地震勘探-地震波的基本定律-PPT.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n n1)1)、反射和透射、反射和透射n 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)n n3 3）、费马原理）、费马原理n n4 4）、惠更斯原理）、惠更斯原理n n5)5)、波的运动学和动力学、波的运动学和动力学n n6)6)、视速度定理、视速度定理n n7 7）、折射波）、折射波2n n当波入射到两种介质的分界面时。通常会分成两部分。当波入射到两种介质的分界面时。通常会分成两部分。当波入射到两种介质的分界面时。通常会分成两部分。当波入射到两种介质的分界面时。通常会分成

2、两部分。一部分回到第一种介质中，就是所谓的一部分回到第一种介质中，就是所谓的一部分回到第一种介质中，就是所谓的一部分回到第一种介质中，就是所谓的反射波反射波反射波反射波；n n另一部分透入第二种介质中，这在物理学中叫做折射另一部分透入第二种介质中，这在物理学中叫做折射另一部分透入第二种介质中，这在物理学中叫做折射另一部分透入第二种介质中，这在物理学中叫做折射波，而在地震学中习惯叫做透射波。波，而在地震学中习惯叫做透射波。波，而在地震学中习惯叫做透射波。波，而在地震学中习惯叫做透射波。1 1）、）、反射和透射反射和透射3n n波阻抗：在声学中把密度和波速的乘积叫做声阻抗，波阻抗：在声学中把密度和

3、波速的乘积叫做声阻抗，波阻抗：在声学中把密度和波速的乘积叫做声阻抗，波阻抗：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。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 n只有在只有在只有在只有在Z Z1 1 Z Z2 2（波阻抗不等）的条件下，弹性波（波阻抗不等）的条件下，弹性波（波阻抗不等）的条件下，弹性波（波阻抗不等）的条件下，弹性波(地震地震地震地震波波波波)才会发生反射；才会发生反射；才会发生反射；才会发生反射；Z Z1 1和和和和Z Z2 2（波阻抗）的差别越大，反（波阻抗）的差别越大，反（波阻抗）的差别越大，反（波阻抗）的差别越

4、大，反射波越强。射波越强。射波越强。射波越强。岩石名称岩石名称密度密度(g/cm(g/cm3 3 速度速度(m/s)(m/s)波阻抗波阻抗(g/mcm(g/mcm2 210104 4)土壤土壤1 11 12 20 02002008008002 22 216 16 砂层砂层1 14 42 20 0300300130013004 42 226 26 粘土粘土1 15 52 22 21800180024002400272752528 8砂岩砂岩2 21 12 28 820002000400040004242112 112 石灰岩石灰岩2 23 33 30 0320032005500550073736

5、 6165165岩盐岩盐2 20 02 22 24500450055005500909012l 12l 结晶岩石结晶岩石2 24 43 34 4450045006000600010810820420442 2）、）、反射定律和透射定律反射定律和透射定律n n反射定律反射定律反射定律反射定律n n地震波从点波源地震波从点波源地震波从点波源地震波从点波源OO沿射线沿射线沿射线沿射线OPOP射射射射到分界面上；到分界面上；到分界面上；到分界面上；NPNP垂直于分界面，垂直于分界面，垂直于分界面，垂直于分界面，是分界面在是分界面在是分界面在是分界面在P P点处的法线。点处的法线。点处的法线。点处的法线

6、。n n入射线入射线入射线入射线OPOP和法线和法线和法线和法线NPNP所确定的所确定的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，这个平面叫做波的入射面。叫做波的入射面。叫做波的入射面。叫做波的入射面。n n入射线和法线所夹的角入射线和法线所夹的角入射线和法线所夹的角入射线和法线所夹的角 1 1叫做叫做叫做叫做入射角；入射角；入射角；入射角；n n反射波的射线叫做反射线，反反射波的射线叫做反射线，反反射波的射线叫做反射线，反反射波的射线叫做反射线，反射线和法线所夹的角射线和法线所夹的角射线和法线所夹的角射线和法线所夹的角 1

7、 1 为反为反为反为反射角。射角。射角。射角。5水平界面情况：水平界面情况：n n在地震勘探中，把入在地震勘探中，把入在地震勘探中，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，称为所决定的平面，称为所决定的平面，称为射线平面。射线平面。射线平面。射线平面。n n根据射线平面的定义根据射线平面的定义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。当我们在地面面的

