弹性波动理论课件

第一章：地震勘探的理论基础地震勘探的理论基础 地震勘探是研究人工激发的地震波在岩、土介质中的传播规律，而这种规律的 研究又是以地壳中岩石、土壤所具有的弹性和弹性差异为前提的。在研究中，通常把岩、土介质看作是弹性介质。因此，地震波也叫弹性波，下面，先讨论弹性理论的一些基本概念。第一节第一节 弹性理论概述弹性理论概述一、一、弹性介质与粘弹性介质 1.弹性介质弹性介质弹性:外力 体积、形状变化 外力去掉 恢复原状 弹性体：具有这种特性的物体 弹性形变：其形变称为 如弹簧、橡皮等塑性:外力 体积、形状变化 去掉外力 不恢复原状，保持外力作用时的状态 塑性体：具有这种特性的物体 塑性形变：其形变称为.如橡皮泥 外力下，是弹是塑，取决于:是否在弹性限度之内即三个方面:外力大小、作用时间长短、物体本身的性质第一章：地震勘探的理论基础 地震勘探是研1（不同）激发信号波形变“胖”，振幅变小。自然界中绝大部分物体，在外力作用下，既可显弹，也可显塑 地震勘探，震源是脉冲式的，作用时间很短（持续十几几十毫秒），岩土受到的作用力很小，可把岩、土介质看作弹性介质，用弹性波理论来研究地震波。各向同性介质：凡弹性性质与空间方向无关的介质各向异性介质:凡弹性性质与空间方向有关的介质沉积稳定的沉积岩区，各向同性，简化问题 地震勘探中，只要岩土性质差异不大，都可以将岩土作为各向同性介质来研究，这样可使很多弹性理论问题的讨论大为简化。2.粘弹性体（介质）粘弹性体（介质）粘滞性：小外力、长时间 不能恢复原状 粘弹性：既有弹性，又有粘滞性的性质浅震中：接收信号 原因：吸收高频，能量损耗。显然，岩土既有弹性、又有粘滞性，岩土层就可以称为粘弹性体（介质）。（不同）激发信号波形变“胖”，振幅变小。自然2二、应力和应变1应力应力设有一直杆，长L，直径d，横截面积为S受外力F拉长，长变为 L=L+L，直径变为d=d-d 直杆内部质点之间会产生一个对抗外力使物体恢复原状的内力。显然，大小和外力相等，方向相反。正应力：单位面积上所产生的内力，用 T 表示剪切应力：相切于单位面积上的内力，用表示T (1.1)2应变应变定义：弹性介质在应力作用下产生的形状和体积的变化 体应变：体积发生变化（膨胀或压缩）=(1.2)线应变：单位长度的伸长（或缩短）量二、应力和应变1应力设有一直杆，长L，直径d，横截面积为3e=(1.3)剪切应变：弹性介质在剪切力作用下，形状发生变化。当切应力较小时，可用直角的改变量(也叫偏转角)来度量 e=(1.4)图1.2 立方体单元受力后的形变(a)体积压缩 (b)剪切应变三、弹性模量1弹性模量的定义弹性模量的定义e=4弹性模量也叫弹性参数或弹性系数，它表示了弹性体应力与应变之间的关系，反映了弹性体的弹性性质。(1)杨氏模量 当弹性体在弹性限度内单向拉伸时，应力与应变的比值称为杨氏模量（拉伸模量）。E=(1.5)(2)泊松比（）在拉伸形变中，直杆的横切面会减小。反之，在轴向挤压时，横截面将增大。也就是说，在拉伸或压缩形变中，纵向增量 L和横向增量 d的符号总是相反的。泊松比:介质的横向应变与纵向应变的比值 =-(1.6)(3)体变模量一个体积为V的立方体，在流体静压力P的挤压下所发生体积形变。即每个正截面的压体变模量（压缩模量）:压力P与体积相对变化之比K=-(1.7)弹性模量也叫弹性参数或弹性系数，它表示了弹性体应力与应变之间5(4)切变模量（）切变模量（刚性模量）:表示了物体切应力与切应变之比=(1.8)对于液体:=0，不产生切应变，只有体积变化。(5)拉梅常数（、）弹性力学中：受力物体内任意点受力 沿坐标轴分为三个分力，每个分力都会引起纵向和横向沿三个轴的应力与应变。按照广义虎克定律，应力与应变之间存在线性关系，于是应有36个弹性系数。对各向同性介质，这些系数大都对应相等，可归结为:两个系数、（合称拉梅系数）:应力与应变方向一致和互相垂直 以上五个弹性参量，由弹性理论可证明，对于各向同性介质，其中任意一个参量，都可以用任意两个其它的参量表示出来，只写出其中一组：(4)切变模量（）切变模量（刚性模量）:表示了物体切应力6 以上讨论可知，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，表示该介质愈难以产生形变。