地震勘探原理 PPT精选PPT.ppt

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1、地震勘探原理 PPT第1页，此课件共28页哦1.2.1 弹性力学中的几个概念弹性力学中的几个概念物体受到外力作用，要发生形状和体积的变化，通常用物体受到外力作用，要发生形状和体积的变化，通常用应力和应变应力和应变来描述外力和形变关系来描述外力和形变关系1 1、应力、应力体力体力：作用在物体单位体积上的力，与体积或质量成正比，如重力、惯：作用在物体单位体积上的力，与体积或质量成正比，如重力、惯性力性力面力面力：作用在物体单位表面积上的力。如水的压力：作用在物体单位表面积上的力。如水的压力内力（内力（PnPn）：弹性体受外力：弹性体受外力f f作用后作用后发生大小、形状变化，其内部发生大小、形状变

2、化，其内部产生抵抗这种变化的力，使其恢复原状，这就是内力第2页，此课件共28页哦1.2.1 弹性力学中的几个概念弹性力学中的几个概念单位面积上的力称单位面积上的力称内应力内应力，简称，简称应力。应力。当力作用于一个物体，应力当力作用于一个物体，应力等于作用力和它的作用面积之比等于作用力和它的作用面积之比注意：应力不是力，单位是帕或兆帕注意：应力不是力，单位是帕或兆帕正应力正应力：垂直于作用面的垂直于作用面的应力分量，沿法线方向上的应力分量应力分量，沿法线方向上的应力分量应力分量，沿法线方向上的应力分量应力分量，沿法线方向上的应力分量 剪应力剪应力：平行于作用面的平行于作用面的应力分量或作用在平

3、面内的应力分量应力分量或作用在平面内的应力分量应力分量或作用在平面内的应力分量应力分量或作用在平面内的应力分量 当作用力和受力物体的面元即不平行又不垂直时，作用力可以分解为当作用力和受力物体的面元即不平行又不垂直时，作用力可以分解为当作用力和受力物体的面元即不平行又不垂直时，作用力可以分解为当作用力和受力物体的面元即不平行又不垂直时，作用力可以分解为两个分量，一个平行于面元，一个垂直于面元两个分量，一个平行于面元，一个垂直于面元两个分量，一个平行于面元，一个垂直于面元两个分量，一个平行于面元，一个垂直于面元 任何应力都可以分解为任何应力都可以分解为任何应力都可以分解为任何应力都可以分解为法向应

4、力法向应力法向应力法向应力和和和和剪切应力，而后者又可以分为两个相互剪切应力，而后者又可以分为两个相互剪切应力，而后者又可以分为两个相互剪切应力，而后者又可以分为两个相互垂直的应力分量垂直的应力分量垂直的应力分量垂直的应力分量n表示应力在表示应力在s面的法线方向上面的法线方向上第3页，此课件共28页哦 考虑受力物体内的一个体元，作用在体元六个面上的应力，都可以按作用面考虑受力物体内的一个体元，作用在体元六个面上的应力，都可以按作用面考虑受力物体内的一个体元，作用在体元六个面上的应力，都可以按作用面考虑受力物体内的一个体元，作用在体元六个面上的应力，都可以按作用面分解为分解为分解为分解为法向应力

5、法向应力法向应力法向应力和和和和剪切应力剪切应力剪切应力剪切应力 图中标出了作用在垂直于图中标出了作用在垂直于图中标出了作用在垂直于图中标出了作用在垂直于X X X X轴的两个面轴的两个面轴的两个面轴的两个面元上的应力元上的应力元上的应力元上的应力脚标相同，表明该应力为法向应力若脚标不同，认为是剪切应力作用于OABC面上的三个应力xx，yx，zx与作用于DEFG面上的三个应力大小相等，方向相反第4页，此课件共28页哦 由弹性力学理论：空间任意点由弹性力学理论：空间任意点由弹性力学理论：空间任意点由弹性力学理论：空间任意点O O O O的应力可用的应力可用的应力可用的应力可用9 9 9 9个相互