8、。当我们在地面面的。当我们在地面(假设它是水平的假设它是水平的假设它是水平的假设它是水平的)上上上上O O O O点激发，沿测线点激发，沿测线点激发，沿测线点激发，沿测线OXOXOXOX接收；又设地下的反接收；又设地下的反接收；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，这射界面是水平的，这射界面是水平的，这时，射线平面既垂直时，射线平面既垂直时，射线平面既垂直时，射线平面既垂直界面也垂直地面界面也垂直地面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 n当地震测线垂直界面当地震测线垂直界面当地震测线垂直界面当地震测线垂直界面走向，射线平面既垂

9、走向，射线平面既垂走向，射线平面既垂走向，射线平面既垂直界面也垂直地面。直界面也垂直地面。直界面也垂直地面。直界面也垂直地面。n n当地震测线不垂直界当地震测线不垂直界当地震测线不垂直界当地震测线不垂直界面走向，则射线平面面走向，则射线平面面走向，则射线平面面走向，则射线平面只垂直界面，不再垂只垂直界面，不再垂只垂直界面，不再垂只垂直界面，不再垂直地面。直地面。直地面。直地面。7n n我们将反射线向反方向我们将反射线向反方向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，同时从波源延长，同时从波源延长，同时从波源O O O O向向向向分界面作垂线分界面作垂线分界面作垂线分界面作垂

10、线ODODODOD并延长；并延长；并延长；并延长；这两条延线交于一点这两条延线交于一点这两条延线交于一点这两条延线交于一点O O O O*，这一点称做虚波源，这一点称做虚波源，这一点称做虚波源，这一点称做虚波源(地震勘探中称虚震源地震勘探中称虚震源地震勘探中称虚震源地震勘探中称虚震源)，因反射线似乎是从，因反射线似乎是从，因反射线似乎是从，因反射线似乎是从O O O O*点射出来的。点射出来的。点射出来的。点射出来的。n n 承认了反射定律，很承认了反射定律，很承认了反射定律，很承认了反射定律，很容易证明容易证明容易证明容易证明OD=OOD=OOD=OOD=O*D D D D。这种。这种。这种

11、。这种作图方法，我们以后用作图方法，我们以后用作图方法，我们以后用作图方法，我们以后用得很多。得很多。得很多。得很多。8n n反射系数反射系数n 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：射系数：射系数：n 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，只有界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，只有界面波阻抗不等时才产生反射波，这是界面形成反射面波阻抗不等时才产

12、生反射波，这是界面形成反射面波阻抗不等时才产生反射波，这是界面形成反射面波阻抗不等时才产生反射波，这是界面形成反射波的必要物理条件。波的必要物理条件。波的必要物理条件。波的必要物理条件。n 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。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 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，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，称为正极性反射；反反射波与入射波的相位相

13、同，称为正极性反射；反反射波与入射波的相位相同，称为正极性反射；反反射波与入射波的相位相同，称为正极性反射；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180180180180，称，称，称，称为负极性反射。利用反射极性的变化，可判断地下为负极性反射。利用反射极性的变化，可判断地下为负极性反射。利用反射极性的变化，可判断地下为负极性反射。利用反射极性的变化，可判断地下岩层性质。岩层性质。岩层性质。岩层性质。9界面反射系数界面界面界面界面第一种介质第一种介质第一种介质第一种介质第二种介质第二种介质

14、第二种介质第二种介质速度速度速度速度密度密度密度密度速度速度速度速度密度密度密度密度砂岩在石灰岩之上砂岩在石灰岩之上砂岩在石灰岩之上砂岩在石灰岩之上2.02.02.42.43.03.02.42.40.670.670.20.2石灰岩在砂岩之上石灰岩在砂岩之上石灰岩在砂岩之上石灰岩在砂岩之上3.03.02.42.42.02.02.42.41.51.5002 2浅层界面浅层界面浅层界面浅层界面2.12.12.42.42.32.32.42.40.930.930.0450.045深层界面深层界面深层界面深层界面4.34.32.42.44.54.52.42.40.970.970.0220.022“软软软软