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。表1.1中列举出一些岩石和介质的弹性参数。表表1.1介质的弹性参数介质的弹性参数 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/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32110.220.402.352.动弹模和静弹模的关系动弹模和静弹模的关系 对于同一岩、土介质，弹模数值除了与岩性有关外，还与测试的方法不同而异。静弹模：用静力测试的方法所得弹模，用Es表示；动弹模：用弹性波（地震或声波测试）测试的方法称为动力法，所得弹模，用Ed表示。以上讨论可知，弹性参数是应力与应变的比例常数7一般：动弹模静弹模 优缺点：静力法：测得的静弹模值与地基受力条件相似，但现场测试设备笨重，测试时间 长、费用高，因此只能选择有代表性的少数测点进行测试，而少数测点难以对整 个场地岩、土介质的力学性质做出总体评价。动力法：是用地震或声波仪进行测试，具有简便、快速、经济等优点。但是目前工程设计人员一般还是要求给出与地基受力条件近似的静弹模数值，因此往往要把地震或声波测得的动弹模值换算成静弹模值。四、波动方程若应力体内两相邻质点应力相同，无相对运动，静止平衡状态若二者之间有应力差，产生波动为研究弹性波动形成的物理机制和传播规律，须建立波的运动方程（波动方程）波动方程:研究介质中质点位移随时间和空间的变化规律。在弹性理论中，对于均匀、各向同性、理想弹性介质中的三维波动方程式为 一般：动弹模静弹模 优缺点：静力法：测8式中，u,v,w分别为x,y,z方向上的位移，,为拉梅常数，为介质密度为体积应变。为拉普拉斯算子。若波动引起介质的形变，只有体积上的变化而无旋转时，那么方程式变为 此方程代表的波称为疏密波，或压缩波。若波动引起介质的形变，只有剪切变形和转动而无体积变化时，则方程变为 式中，u,v,w分别为x,y,z方向上的位移，,为拉梅常9此方程代表的波称为剪切波，或等容波 疏密波与剪切波的波动方程可以写成如下简单的形式 式中:，分别代表纵波（疏密波）和横波（剪切波）的传播速度。此方程代表的波称为剪切波，或等容波 疏密波与剪切波的波动方程10第二节第二节 地震波的基本类型地震波的基本类型 一、地震波动的形成波动产生：弹性体内相邻质点间的应力变化会产生质点的相对位移，存在应力梯度时 下面讨论地震波的形成过程：物体在受到由小逐渐增大的力作用时，大体上经历三种状态：外力小：在弹性限度以内，物体产生弹性形变；外力增大：到超过弹性限度，物体产生塑性形变；外力继续增大：超过了物体的极限强度，物体就会被拉断或压碎。岩层中用炸药爆炸：激发地震波时 炸药包附近：压力周围岩石的弹性极限，岩石被破碎形成一个破坏圈 离开震源一定距离：压力减小，但仍超过岩石的弹性限度，岩石不发生破碎，但发生塑性形变，形成一系列裂缝的塑性及非线性形变带 塑性带以外：随着距离增加，压力降低到弹性限度内，岩石发生弹性形变 因此，地震波是一种在岩层中传播的弹性波 第二节 地震波的基本类型 一、地震波动的形成波动产生：弹11胀缩力 体积应变，引起的波动（纵波，P波）；二、纵、横波的形成及其特点 从上讨论知:外力作用下，存在两种扰动旋转力 剪切应变，引起的波动（横波，S波）。统称体波 纵波：间隔形成压缩带（密集带）和膨胀带（稀疏带），传播方向与振动方向一致，Vp横波：传播方向与振动方向相垂直，波速Vs水平面内分量：称SH波 垂直面内分量：称SV波 胀缩力 体积应变，引起的波动（纵波，P波）；二、纵、横波的12从波动方程知：纵、横波传播速度为(1.15)则纵、横波速度之比为 (1.16)表表1.2 Vp/Vs值与介质泊松比的关系值与介质泊松比的关系 00.10.20.250.30.40.5Vp/Vs1.411.501.631.731.872.45从波动方程知：纵、横波传播速度为(1.15)则纵、横波速度13 讨论：0.25,一般岩石,Vp/Vs=0，极坚硬岩石,Vp/Vs=0.5，浮土,於泥土,Vp/Vs 横波最小波速=0,液体和气体中不存在横波。