲜岩体小得多，而微风化带与新鲜岩体几乎波速不可分。波速因岩体受风化而减小的特征是浅层地震勘探划分风化带的重要依据。 6364n6 6、

26、地层埋深对速度的影响、地层埋深对速度的影响65n一、表层地震地质条件一、表层地震地质条件（1 1低速带（地壳的风化层）的影响低速带（地壳的风化层）的影响n 是指地表附近的地层由于风吹、日晒、雨淋等地质是指地表附近的地层由于风吹、日晒、雨淋等地质风化作用而变得比较疏松而形成的。其特点：风化作用而变得比较疏松而形成的。其特点：n 1 1）一般是指不包含水的风化层，含水后，速度会）一般是指不包含水的风化层，含水后，速度会增高，就不属于低速带范围了。这是地质风化层和增高，就不属于低速带范围了。这是地质风化层和低速度带的区别；低速度带的区别；n2 2）低速带的速度极低，一般小于）低速带的速度极低，一般小

27、于1500m/s1500m/s，而且速，而且速度横向变化大；度横向变化大；n3 3）低速带的厚度通常是不均匀的，横向变化大；）低速带的厚度通常是不均匀的，横向变化大；664 4）对地震波有很大的影响）对地震波有很大的影响： 对地震波的能量吸收较强；对地震高频成分具对地震波的能量吸收较强；对地震高频成分具有很强的吸收作用。在低速带内，较难激发较强的地有很强的吸收作用。在低速带内，较难激发较强的地震波。通常要在低速带以下的激发较好。震波。通常要在低速带以下的激发较好。 改变射线的方向，使射线近垂直于地表出射，改变射线的方向，使射线近垂直于地表出射，因此，纵波采用垂直检波器接收；横波采用水平检波因此

28、，纵波采用垂直检波器接收；横波采用水平检波器接收。器接收。 产生多次波；增加了地震反射记录的复杂性；产生多次波；增加了地震反射记录的复杂性； 使波的传播时间加大，从而影响到地震剖面的使波的传播时间加大，从而影响到地震剖面的成像和地质构造形态的识别；成像和地质构造形态的识别； 5 5）必须要对低速带进行校正；）必须要对低速带进行校正；67含水层的影响含水层的影响 实验证明：在含水层中激发时，能得到频谱成分较丰富，实验证明：在含水层中激发时，能得到频谱成分较丰富，能量强的地震纵波，取得好的地震勘探效果。因此，纵波能量强的地震纵波，取得好的地震勘探效果。因此，纵波勘探要保证激发位置在潜水面以下。勘探

29、要保证激发位置在潜水面以下。 （3 3）浅层地质剖面的）浅层地质剖面的不均匀性均匀性 浅层的不均匀性直接影响中、深层反射波效果，不均浅层的不均匀性直接影响中、深层反射波效果，不均匀性岩性差异较大，在浅层产生很强的反射层，则产生两匀性岩性差异较大，在浅层产生很强的反射层，则产生两种不利地震勘探的因素：种不利地震勘探的因素：1 1）反射能量大部分返回地表，使中、深层反射能量相对）反射能量大部分返回地表，使中、深层反射能量相对减弱。减弱。2 2）与地表或低速带之间产生多次波，严重干扰一次有效）与地表或低速带之间产生多次波，严重干扰一次有效波，甚至造成无法识别一次波等问题。波，甚至造成无法识别一次波等问题。68 693）振幅与可检测性）振幅与可检测性