15、”海底海底海底海底1.51.51.01.01.51.52.02.00.500.500.330.33“硬硬硬硬”海底海底海底海底1.51.51.01.03.03.02.52.50.200.200.670.67海洋表面海洋表面海洋表面海洋表面(从从从从FF面入射面入射面入射面入射)1.51.51.01.00.360.360.00120.0012380038000 099949994低速带底面低速带底面低速带底面低速带底面0.50.51.51.52.02.02.02.00.190.190.680.68页岩覆于含水砂岩之上页岩覆于含水砂岩之上页岩覆于含水砂岩之上页岩覆于含水砂岩之上2.42.42.32

16、.32.52.52.32.30.960.960.020.02页岩覆于含气砂岩之上页岩覆于含气砂岩之上页岩覆于含气砂岩之上页岩覆于含气砂岩之上2.42.42.32.32.22.21.81.81.391.390.160.16含气砂岩在含会砂岩之上含气砂岩在含会砂岩之上含气砂岩在含会砂岩之上含气砂岩在含会砂岩之上2.22.21.81.82.52.52.32.30.690.690.180.18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

17、：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。11n n反射波的特点：反射波的特点：n n1 1）形成反射波的条件是反射系数不）形成反射波的条件是反射系数不等于零等于零n n2 2）反射波的能量取决于反射系数）反射波的能量取决于反射系数n n3 3）反射波极性的变化，取决与）反射波极性的变化，取决与R R的的正负正负n n4 4）反射系数的范围（）反射系数的范围（-1-1，1 1）1213n n 透射定律透射定律透射定律透射定律n n透射线也位于入射面内，入透射线也位于

18、入射面内，入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、二两种介质之比等于第一、二两种介质之比等于第一、二两种介质中的波速之比，即：中的波速之比，即：中的波速之比，即：中的波速之比，即：n n当地震波沿当地震波沿当地震波沿当地震波沿OPOP射在分界面上射在分界面上射在分界面上射在分界面上的的的的P P点时，除有一部分能量作点时，除有一部分能量作点时，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为反射波的能量回到第一种

19、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。入第二种介质中。入第二种介质中。n n透射波的射线称为透射线。透射波的射线称为透射线。透射波的射线称为透射线。透射波的射线称为透射线。透射线和界面法线透射线和界面法线透射线和界面法线透射线和界面法线PNPN之间的之间的之间的之间的夹角夹角夹角夹角 2 2称做透射角。称做透射角。称做透射角。称做透射角。14n n透射定理可改写成如下形式：透射定理可改写

20、成如下形式：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 n透射定律也只确定了透射线的方向，而完全没有涉透射定律也只确定了透射线的方向，而完全没有涉透射定律也只确定了透射线的方向，而完全没有涉透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。条定律。条定律。n n除了和反射定律一样要求那些适用条件以外，透射除了和反射定律一样要求那些适用条件以外，透射除了和反射定律一样要求那些适用条件以外，透射除了和反

21、射定律一样要求那些适用条件以外，透射定律还特别要求两种介质必须都是各向同性的；就定律还特别要求两种介质必须都是各向同性的；就定律还特别要求两种介质必须都是各向同性的；就定律还特别要求两种介质必须都是各向同性的；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。一个不随方向而变的常量。一个不随方向而变的常量。（视速度）（视速度）1516n n透射系数透射系数n n透射波的振幅与入射波的振幅之比，称为透射系数：透射波的振幅与入射波

22、的振幅之比，称为透射系数：透射波的振幅与入射波的振幅之比，称为透射系数：透射波的振幅与入射波的振幅之比，称为透射系数：n n当当当当 时，才形成透射。时，才形成透射。时，才形成透射。时，才形成透射。n 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。在波阻抗差异的分界面上。在波阻抗差异的分界面上。n 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，透在透射波能量不变的情况下，反射

23、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。越强。越强。17n n透射系数透射系数n n透射波的特点：透射波的特点：透射波的特点：透射波的特点：n n1 1）透射波产生的条件，界面上下传）透射波产生的条件，界面上下传）透射波产生的条件，界面上下传）透射波产生的条件，界面上下传播速度不同播速度不同播速度不同播速度不同n n2 2）透射波的能量取决于透射系数）透射波的能量取决于透射系数）透射波的能量