解决某些特殊问题，如探测充满液体的洞穴（如溶洞）,Vs=0三、面波体波：纵、横波，在整个空间面波：弹性分界面附近 瑞利面波：自由界面，地滚波，R波 特点：低频、低速，能量大（强振幅），旋转（铅垂面，椭圆，逆转）天然地震中，危害极大 勒夫面波：低速带顶底界面，平行界面的波动，振动方向垂直传播方向，SH波 特点：对纵波勘探影响不大，对横波勘探严重干扰 讨论：0.25,一般岩石,Vp/Vs=14图1.5 (a)瑞雷面波的传播 (b)勒夫面波的传播第三节第三节 地震波场的基本知识地震波场的基本知识 地震波场的基本理论包括：运动学，动力学。运动学（几何地震学）：研究地震波在传播中的空间位置与传播时间的关系，动力学：研究地震波传播时的波形、振幅、频率、相位等与空间位置的关系。一、运动学的基本知识 1.惠更斯惠更斯菲涅尔原理菲涅尔原理波前：把在某一时刻介质中刚开始振动的点连接起来成一曲面 波后：把在同一时刻刚停止振动的点连接成的曲面 振动带：波前与波后之间的各点均在振动波前面形状与介质波速有关，介质波速结构的变化，波前面形状也会产生变化：均匀介质，波前是以震源O为中心的一簇同心球（半球）面，称球面波（当球面波半径很大时，称平面波，而对于非均匀介质，波前面为曲面。图1.5 (a)瑞雷面波的传播 (b)勒夫面波的传播第15 惠更斯原理：在弹性介质中，t时刻的同一波前面上的各点，可以把这些点看作从该时刻产生子波的新的点振源，经过t时刻后，这些子波的包络面就是t+t时刻新的波前面。据惠更斯原理可以从已知波前面的位置求出以后各时刻波前面的位置。但是，惠更斯原理只给出了波传播的空间几何位置，而没有描述波到达该位置时的物理状态。图1.6 波前、波后和射线 菲涅尔补充：由波前面上各点所产生的子波，在观测点上相互干涉叠加，其叠加结果就是我们在该点观测到的总振动。惠更斯菲涅尔原理（又称波前原理）：既可用于均匀介质，也可用于非均匀介质，利用这个原理可以构制反射界面、折射界面等。2.费马原理费马原理弹性波的传播，除了可用波前来描述外，还可用射线来描述：射线：波从空间一点到另一点的传播路径。在任一点上，射线总是垂直于波前。惠更斯原理：在弹性介质中，t时刻的同一 16费马原理（射线原理）：波沿射线传播的时间和沿其它任何路径传播的时间之比为最小。即波沿旅行时最小的路径传播。这一最小路径称作射线。均匀介质中：射线为自震源发出的一簇辐射直线；平面波射线是垂直于波前的平行直线。非均匀介质中：射线为曲线。但射线与波前面总是垂直的。3.视速度定理视速度定理 真速度：波沿射线方向传播的速度。测真速度V，沿射线方向，实际不能。视速度：在地面上沿观测方向测得的波的速度值，用Va表示。如图示：S1、S2为两检波点，道间距X则视速度为：而真速度为：费马原理（射线原理）：波沿射线传播的时间和沿其它任何路径传播17由三角关系：S=Xsin，那么 即：式中：为平面波波前与地面的夹角（或称波射线与地面法线的夹角），上式称为视速度定理，它表示了视速度与真速度的关系。讨论：(1)当=90，波沿测线方向入射，Va=V，波传向与测向一致；(2)当=0，波垂直测线方向，Va。波前同时到达地面各点；(3)总在090（一般情况），VaV。浅层地震勘探中：近炮点反射波视速度高，相邻记录道之间反射波的时差小；远炮点反射波视速度低，相邻记录道接收到的反射波时差大。二、动力学的基本知识二、动力学的基本知识1.振动图与波剖面振动图与波剖面 地震波在岩层中传播时，质点振动的位移（u）随不同的时间（t）和位置（X）是不相同的，u是t和X的二元函数，写为由三角关系：S=Xsin，那么 即：式中：为平面18u=u(x,t)于是：可以分别从二个坐标系统来观察波动。(1)振动图当X为某一特定值(X=X1)时，u=u(x,t)u=u(t)。振动图：从某一确定的距离观察该处质点位移随时间变化的图形 因此：振动图是描述地震波质点位移随时间的变化规律的图像。图中：t1初至，质点刚开始振动 t波（质点振动）的延续时间，t的大小直接影响地震勘探的分辨率。图1.8 (a)振动图 (b)波形记录u=u(x,t)于是：可以分别从二个坐标系统来观19浅层地震勘探：激发 接收（一般不会超过2秒），振幅变化。