6、独立的应力分量来表个相互独立的应力分量来表个相互独立的应力分量来表个相互独立的应力分量来表示。这示。这示。这示。这9 9 9 9个应力分量可用三个互相垂直的平面个应力分量可用三个互相垂直的平面个应力分量可用三个互相垂直的平面个应力分量可用三个互相垂直的平面a a a a、b b b b、c c c c来表示，过来表示，过来表示，过来表示，过O O O O点建立点建立点建立点建立直角坐标系直角坐标系直角坐标系直角坐标系 9 9个应力分量分别为个应力分量分别为个应力分量分别为个应力分量分别为 正应力：正应力：正应力：正应力：xx，yy，zz剪切应力：xy，yx，xz，zx，yz，zy剪切应力成对定

7、理：当物体处于无转动的静平衡状态时，有ij=ji这时，任意点O的应力可用六个相互独立的应力分量来表示第5页，此课件共28页哦2 2、应变、应变应变：应变：弹性体受外力作用会发生形状和大小的改变，也叫弹性体受外力作用会发生形状和大小的改变，也叫形变，形变，是是物体变形程度的度量物体变形程度的度量体积应变：体积应变：物体只发生体积变化，膨胀或压缩，是受正应物体只发生体积变化，膨胀或压缩，是受正应力作用的结果力作用的结果形状形变：形状形变：物体只发生形状变化的应变，受剪应力物体只发生形状变化的应变，受剪应力正应变：正应变：变形体沿三个坐标轴方向单位长度内的形变，表示弹变形体沿三个坐标轴方向单位长度内

8、的形变，表示弹性体的性体的拉伸或压缩，拉伸或压缩，也称也称线性应变，伸长或缩短线性应变，伸长或缩短切应变：切应变：变形体不但沿坐标变形体不但沿坐标轴有相对伸长或压缩，且会轴有相对伸长或压缩，且会产生旋转。也称产生旋转。也称剪切应变剪切应变(a)体应变 (b)剪切应变第6页，此课件共28页哦当切应力较小时，可用直角的改变量 （偏转角）来度量剪切应变体积应变体积应变线性应变线性应变立方体单元受力后的形变(a)体积压缩 (b)剪切应变位移位移：在应变过程中，弹性体内各点会发生：在应变过程中，弹性体内各点会发生位置的移动，这是产生应变的必要条件位置的移动，这是产生应变的必要条件圆杆弹性体受力后的形变第

9、7页，此课件共28页哦 反映弹性体横向拉伸（或压缩）对纵向压缩（或拉伸）的影响。反映弹性体横向拉伸（或压缩）对纵向压缩（或拉伸）的影响。泊松比越大，纵向压缩越小泊松比越大，纵向压缩越小3 3、弹性模量、弹性模量也叫弹性系数弹性系数、弹性参数在弹性极限内在弹性极限内,弹性体的应力与应变成正比，弹性系数应力与应变成正比，弹性系数是应力与应变之间的比例因子，常用的弹性系数如下（1 1）杨氏模量）杨氏模量E E：当在弹性限度内单向拉伸弹性体时，应力与应变的比值，又称拉伸模量。反映弹性体的反映弹性体的抗压（拉）能力抗压（拉）能力,E,E越大能力越大能力越强，弹性体越不易拉长或压缩越强，弹性体越不易拉长或

10、压缩（2）泊松比泊松比 ：介质的横向应变与纵向应变的比值液体的液体的 为为0.5 0.5，对大多数岩石来说，对大多数岩石来说，在在0.20.2到到0.30.3之间之间负号表示纵、横向应变增量的方向总是相反负号表示纵、横向应变增量的方向总是相反第8页，此课件共28页哦 是阻止弹性体产生切应变的弹性系数，是阻止剪切应变的一个度量，是阻止剪切应变的一个度量，又称为又称为刚度模量，不可压缩性度量刚度模量，不可压缩性度量或或剪切模量对大多数岩石来说，的变化范围在0.1-0.7百万巴K越大则体积形变越小，因此K反映了介质耐压特性。（3）压缩模量(体变系数)K一个体积为V的立方体，在流体静压力P的挤压下所发

11、生的体积形变，即每个正截面的压缩模量，它是压力P与体积相对变化之比对于液体:=0，不产生切应变，只有体积变化（4）剪切模量 ：表示在简单切应力作用下,应力与应变的比例常数第9页，此课件共28页哦（5 5）拉梅系数）拉梅系数：应力与应变之间存在线性关系，其比例系数就是弹性系：应力与应变之间存在线性关系，其比例系数就是弹性系数。对于各向同性均匀介质，这些系数大都对应相等，弹性系数减少到两数。对于各向同性均匀介质，这些系数大都对应相等，弹性系数减少到两个，即拉梅系数个，即拉梅系数 和和 （切变模量）（切变模量）的物理意义：阻止横向压缩所需要的拉应力的一个量度阻止横向压缩所需要的拉应力的一个量度阻止横