24、取决于透射系数）透射波的能量取决于透射系数n n3 3）透射波极性与入射波极性一致）透射波极性与入射波极性一致）透射波极性与入射波极性一致）透射波极性与入射波极性一致n n4 4）透射系数的范围（）透射系数的范围（）透射系数的范围（）透射系数的范围（0 0，2 2），总为），总为），总为），总为正值正值正值正值18n n 全反射全反射全反射全反射n n如果如果如果如果V V2 2 V V1 1，则有则有则有则有sinsin 2 2sinsin 1 1。即即即即 2 2 1 1；n n当当当当 1 1增大到一定程度但还没增大到一定程度但还没增大到一定程度但还没增大到一定程度但还没到到到到9090

25、时，时，时，时，2 2已经增大到已经增大到已经增大到已经增大到9090，这时透射波在第二种介质中这时透射波在第二种介质中这时透射波在第二种介质中这时透射波在第二种介质中沿界面沿界面沿界面沿界面“滑行滑行滑行滑行”，出现了，出现了，出现了，出现了“全反射全反射全反射全反射”现象，因为现象，因为现象，因为现象，因为 1 1再增再增再增再增大，就不能出现透射波了。大，就不能出现透射波了。大，就不能出现透射波了。大，就不能出现透射波了。n n开始出现开始出现开始出现开始出现“全反射全反射全反射全反射”时的入时的入时的入时的入射角叫做临界角；射角叫做临界角；射角叫做临界角；射角叫做临界角；n n因为这时

26、因为这时因为这时因为这时 2 2 9090，sin sin 2 2 1 1，所以临界角，所以临界角，所以临界角，所以临界角 c c满足下列关满足下列关满足下列关满足下列关系式：系式：系式：系式：19 斯奈尔斯奈尔(Snell)(Snell)定律定律n n综合反射定律和透射定律的内容，并扩展到水平层状介质的综合反射定律和透射定律的内容，并扩展到水平层状介质的综合反射定律和透射定律的内容，并扩展到水平层状介质的综合反射定律和透射定律的内容，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。情况，可以得到斯奈尔定律。它还包括

27、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。n n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V VP1P1，V VS1S1 ，V V P2P2 ，V V S2S2 ，.，V V Pi Pi，V V SiSi表示；入射波是纵波，入射角为表示；入射波是纵波，入射角为 P1P1 ；各层的纵波，；各层的纵波，横波的反射角和透射角分别用横波的反射角和透射角分别用 PiPi，SiSi表示，则斯奈尔定律的表示，则斯奈尔定律的形式如下：形式如下：n nP P称为射线参数。在水平层状介质中，当波的某条射线以某一称为射线参数。在水平层状介质中，当波的某条射线以某一角度入射到

28、第一个界面后，再向下透射的方向将由上式决定，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值这条射线就对应于一个射线参数值P Pi i。2021n n层状介质中的地震射线层状介质中的地震射线SnellSnell定律的应用定律的应用n 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

29、表和地下层界面看作是平面。层界面看作是平面。层界面看作是平面。层界面看作是平面。n n假设：有假设：有假设：有假设：有n 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，层厚度分别为向同性的，层厚度分别为向同性的，层厚度分别为h h1 1、h h2 2、h hn n，层，层，层，层速度分别为速度分别为速度分别为速度分别为V V1 1、V V2 2、V Vn n。（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）

30、A（X，H）h1，V1h2，V2h3，V3hn，Vni1i2in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623n n由地面由地面由地面由地面OO点至第点至第点至第点至第n n层界面层界面层界面层界面A A点，地震射线为一条折点，地震射线为一条折点，地震射线为一条折点，地震射线为一条折线，所需的传播时间（走时）线，所需的传播时间（走时）线，所需的传播时间（走时）线，所需的传播时间（走时）t t为：为：为：为：n n根据根据根据根据SnellSnell定律：对于某一条射线，定律：对于某一条射线，定律：对于某一条射线，定律：对于某一条射线，P P为常数为常