非周期脉冲振动：延时短，振幅变化的振动。用视振幅、视周期和视频率描述。视振幅：质点离开平衡位置的最大位移，A表示。一般，振动的能量和振幅的平方成正比。A愈大，表示振动能量愈强。视周期:相邻极大（或极小值）间的时间间隔，Ta表示，质点完成一次振动所需时间；视频率：视周期的倒数叫做视频率，fa表示，即fa=1/Ta，质点每秒钟内的振动次数。地震勘探中：在地表某点S1（地震道）接收到的地震波形就是振动图形，多点(多道)接收到的振动图，就是地震波形记录。(2)波剖面波剖面当t为一定值时(t=t1)，u=u(x,t)u=u(x)波剖面：在某一确定的时刻观察质点位移与波传播距离的关系的图形。表明了振动与空间的关系。（给池塘水波拍照即波剖面）波峰：质点振动的最大正位移波谷：质点振动的最大负位移浅层地震勘探：激发 接收（一般不会超过2秒），振幅变化。20视波长：两相邻波峰或波谷之间的距离，a，表示波在一个周期里传播的距离 视波数：视波长的倒数，ka。fa、Ta、a和Va之间的关系为：地震勘探中：脉冲波形，无“单色”的频率和波长。特点：由主要频率和主要波长体现，因此，在频率、波长等术语前加一“视”字。凡以后不加专门说明的，都是指视频率、视波长等。2.频谱理论频谱理论 运动学只局限于波动与时间及空间的关系，它仅仅是认识波动的一个方面。其实，地震波在传播过程中，随着传播距离的增大（或随深度的增加），波的频率成分会发生变化，高频成分会被地层吸收。下面，从另一个角度即 频率的角度来进一步认识弹性波动的性质。从后面各章的学习中我们将会发现，频谱分析是地震勘探中一个非常重要的概念，频谱理论是地震数据的采集和处 理的一个十分有用的工具。视波长：两相邻波峰或波谷之间的距离，a，表示波在一个周期里21(1)时间域和频率城 时间城：把信号表示为振幅随时间变化的函数，如振动图，地震记录X(t)所表示的时空区域。频率城：把信号表示为振幅和相位随频率变化的函数，用X(f)表示。包括：振幅谱和相位谱。频谱分析就是信号在频率城内表示的一种方式。信号在频率城或在时间城的表示，二者等价。富氏正变换：时间域 频率域。如已知信号时间函数，可据正变换求频率 函数；富氏反变换：频率域 时间域，数学表示式为：时间城：把信号表示为振幅随时间变化的函数，如振动图22(2)复杂周期振动的频谱简谐振动：物体最简单的振动形式（最简单的周期振动）。一个简谐振动的特征：可用A、f、三个参数表示。自然界中所观察到的是更复杂的周期振动。振动的合成：由许多（有限数目）不同频率的简谐振动合成的复合振动。式中：0基频（0=2f0）；n0倍频。式中各项为不同A、f、的简谐振动。图1.10(a)两个简谐振动合成复杂的振动 (b)许多简谐信号合成一个复杂的脉冲信号(2)复杂周期振动的频谱简谐振动：物体最简单的振动形式（23 研究表明：合成任意所需要的振动，条件是简谐分量足够多，参数合适。如图示。振幅谱：把各分振动的振幅A与圆频率的关系表示在A坐标内 相位谱：把各分振动的相位与圆频率的关系表示在的坐标。谱线：平行于A轴或轴的直线。分别是：圆频率为0,20、n0的 简谐振动。周期振动的振幅谱和相位谱为离散谱。图1.11 图1.10(b)中信号的频谱(a)振幅谱 (b)相位谱 研究表明：合成任意所需要的振动，条件是简谐分量足够24第四节第四节 地震波的传播地震波的传播从前讨论中知，地震波在地层中传播时：一个表现运动学特征，另一个表现动力学特征。在本节中，将讨论地震波在层状介质中传播时的路径、波形、能量及频率的变化特点。一、地震波的反射和透射无论是光波、声波或地震波，在分界面上发生反射、透射是波动的共性，因此本节中的一些名词、定律与光学中相同。而地震波传播的媒介是地层介质，地层介质形成的弹性波有自己的特性，因此有些名词和传播规律与其它波动则不尽相同，例如地震波的折射与折射波的传播特点等。如图示，界面R将弹性空间分为上、下两部分W1和W2，波速为V1，V2。t时刻：AB入射到A，入射角，波前AB，A为新震源，在W1、W2中扰动。t+t:B到Q点。A波前：W1中，V1t画弧；W2中，V2t画弧。