12、向压缩的拉应力愈大，越大由于在非粘滞性流体中，,是流体的体积模量，也可把它叫做流体的补课压缩性度量 第10页，此课件共28页哦上述五个弹性参量，由弹性理论可证明，对各向同性介质，其中任意一个参量，都可用任意两个其它参量来表示，如第11页，此课件共28页哦弹性参数是应力与应变的比例常数，表示介质抵抗形变的能力，其数值愈大，表示该介质愈难产生形变据试验和理论推导，E、都大于零泊松比()在00.5之间变化。一般岩石的值在0.25左右，极坚硬岩石的值仅为0.05，流体的值为0.5，而软的、没有很好胶结土的值可达0.45 参数介质杨氏模量E体变模量K切变模量拉梅系数泊松比密度 (N/cm2106)(g/

13、cm2)钢20178110.307.70铝77.52.55.50.352.70玻璃75330.252.55花岗岩7322.50.252.67石灰岩5.53.523.50.200.322.65砂岩4.531.52.50.200.282.45页岩32110.220.402.35某些岩石和介质的弹性参数第12页，此课件共28页哦在介质内产生弹性波需要具备两个条件：在介质内产生弹性波需要具备两个条件：（1 1）弹性体受到外力作用产生形变）弹性体受到外力作用产生形变（2 2）弹性体内的质点要产生振动，并不断将振动能量向外）弹性体内的质点要产生振动，并不断将振动能量向外传播，由此产生了波动传播，由此产生了

14、波动波动方程：波动方程：是描述弹性体内质点位移随时间和空间变化规律的数学是描述弹性体内质点位移随时间和空间变化规律的数学方程，方程，即利用数学方法来描述波的传播。将物理问题转化为即利用数学方法来描述波的传播。将物理问题转化为数学问题数学问题在不同介质模型中，地震波有不同传播规律，在不同介质模型中，地震波有不同传播规律，一般地，模一般地，模型越复杂，描述地震波传播的方程就越复杂型越复杂，描述地震波传播的方程就越复杂均匀、各向同性、理想弹性介质是最简单的介质模型均匀、各向同性、理想弹性介质是最简单的介质模型1.2.2 1.2.2 弹性波传播方程第13页，此课件共28页哦均匀、各向同性、理想弹性介质

15、中的三维波动方程弹性动力学研究的是弹性体内质点的相对运动状态相对运动状态。因此，位移向量不仅是空间的函数空间的函数，也是时间的函数时间的函数弹性力学中有三组基本方程描述应力、应变关系及运动状态：弹性力学中有三组基本方程描述应力、应变关系及运动状态：（1 1）应力、应变关系方程应力、应变关系方程：反映了物体受力后的弹性状：反映了物体受力后的弹性状态，也称态，也称物态方程物态方程（2 2）应变和位移的关系方程应变和位移的关系方程：反映了弹性体在空间的几：反映了弹性体在空间的几何关系何关系（3 3）运动微分方程运动微分方程：反映了弹性体受外力作用后的运动状：反映了弹性体受外力作用后的运动状态态第14

16、页，此课件共28页哦（1 1）应力、应变关系方程：应力、应变关系方程：（3 3）运动微分方程：）运动微分方程：（2 2）应变和位移的关系方程：）应变和位移的关系方程：式中式中 为为体应变体应变，为标量为标量带下标的带下标的e e分别为正分别为正应变和切应变应变和切应变 为单为单位质量介质位质量介质所受外力所受外力F F的的三个分量三个分量1 1、弹性力学基本方程、弹性力学基本方程是广义虎克定律的拉梅形式是广义虎克定律的拉梅形式第15页，此课件共28页哦1.2.2 1.2.2 弹性波传播方程弹性波传播方程2 2、位移分量形式的波动方程、位移分量形式的波动方程三组三组基本方程化简，消去应力、应变分