31、数为常数为常数24P为一常数。为一常数。A点的坐标为（点的坐标为（X，H）假设：假设：假设：假设：有有有有n n个平行层，各层的介质都是均匀的和各向个平行层，各层的介质都是均匀的和各向个平行层，各层的介质都是均匀的和各向个平行层，各层的介质都是均匀的和各向同性的，层厚度分别为同性的，层厚度分别为同性的，层厚度分别为同性的，层厚度分别为h h1 1、h h2 2、h hn n，层速度，层速度，层速度，层速度分别为分别为分别为分别为V V1 1、V V2 2、V Vn n。假设：假设：假设：假设：地震射线为一条折线。地震射线为一条折线。地震射线为一条折线。地震射线为一条折线。25263 3）、费马

32、）、费马(Fermat)(Fermat)原理原理n n 关于波的传播关于波的传播:n n在均匀介质中，射线是直线；在非均匀介质中，在均匀介质中，射线是直线；在非均匀介质中，在均匀介质中，射线是直线；在非均匀介质中，在均匀介质中，射线是直线；在非均匀介质中，射线是曲线；射线是曲线；射线是曲线；射线是曲线；n n在两种均匀介质的分界面上，存在反射定律和透在两种均匀介质的分界面上，存在反射定律和透在两种均匀介质的分界面上，存在反射定律和透在两种均匀介质的分界面上，存在反射定律和透射定律射定律射定律射定律(包括包括包括包括“全反射全反射全反射全反射”现象现象现象现象)。n n这些知识能不能归纳成同一条

33、更加带有基本性的这些知识能不能归纳成同一条更加带有基本性的这些知识能不能归纳成同一条更加带有基本性的这些知识能不能归纳成同一条更加带有基本性的规律规律规律规律?如果能够，怎么样根据那些规律来指导新的如果能够，怎么样根据那些规律来指导新的如果能够，怎么样根据那些规律来指导新的如果能够，怎么样根据那些规律来指导新的实践实践实践实践?n n费马原理较通俗的表达是：费马原理较通俗的表达是：波在各种介质中的波在各种介质中的传播路线，满足所用时间为最短的条件。传播路线，满足所用时间为最短的条件。27n n费马原理（费马原理（1660年）：射线原理、年）：射线原理、时间最小原理时间最小原理n n 法国科学家

34、费马（法国科学家费马（法国科学家费马（法国科学家费马（1657165716621662）利）利）利）利用最小的观念提出来的。他当时研究用最小的观念提出来的。他当时研究用最小的观念提出来的。他当时研究用最小的观念提出来的。他当时研究的是光波。的是光波。的是光波。的是光波。n n 费马原理：地震波沿垂至于波前面费马原理：地震波沿垂至于波前面费马原理：地震波沿垂至于波前面费马原理：地震波沿垂至于波前面的路径（波的射线方向）传播所需的的路径（波的射线方向）传播所需的的路径（波的射线方向）传播所需的的路径（波的射线方向）传播所需的时间最短。时间最短。时间最短。时间最短。n n 即：在介质中地震波从一点到

35、另一即：在介质中地震波从一点到另一即：在介质中地震波从一点到另一即：在介质中地震波从一点到另一点的传播时间，传播时以沿时间为最点的传播时间，传播时以沿时间为最点的传播时间，传播时以沿时间为最点的传播时间，传播时以沿时间为最小的射线路径传播。小的射线路径传播。小的射线路径传播。小的射线路径传播。28费马原理的粗略解释费马原理的粗略解释:n n设想如图所示，波从一点设想如图所示，波从一点设想如图所示，波从一点设想如图所示，波从一点P P传到另一点传到另一点传到另一点传到另一点QQ，途中经，途中经，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，或是完全过的

36、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，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，而虚而虚而虚而虚 线则代表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，叫做假想线则代表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。路线。路线。n 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，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：

37、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“短短短短”。29 4）、）、惠更斯惠更斯(Huygens)原理原理n n惠更斯原理是利用波前的概念来处理问题。惠更斯原理是利用波前的概念来处理问题。n n波是振动在介质中的传播过程。波是振动在介质中的传播过程。n n这种传播是通过介质中相邻部分之间的相互作用来进这种传播是通过介质中相邻部分之间的相互作用来进行的。行的。n n对于波到达较晚的那些部分来说，波到达较早的那些对于波到达较晚的那些部分来说，波到达较早的那些部分就起着信号来源的作用。部