新波前：作切线QS、QT第四节 地震波的传播从前讨论中知，地震波在地层中传播时：25反射波：波前QS在W1介质中透射波：波前QT在W介质中 令AB、QS、QT同R的夹 角为、，据三角关系为BQ=V1t=AQsin AS=V1t=AQsin AT=V2t=AQsin化简得斯奈尔定律：式中：入射角、反射角，透射角，P=sini/Vi（射线参量）二、折射波的形成二、折射波的形成 1.折射波的定义据透射定律可知，当V2V，随增大也增大，透射波射线偏离法线向界面靠扰，当（临界角）,使=90，透射波以V2速度沿界面滑行，形成滑行波。这时反射波：波前QS在W1介质中透射波：波前QT在W介质中 26 如已知V1、V2，可由上式求出临界角。折射波：从振源出发的地震波以临界角入射到界面上，形成滑行波，滑行 波所经过的界面上的任何一点，都可看作从该时刻产生子波的新震源，在上层 介质中形成一种新的波动。由于它是高速滑行波的超前运动所引起的，又称为首波。2.折射波的波前、射线、盲区 折射波波前与界面的夹角 如已知V1、V2，可由上式求出临界角。27 因为：波前垂直射线，所以：射线是垂直于波前BC的一簇平行线，与法线夹角为i。盲区：在地面上观测不到折射波的区域。射线AC是折射波第一条射线，M点才观测到折射波，M点为折射波始点，OM区不存在折射波。平面内，盲区为一个圆（Xm为半径）。讨论：h增加（或V2/V1减小）Xm增大，当V2/V1=1.4时，Xm=2h。作为一条经验法则，折射波只有在炮检距大于两倍折射界面深度才观测到。3.折射波形成条件V2 V1V2 V1,不能产生折射波，隐伏层三、在弹性分界面上波的转换和能量分配三、在弹性分界面上波的转换和能量分配运动学关系：波在弹性分界面上发生反射、透射和折射的问题，因为：波前垂直射线，所以：射线是垂直于波前BC28一纵波P以角度入射到反射界面上时 界面两侧介质质点分别受到垂 直和平行界面的正应力和剪应力的作用 在上下介质中会分别形成四种 动力学问题：波型转换和能量分配。地震波入射到弹性分界面上，情况比较复杂：首先表现为波型发生转换，其次波的能量分配会随着界面两侧弹性介质参数的不同以及入射波角度的不同而变化。1.弹性分界面上波的转换弹性分界面上波的转换(1.27)式中：1、1分别为纵波及横波的反射角；2、2分别为纵波及横波的透射角。上式说明：当纵波P入射到界面R上的A点，那么在A点处分裂为二个反射波及二个透射波。也就是说，包括入射纵波在内，在界面上的A点处共有五个波动。同类波：反射纵波RP、透射纵波TP同入射纵波的波型相同；同类波：反射纵波RP、透射纵波TP同入射纵波的波型相同 一纵波P以角度入射到反射界面上时 界面两侧介质质点分别受到29转换波：反射横波RS、透射横波TS同入射纵波的波型不相同 弹性分界面上波的能量分配弹性分界面上波的能量分配 2.RPP、RPS：反射纵波RP、反射横波RS与入射纵波的振幅比 图1.15 纵波入射时波的分裂与转换TPP、TPS：透射纵波TP、透射横波TS 与入射纵波的振幅比。据斯奈尔定律和边界条件（即界面上应力的连续性和位移的连续性），可推导出描述上述各波的线性代数方程组，即佐普里茨（Zoeppritz）方程，其矩阵形式如下=转换波：反射横波RS、透射横波弹性分界面上波的能量分配 2 30上式中：如已知入射振幅AP和入射角，则据斯奈尔定律求出1,2,1,2诸角。再据已知参数（1、2、VP1、VP2、VS1、VS2，分别表示上下介质的密度和纵横波速度）求解方程组(1.28)，便可求得RPP、RPS、TPP、TPS各量。即确定了它们之间的能量分配关系。但RPP、RPS、TPP、TPS除与有关外，还同很多参量有关，例如2/1、VP2/VP1、VS2/VS1。改变这些参量的比值，就会引起反射和透射系数 的变化，也就说改变了能量的分配关系。因此，欲直观看出是很困难的。为此，先讨论特性 再讨论一般。(1)法线入射 当=0，即法线入射至界面意义：对浅震，岩土力学参数测定，工程地基检测。由于=0,易得：P=S=P=S=0。于是佐普里茨方程变为上式中：如已知入射振幅AP和入射角，则据斯奈尔定律求出131解出得结论：1.在纵波法线入射情况下，不存在转换波，只有RPP和TPP，且可看 到只要则RPP总不会为零，总会存在反射波。于是式(1.31)是反射法存在的物理条件。