17、量，基本方程化简，消去应力、应变分量，可推导出以可推导出以位移分量位移分量形式表达形式表达的、地震波在均匀各向同性、理想弹性介质中传播的、地震波在均匀各向同性、理想弹性介质中传播的波动方程：的波动方程：1.2-11.2-1 为拉普拉斯算子为拉普拉斯算子1.2-21.2-2式中式中u,v,wu,v,w分别为分别为x,y,zx,y,z方向上的位移，方向上的位移，,为介质弹性常数，称为拉为介质弹性常数，称为拉梅常数，梅常数，为介质密度为介质密度体积应变体积应变第16页，此课件共28页哦1.2.1 1.2.1 弹性波传播方程弹性波传播方程3 3、矢量弹性波传播方程、矢量弹性波传播方程弹性波方程的弹性波

18、方程的矢量表达式矢量表达式为为式中：式中：矢量矢量 表示介质质点受外力表示介质质点受外力 作用后作用后的位移，称为的位移，称为位移矢量位移矢量，矢量，矢量F F为介质所受到的外力，称为为介质所受到的外力，称为力矢量力矢量1.2-31.2-31.2-31.2-3上式即为上式即为矢量弹性波方程，矢量弹性波方程，又叫又叫 NavierNavier方程方程NavierNavier方程方程代表了在均匀各向同性介质中，用位移代表了在均匀各向同性介质中，用位移U U表示的弹性波表示的弹性波传播方程传播方程Navier方程：方程：第17页，此课件共28页哦1.2.3 1.2.3 纵横波波动方程纵横波波动方程外

19、力外力F F既包含既包含胀缩力胀缩力（正压力），也包含（正压力），也包含旋转力旋转力位移位移U U包含包含体变体变和和形变形变两部分两部分如果对弹性波方程两边取如果对弹性波方程两边取散度或旋度散度或旋度，就可将其分离为，就可将其分离为纵横波方纵横波方程程纵波情况下，只有体变、无旋转，波经过的介质只发生纵波情况下，只有体变、无旋转，波经过的介质只发生体积的胀缩体积的胀缩而无旋转，即而无旋转，即介质质点位移的矢量场是无旋的，在所研究的介质质点位移的矢量场是无旋的，在所研究的弹性介质中处处有弹性介质中处处有rotU=0rotU=0在矢量弹性波波动方程中在矢量弹性波波动方程中第18页，此课件共28页哦

20、1.2.3 1.2.3 纵横波波动方程纵横波波动方程对弹性波方程对弹性波方程1.2-31.2-3两边取散度两边取散度整理得：整理得：由于由于式中式中divFdivF代表代表胀缩力。胀缩力。式式1.2-81.2-8描述了在描述了在胀缩力作用下，弹性介质胀缩力作用下，弹性介质只产生与体变系数只产生与体变系数 有关的扰动有关的扰动弹性纵波，弹性纵波，称称1.2-81.2-8式为用式为用位移位移表示的表示的纵波波动方程纵波波动方程，V VP P为为纵波传播速度纵波传播速度令令则则1.2-81 1、纵波波动方程、纵波波动方程代入上式代入上式第19页，此课件共28页哦1.2.3 1.2.3 纵横波波动方程

21、纵横波波动方程对三维弹性波波动方程对三维弹性波波动方程1.2-3式两边取旋度式两边取旋度式中式中rotF代表了代表了旋转力旋转力，式，式1.2-9描述了在描述了在旋转力作用下旋转力作用下，弹性介质，弹性介质中只中只产生与形变产生与形变有关的扰动有关的扰动横波横波，称其为，称其为横波波动方程横波波动方程，VS是是横波速度横波速度由场论由场论代入旋度方程整理得代入旋度方程整理得令1.2-92 2、横波波动方程、横波波动方程令令=rotU，则，则得第20页，此课件共28页哦3 3、亥姆霍兹定理、亥姆霍兹定理18581858年年亥亥姆姆霍霍兹兹在在他他著著名名的的涡涡流流运运动动著著作作中中证证明明了