38、分就起着信号来源的作用。n n惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯(Huygens)(Huygens)原理原理原理原理：n n介质中波所传到的各点介质中波所传到的各点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，叫做子波源。都可以看成新的波源，叫做子波源。都可以看成新的波源，叫做子波源。都可以看成新的波源，叫做子波源。n n可以认为每个子波源都向各方发出微弱的波，叫做子波。可以认为每个子波源都向各方发出微弱的波，叫做子波。可以认为每个子波源都向各方发出微弱的波，叫做子波。可以认为每个子波源都向各方发出微弱的波，叫做子波。n 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播的。子波

39、是以所在点处的波速传播的。子波是以所在点处的波速传播的。30n n惠更斯菲涅尔原理：波前原理惠更斯菲涅尔原理：波前原理惠更斯菲涅尔原理：波前原理惠更斯菲涅尔原理：波前原理n n 波动理论解释光的传播规律的基波动理论解释光的传播规律的基波动理论解释光的传播规律的基波动理论解释光的传播规律的基本原理。本原理。本原理。本原理。n n 惠更斯（惠更斯（惠更斯（惠更斯（1629169516291695）：荷兰，物）：荷兰，物）：荷兰，物）：荷兰，物理学家、数学家、天文学家。理学家、数学家、天文学家。理学家、数学家、天文学家。理学家、数学家、天文学家。n n16671667年发表的年发表的年发表的年发表的

40、论赌博中的计算论赌博中的计算论赌博中的计算论赌博中的计算 n n16731673年出版了年出版了年出版了年出版了摆钟摆钟摆钟摆钟n n16901690年出版的年出版的年出版的年出版的光论光论光论光论n n16651665年发现了木星的卫星（木卫六）、土星的年发现了木星的卫星（木卫六）、土星的年发现了木星的卫星（木卫六）、土星的年发现了木星的卫星（木卫六）、土星的光环、猎户座星云和火星极冠光环、猎户座星云和火星极冠光环、猎户座星云和火星极冠光环、猎户座星云和火星极冠n n16801680年他制造了一台行星仪年他制造了一台行星仪年他制造了一台行星仪年他制造了一台行星仪 31n n 16901690

41、年惠更斯提出了这个原理的要点，惠更斯认为：波所年惠更斯提出了这个原理的要点，惠更斯认为：波所年惠更斯提出了这个原理的要点，惠更斯认为：波所年惠更斯提出了这个原理的要点，惠更斯认为：波所到达的每一点可以看做新的波源，从这些点发出球面形状的到达的每一点可以看做新的波源，从这些点发出球面形状的到达的每一点可以看做新的波源，从这些点发出球面形状的到达的每一点可以看做新的波源，从这些点发出球面形状的子波，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波子波，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波子波，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波子波，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波

42、前。前。前。前。32l 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法，有了惠更斯原理，就可以利用作图的方法，有了惠更斯原理，就可以利用作图的方法，有了惠更斯原理，就可以利用作图的方法，根据已知的波前求出后来时刻的波前。如根据已知的波前求出后来时刻的波前。如根据已知的波前求出后来时刻的波前。如根据已知的波前求出后来时刻的波前。如右图所示，右图所示，右图所示，右图所示，S S1 1代表时刻代表时刻代表时刻代表时刻t t1 1的波前。的波前。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要确定后来的一个时刻要确定后来的一个时刻t t2 2=t t1 1

43、+t t的新波前，的新波前，的新波前，的新波前，可以把可以把可以把可以把S S1 1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它们从时刻它们从时刻t t1 1开始向外发出子波。开始向外发出子波。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过了一段时间过了一段时间 t t ，这些子波的，这些子波的，这些子波的，这些子波的“子波前子波前子波前子波前”应是半径为应是半径为应是半径为应是半径为V V t t的球面。用一个曲面的球面。用一个曲面的球面。用一个曲面的球面。用一个曲面S S2 2将这些小

44、球面上离曲面将这些小球面上离曲面将这些小球面上离曲面将这些小球面上离曲面S S1 1最远的各点连起最远的各点连起最远的各点连起最远的各点连起来，就得到和时刻来，就得到和时刻来，就得到和时刻来，就得到和时刻t t2 2=t t1 1+t t相对应的波前。相对应的波前。相对应的波前。相对应的波前。因为因为因为因为S S2 2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；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比这些点离比这些点离S S1 1更远的地方，波还没有传到。更远的地方，波还没有传到。更远的地方，波还没有传到。更远的地方，波还没有传到。这