波阻抗：密度和速度VP的乘积VP。2.从式看出 解出得结论：1.在纵波法线入射情况下，不存在转换波，只有R32当2VP21VP1时，RPP0，反射波相位与入射波相位一致；当2VP21VP1时，RPP0，反射波和入射波相位相反，即相差，称半波损失。TPP0，透射波相位同入射波总是同相。反射系数和透射系数的关系为(2)倾斜入射 当0，即倾斜入射时，情况复杂，为了知其能量分配关系，采用作图法。密介质向疏介质投射，条件为：VP2/VP1=0.5；2/1=0.8；10.30，20.25。当20：除RP外，能量主要分布在TP上，横波能量很小（极限情况，0时：RS0，TS0，此时不产生横波），这同上述法向入射的情况是相符的；当2VP21VP1时，RPP0，反射波相位与入射波相33 随增大：纵波的某些能量转化为横波RS和TS，但主要能量还是集中在RP和TP上。4060：横波RS和TS的强度可以超过纵波RP的强度，这说明在远离震源接收或大倾角入射时，容易接收到反射的转换横波 当90：入射波近似与界面平行，横波消失，全部能量集中于反射纵波。疏介质向密介质投射，条件为：VP2/VP1=2.0；2/1=0.5；10.30，20.25。显然，VP22VP11，即上下介质的波阻抗相等。此外，第一临界角iParcsin VP1/VP2，第二临界角iSarcsin VS1/VS2。图1.16 P波入射下同类波与转换波 的能量分配关系图 当 iP：RS、TS分别减弱，RP继续增大。当iS：RS0、TS0，RP达到最大值。从以上讨论中可知，在第一临界角iP附近反射纵波和反射横波的强度都很强。在那里的反射称广角反射，人们期望在这一带范围内追踪广角反射，以便在波阻抗较小的弱反射界面上得到更强的振幅。在浅层地震勘探中，人们常使用“最佳偏移距技术”和“最佳窗口技术”来进行浅层反射勘探，就是广角反射原理的具体应用。四、地震波的衰减四、地震波的衰减 波从激发、传播到接收过程中，振幅、波形变化，能量衰减。影响因素有三类：第一类：激发条件。激发方式、激发强度、震源与地面的耦合状态等；第二类：传播过程。波前扩散、地层吸收、反射、透射、波形转换等；第三类：接收条件。检波器、放大器、记录仪频率特性对波的改造、检波器 耦合状况。下面讨论与地层岩性直接有关的第二类因素。1.波前扩散波前扩散 当 iP：RS、TS分别减弱，RP继续增大。35波向周围介质传播 波前越来越大 振幅越来越小。这是由波前扩散（球面扩散）引起，因为单位面积上的能量减小 随着传播距离r的增加。设均匀介质中某时刻球面波波前为S，总能量为E，单位面积能量为，则有 (1.33)式中，r为球面的半径。因为能量E与振幅A的平方成正比，得(1.34)因而可得(1.35)式中，C为与能量E有关的常数。波向周围介质传播 波前越来越大 振幅越来越小。这是由波前扩36上式可知，均匀介质中，反射波的振幅与传播距离成反比，按照1/r的规律衰减。层状介质：因为：V深V浅 所以：波前面均匀介质波前面 因此：波衰减更快 以上适应反射波和直达波，对于折射波：(1.36)R 震源至观测点的距离 r0 临界距离，即震源到地面上开始观测到折射波的距离。图1.17 波在均匀介质与层状介质中的扩散当rr0时:(1.37)意味着，折射波振幅随距离的衰减比反射波更快。上式可知，均匀介质中，反射波的振幅与层状介质：因为：V深372.吸收衰减吸收衰减 理想弹性介质（近似）实际介质 吸收地震波的能量。也称粘弹性介质，求粘弹性介质波动方程知，波能量衰减规律地震波吸收：介质的不同部分间、颗粒间会出现摩擦力（粘滞力）振动机械能转化热能 高频消失、波幅衰减。A0 r=r0处的振幅；衰减系数（吸收系数），单位为1/米，表示单位距离内振幅的衰减率，有时可表示为dB/，表示单位波长距离内振幅衰减的分贝数。介质吸收与岩性有关：一般坚硬、密度大岩石，小，一般认为沉积岩的吸收系数为0.5dB/；疏松胶结差的岩层，较大，为1dB/以上，风化层可超过10dB/；对第四系松散砂土层，吸收系数更大。介质的吸收还与频率有关：吸收系数与频率成正比。即：介质对波频谱中各成分的吸收有选择性，高频成分易消失。这种岩层对地震波的吸收作用，称为“大地低通滤波器的作用”。