22、了以以下下定定理理：“任任何何向向量量函函数数，若若它它的的散散度度和和旋旋度度具具有有位位，则则该该向向量量场场可可分分解解为为一个无旋部分和一个有旋部分之和一个无旋部分和一个有旋部分之和”无旋部分表示纯体积胀缩无旋部分表示纯体积胀缩有旋部分代表剪切形变有旋部分代表剪切形变1.2.3 1.2.3 纵横波波动方程纵横波波动方程第21页，此课件共28页哦用旋度和梯度场表示的向量场用旋度和梯度场表示的向量场位移位移u u和外力和外力F F都是矢量（向量）场都是矢量（向量）场由由亥亥姆姆赫赫兹兹定定理理：对对任任意意向向量量场场，在在定定义义域域中中有有散散度度和和旋旋度度，则则该该向向量量场场可可

23、以以分分解为无旋部分和有旋部分之和，即解为无旋部分和有旋部分之和，即任任何何一一个个矢矢量量场场，如如果果在在定定义义域域内内有有散散度度和和旋旋度度，则则该该向向量量场场可可用用一一个个标标量位的梯度场和矢量位的旋度场之和来表示量位的梯度场和矢量位的旋度场之和来表示，于是有，于是有1.2-10式中式中 代表位移场的标量位，代表位移场的标量位，代表位移场的矢量位代表位移场的矢量位代表标量力位，代表标量力位，代表矢量力场代表矢量力场第22页，此课件共28页哦用位函数表达的纵波波动方程用位函数表达的纵波波动方程由于divrot=0,divrot=0,rotgrad =0,rotgrad =0，代入

24、上式整理得到得到位函数表示的纵波波动方程位函数表示的纵波波动方程式中式中 代表位移场的标量位，代表位移场的标量位，代表标量力位代表标量力位第23页，此课件共28页哦将将1.2-10及=divu和=rotu代入用横波波动方程代入用横波波动方程用位函数表达的横波波动方程用位函数表达的横波波动方程由于divrot=0,divrot=0,rotgrad =0,rotgrad =0，代入整理得到用位函数表示的横波波动方程若矢量位=（x，y），则上式可写成分量形式标量横波波动方程第24页，此课件共28页哦达朗贝尔方程和三分量标量波动方程达朗贝尔方程和三分量标量波动方程则用则用位函数位函数表示的纵横波波动方

25、程如下表示的纵横波波动方程如下将横波波动方程用标量形式表示，则得到用标量位函数表示的三分量将横波波动方程用标量形式表示，则得到用标量位函数表示的三分量标量波动方程标量波动方程标量横波波动方程标量横波波动方程标量纵波波动方程标量纵波波动方程上式又称上式又称达朗贝尔方程达朗贝尔方程1.2-121.2-141.2-131.2-12第25页，此课件共28页哦在弹性波传播方程中在弹性波传播方程中当当速速度度Vp,VsVp,Vs分分别别为为常常数数，则则表表示示均均匀匀、各各向向同同性性、理理想弹性介质中波的传播规律想弹性介质中波的传播规律若若速速度度Vp=Vp(x,y,z),Vs=Vs(x,y,z),V

26、p=Vp(x,y,z),Vs=Vs(x,y,z),则则可可表表示示非非均均匀匀、各向同性、理想弹性介质中波的传播规律各向同性、理想弹性介质中波的传播规律对对各各向向异异性性、粘粘弹弹性性介介质质以以及及双双相相介介质质模模型型，需需要要重重新新建建立立波波传播方程传播方程第26页，此课件共28页哦波前形状：球面波、柱面波、平面波波前形状：球面波、柱面波、平面波质点振动（极化）方向：横波、纵波、线性极化波、椭圆极化波质点振动（极化）方向：横波、纵波、线性极化波、椭圆极化波传播空间：体波、面波传播空间：体波、面波传播路径：直达波、反射波等传播路径：直达波、反射波等地震勘探中的波：地震勘探中的波：直达波：由震源发出向外传播，没有遇到分界面直接到达接收点的波直达波：由震源发出向外传播，没有遇到分界面直接到达接收点的波反射波反射波折射波折射波透射波透射波滑行波滑行波转换波：改变了波的类型，如反射波或透射波（转换波：改变了波的类型，如反射波或透射波（P，S）有效波有效波干扰波干扰波特殊波特殊波波的分类方法波的分类方法第27页，此课件共28页哦1.1.应力、应变的概念应力、应变的概念2 2、弹性系数的概念、弹性系数的概念3.写出均匀、各向同性、理想弹性介质中的弹性波Navier方程、达朗贝尔方程及式中各项的含义？作作 业业第28页，此课件共28页哦