45、里的这里的这里的这里的S S2 2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子波前的包面。样的曲面称为各该子波前的包面。样的曲面称为各该子波前的包面。样的曲面称为各该子波前的包面。3334 惠更斯原理示意图惠更斯原理示意图惠更斯原理示意图惠更斯原理示意图35 菲涅耳（菲涅耳（菲涅耳（菲涅耳（17881788178817881827182718271827）：法国，土木）：法国，土木）：法国，土木）：法国，土木工程师，物理学家。工程师，物理学家。工程师，物理学家。工程师，物理学家。181518151815181

46、5年菲涅耳弥补了惠更斯原理的不年菲涅耳弥补了惠更斯原理的不年菲涅耳弥补了惠更斯原理的不年菲涅耳弥补了惠更斯原理的不足之处，他保留了惠更斯的次波概念，足之处，他保留了惠更斯的次波概念，足之处，他保留了惠更斯的次波概念，足之处，他保留了惠更斯的次波概念，补充了次波相干叠加的概念，认为光场补充了次波相干叠加的概念，认为光场补充了次波相干叠加的概念，认为光场补充了次波相干叠加的概念，认为光场中任一点的光振动是这些次波在该点相中任一点的光振动是这些次波在该点相中任一点的光振动是这些次波在该点相中任一点的光振动是这些次波在该点相干叠加的结果。惠更斯干叠加的结果。惠更斯干叠加的结果。惠更斯干叠加的结果。惠更

47、斯-菲涅耳原理可表菲涅耳原理可表菲涅耳原理可表菲涅耳原理可表述如下：在光源述如下：在光源述如下：在光源述如下：在光源S S S S发出的波前面上，每个发出的波前面上，每个发出的波前面上，每个发出的波前面上，每个面元都可看成是发出球面次波的新波源，面元都可看成是发出球面次波的新波源，面元都可看成是发出球面次波的新波源，面元都可看成是发出球面次波的新波源，空间某点空间某点空间某点空间某点P P P P的振动是所有这些次波在该点的振动是所有这些次波在该点的振动是所有这些次波在该点的振动是所有这些次波在该点的相干叠加结果。的相干叠加结果。的相干叠加结果。的相干叠加结果。36373839 菲涅尔带菲涅尔

48、带菲涅尔带菲涅尔带n n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。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 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，意味着反射波只是由一个反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，意味着反射波只是由一个反射点产生的，但实际上反射波是由反射界面上相当大的射点产生的，但实际上反射波是由反射界面上相当大的射点产生的，但实际上反射波是由反射界面上相当大的射点产生的，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

49、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，这些波或多或少地可以相干波相位差不大于半个周期，这些波或多或少地可以相干波相位差不大于半个周期，这些波或多或少地可以相干波相位差不大于半个周期，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菲涅尔带。干涉。产生相干干涉反射波的区域称着菲涅尔带。干涉。产生相干干涉反射波的区域称着菲涅尔带。干涉。产生相干干涉反射波的区域称着菲涅尔带。4041n n 费马原理纯粹从空间上来描述波的传播规律，即费马原理纯粹从空间上来描述波的传播规律，即费马原理纯粹从

50、空间上来描述波的传播规律，即费马原理纯粹从空间上来描述波的传播规律，即波是沿射线传播的。惠更斯波是沿射线传播的。惠更斯波是沿射线传播的。惠更斯波是沿射线传播的。惠更斯-菲涅耳原理阐明了地震波菲涅耳原理阐明了地震波菲涅耳原理阐明了地震波菲涅耳原理阐明了地震波传播的本质，即某一刻到达的扰动是由前一刻的波前传播的本质，即某一刻到达的扰动是由前一刻的波前传播的本质，即某一刻到达的扰动是由前一刻的波前传播的本质，即某一刻到达的扰动是由前一刻的波前面上各点作为子波传播叠加之和的结果。面上各点作为子波传播叠加之和的结果。面上各点作为子波传播叠加之和的结果。面上各点作为子波传播叠加之和的结果。n n 二者并不