2.吸收衰减 理想弹性介质（近似）实际介质 吸收地震波的38综合波前扩散、吸收衰减，有如下关系：讨论：随X（传播距离或深度）增大 f降低 波形改变（振幅变小，时间延续度变大），使地震分辨率降低。3.透射损失透射损失 入射波在弹性界面上能量分成两部分：一部分给反射波，另一部分给透射波，因此反射波的能量要比入射波的能量小。透射损失：地震波透过界面所发生的能量损耗。如图，设入射波振幅为A0，与界面R1、R2、Rn 对应反射系数R1、R2、Rn，对应层反射波振幅为A1、A2、An。两个界面：入射波以振幅A0法线入射到R1界面时，透射系数为T1=1-R1，投射到R2界面后，发生反射，并第二次透射R1界面，透射系数为T1=1+R1，波两次透过界面，把T1与T1的乘积叫双程透射系数Td，写为综合波前扩散、吸收衰减，有如下关系：讨论：随X（传播距离或深39显然，Td1，表示反射波振幅总因透射损失而减弱。当波在R2界面反射并两次透过R1界面时，反射波振幅为三个界面：波两次透过R1、R2界面，反射波的振幅为 其中(1-R22)为R2界面的双程透射系数。依此类推：对于来自第n个界面上的反射波振幅为 (1.41)式中，称为双程透射损失因子。显然，Td1，表示反射波振幅总因透射损失而减弱。当波在三40综合波前扩散、吸收衰减和透射损失，地震波的振幅与距离的关系可写成(1.42)总结：传播距离（或深度）增大 高频成分吸收、能量变小 波形随之改变（频率变低、振幅变小、时间延续度变大）分辨率降低、勘探深度降低。因此：中深层地震勘探要用能量较强的震源；浅层地震勘探有时用锤击震源即可。而在地震资料的采集和处理过程中，都有一个提高地震记录分辨率的问题。五、地震波的频谱五、地震波的频谱1.主频及频带宽度主频及频带宽度 地震波是非周期脉冲振动，用富氏积分展开时为无限多个频率、相位连续变化的简谐振动之和，即为(1.43)式中：fn=n/2,为振动的频率。综合波前扩散、吸收衰减和透射损失，地震波的振幅与距离的关系可41振幅谱是连续谱。A-f 是一条连续曲线。为描述一个振幅谱的特征，引用两个参数：主频、频带宽度。如图示：图1.19 频谱的主要参数主频：f0，频谱曲线极大值所对应的频率。频谱(带)宽度：f=f2-f1 f1、f2为A(f)=0.707的两上频率值，其大小反映了脉冲信号的绝大部分能量在哪个频率范围之内 2.频谱特征频谱特征a.总体特征：反射波：3070Hz 面波：1030Hz 微震：60 Hz，高频，频带较宽 折射波：3045Hz 声波：100Hz 工业交流电：50Hz，频带窄 振幅谱是连续谱。A-f 是一条连续曲线。为描述42图1.20 地震波与有关波动的频谱图1.21(a)反射波波形 (b)相应的振幅谱b.不同深度：浅层反射频率高，深层反射频率低；延续时短频带宽，延续时长频带窄时标变换定理：信号的时间长度与频带宽度成反比，表述为若信号时间 延长a倍。图1.20 地震波与有关波动的频谱图1.21(a)43 定理表明：脉冲信号越窄，它的频谱就越宽。一种极限情况：脉冲（单位脉冲或尖脉冲），它是一个振幅无限大、延续时间无限小、并趋于零的脉冲信号，其定义是(1.44)如图示：脉冲如果在频率域表示，振幅谱为高度为1的一条水平线，即频率从负无穷；大到无穷大的各个分量都有相同的振幅，有最宽的频谱。地震勘探中，往往把炸药激发一瞬间的信号近似看作单位脉冲。图1.22 脉冲和它的振幅谱 定理表明：脉冲信号越窄，它的频谱就越宽44图1.23 (a)不同方式激发的地震波的频谱 (b)Rp、Rs波的频谱 炸药 锤击 震源枪c.不同类型波：同一界面：反射横波比反射纵波频谱低、频带窄，见图1.23(b)。d.不同震源：对于不同的激发方式：f枪f炸药f锤击 第五节第五节 地震勘探的分辨率地震勘探的分辨率 在地震地勘探中，地震记录所反映的各种地质构造的清晰度取决于地震资料的分辨率。地震勘探分辨率：分辨各种地质体和地层细节的能力。包括：纵向分辨率，横向分辨率。一、纵向分辨率 图1.23 (a)不同方式激发的地震波的频谱 (b45：薄层顶、底两个反射波的时差；纵向分辨率：垂向分辨率或时间分辨率，指地震记录沿垂直方向能够分辨的最薄地层厚度。两种含义：从地震记录上能识别地层顶、底界面的反射波；从地震记录上能确定薄地层的反射波，从而确定薄层的存在。两种含义的分辨率有各自用途，但一般指前者。讨论纵向分辨率，可从不同理论角度进行，下面从时差法及振幅变化法进行讨论。1.波的时差法波的时差法 自激自收地震波：R1b1(t)，R2b2(t)，且具同极性、同振幅。t：波延续时间。如图示：一薄层顶、底界面为R1、R2，厚度 h，层速度为Vn，随着薄层厚度的变化，与 t的相对关系会出现下面两种情况。第一种情况：当 h较大时，可使 t，则/t1，这时接收点所收到的薄 层顶、底的两个波能分开，如图1.24(b)所示。这时薄层顶、底的波发生干涉，成为复波，已无法从地震记录上来分 辨地下薄层。第二种情况：当 h较小时，会出现 t（/t1）的情况，：薄层顶、底两个反射波的时差；纵向分辨率：垂46图1.24 对地震记录用波的时差法分辨薄层(a)水平薄层模型 (b)薄层较厚时两波能分开 即 将它代入上式，于是有 在上述假设条件下，定量讨论纵向分辨率，有以下关系式：设t，可得地震波延续时间的长短与延续时间内包含的相位数有关，设延续时间等于n个视周期Ta，(1.47)图1.24 对地震记录用波的时差法分辨薄层(a)水平薄层47式中，a为视波长 从上式可知，当地震波的延续时间越短、相位数越少（设 n=1）、波长越短时，h越小，则分辨率越高；反之，分辨率就低。当薄层厚度小于1/2波长时，就无法利用波的时差来分辨薄层的厚度，这时要用薄层的振幅变化来定义纵向分辨率。2.波的振幅法波的振幅法假设：V1的均匀介质中夹有波速为V2的楔形地层，且V2V1。如果忽略透射损失，则模型上下界面反射系数大小相等、符号相反（上界面反射系数R1为负值，下界面反射系数R2为正值）。当薄层厚度较大时，上下界面初至相反的反射波在时间上可分辨。随厚度变小，两波逐渐靠扰，当其时差为1/2视周期时，两波必然同相叠加，出现相干加强。如图示：b1(t)上界面的反射波；b2(t)下界面的反射波b(t)两个波叠加后的波形，称这种振幅为调谐振幅。由于(1.48)式中，a为视波长 从上式可知，当地震波的延48图1.25 楔形模型的调谐效应因而(1.49)调谐厚度：h1/4a时，调谐振幅所对应的地层厚度。纵向分辨率：调谐振幅所对应地层的调谐厚度。总结：地震波的频率较高，它的延续时间就越短，波长越小，分辨率越高。地震勘探中：对浅层来说，波的高频成分吸收较小，分辨率较高；对于深层，大地对波的高频成分吸收较大，分辨率较低。此外，在讨论纵向分辨率时，有时对薄层是否存在更感兴趣。比如，地面数百米或上千米以下是否存在1m 左右的煤层，混凝土坝体中是否存在厘米级的软泥层（或夹砂层），冲击桩是否出现裂缝，等等。图1.25 楔形模型的调谐效应因而(1.49)调49二、横向分辨率二、横向分辨率 横向分辨率：水平分辨率或空间分辨率，指地震记录沿水平方向能够分辨的最小地质体的宽度。据惠更斯原理：地面检波点接收到的反射波不只是反射界面上一个点的反射，而是一小段界面上（一个面）所有二次点震源发出的扰动叠加的结果 图1.26 第一菲涅尔带 如图示：波从O点以球面波的形式向速度为 V 的介质中传播，在某时刻波前面的半径为h，它与界面交于O1点，这时O点只接收到一个点的反射 波继续向前传播1/4T，与界面交于C和C1点，波前面的半径变成OC。据波叠加原理：波前面时差为1/4 T内的CC1界面上各点的波都被检波点接收，由于全部能量的到达时差都在半个周期范围内，因而产生相长干涉；而CC1外边界上各点的波则产生相消干涉。把CC1区域定义为产生反射波相长干涉的有效界面，称为第一菲涅尔带。令第一菲涅尔带的半径为r，t0为射线OO1双程旅行时，据图中三角关系得二、横向分辨率 横向分辨率：水平分辨率或空50(1.50)当h时，忽略上式根号中的第二项，得 (1.51)横向分辨率：第一菲涅尔带的半径（）。若地下地质体的宽度大于或等于第一菲涅尔带，才能够在水平叠加时间剖面上分辨该地质体的存在，反之，则不能 讨论：因此，要提高横向分辨率，主要在于提高所激发的地震波的频率。最好是(t)脉冲。f增高 r减小（分辨率增大）；h增大 r增大（分辨率降低）。(1.50)当h时，忽略上式根号中的第二项，得 (151