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物探考试复习题：绪言1、何为地球物理勘探（简称物探）？答：地球物理勘探就是通过专门的仪器观测地球物理场的分布和变化特征，然后结合已知地质资料进行分析研究，推断出地下岩土介质的性质和环境资源等状况，从而达到解决问题的目的。简单地说，物探是通过观测和研究各种地球物理场的变化来解决地质问题的一种勘查方法。2、物探方法与地质方法的主要区别？答：物探方法与地质方法在工作原理上是截然不同的。地质方法是以岩石学、构造地质学、工程地质学、水文地质学等理论为基础，对岩土露头或岩芯等直接进行观察；物探方法则是以各种地球物理场的理论为基础，凭借仪器对地质构造或岩土介质引起的地球物理异常进行观测，而不是直接观测地质构造或岩土介质本身，因此它是一种间接的手段。探方法的主要特点是可以透过覆盖地层寻找隐伏地质构造或了解岩土介质的分布。因此它比钻探等其它直接的地质勘查手段具有快速、经济的优点，已被各系统各部门广泛采用，并成为一种不可缺少的重要手段。3、何为物探方法的局限性和多解性？答：局限性：物探的应用总要受到一定的地质及地球物理条件的限制，这主要是指：1.探测对象与周围岩石间必须具有明显的，可以探测到的物理性质上的差异，或物质分布的不均匀；2.探测对象要有一定的规模，且埋藏不太深，足以产生仪器可以发现和圈定的地球物理异常；3.各种干扰因素产生的干扰场，相对于异常应足够微弱，或具有不同的特征，以便能够予以分辨或消除。若不具备上述条件，则很难通过观测发现探测对象的存在。多解性：对同一个地球物理异常的解释可以有互不相同甚至截然相反的结论，这叫做物探异常的多解性。造成多解性的原因很多，有数学解的不稳定性、观测误差、干扰因素等。但最根本的原因还是地球深部的不可入性所带来的观测数据中“信息量”的不足，这些问题目前还没有找到切实有效的解决办法。综上所述，由于各种自然的或人为的因素所限，物探取得的成果实质上都是一定条件下的某种推论，推论和实际总是不可避免地存在着某些差异。4、工程与环境物探的特点？答：工程及环境物探通常有以下特点：（1）大部分的对象是浅、小的物体，探查深度从几十厘米到几十米，要求探查的分辨率高、定量解释精度高；（2）不仅要求搞清探查对象的分布规律，还往往要求查明单个对象（如溶洞）的空间位置；（3）与工程及环境地质工作结合紧密，探查资料往往用于设计或施工，时间上衔接紧，这常使得探测结论能及时得到验证和反馈，对工作结论要求高；（4）探查对象复杂。浅小的物体规律复杂，近地表的地质条件和物性也不均匀，沿水平方向和铅垂方向的各向异性严重，甚至物性参数出现连续渐变的情况。给资料的定性定量解释带来许多困难。地震勘探一、地震波动力学1、何为地震波的动力学特征和运动学特征？答：地震波传播的动态特征集中反映在两个方面：一是波传播的时间与空间的关系，称为运动学特征；另一是波传播中它的振幅、频率、相位等的变化规律，称为动力学特征。前者是地震波对地下地质体的构造响应，后者则更多地表现出地下地质体的岩性特征，有时亦是地质体结构特征的响应。2、工程地震勘探所研究的介质做了哪些假设？答：均匀连续假设：在同一地层中，由于地震波的波长一般大于数百米至数公里，岩石的不均匀性对地震波的传播不起作用。各向同性假设：取向杂乱无章的晶体的线度远较地震波波长小，在地震波波长长度内，可将地球介质看作为各向同性。 完全弹性假设：除震源除外，介质所受的力一般都是很小的，而且延续时间很短，因此可将地球介质当作完全弹性体。3、纵波和横波各有什么特点？答：纵波的特点为：在球腔壁上作用单位正压力（纵波激发）时，弹性介质中产生的纵波质点位移规律是按指数衰减的正弦振动，衰减快慢决定于x的大小。振动的强弱决定于系数，由于该系数中仅r为变量，说明振动的强度随波传播距离r的增大而反比地减小，在地震勘探中称为波的球面扩散。纵波质点位移的方向Sr同波传播的方向r是一致的，地震勘探中把质点位移的振动方向称为极化方向，由于纵波仅在波传播的方向振动，因此是线性极化波。横波的特点为：在球腔壁上加上单位切应力S0后，横波的质点位移是衰减的正弦振动，衰减快慢决定于系数t。横波的振幅也随波的传播距离r增大而减小，亦具有球面扩散。横波亦为线性极化波，因为其质点是在一维空间内振动。但由于在球坐标内a同r是互为正交的，故横波的质点位移振动方向有别于纵波，它同波的传播方面r垂直。在研究中，通常把横波看作是由两个方向的振动所组成，一个是质点振动在垂直平面内的横波分量，称为SV波，另一个是质点振动在水平平面内的横波分量，称之为SH波。4、振动图和波剖面的区别与联系？答：振动图表示某个质点在不同时刻相对于平衡位置的状态。可比拟为录像。波剖面表示很多质点在同一时刻相对于平衡位置的状态。可比拟为照相。振动图是个体在不同时间的行为，波剖面是整体在同一时间行为的定格。 波的振动图形 波剖面图5、傅立叶变换的物理意义？P20答：任何一个非周期振动由无限多个不同频率、不同振幅的谐和振动叠加而成。每一个频率的谐和振动的振幅和初相位由复变函数G (f)决定。G (f)可以写成。后者物理意义是：如果已知非周期振动g (t)的形状，那么可以求得频谱G (f)，复变普G (f)的模A ( f)即为振幅谱。即：。复变谱G (f)的幅角就是相位谱，即。6、在层状介质传播过程中，地震波的能量损耗有哪些形式？用公式表述？答：地震波从激发、传播到被接收，其振幅和波形都要发生变化，影响因素归纳起来主要有三类：第一类是激发条件的影响，它包括激发方式、激发强度、震源与地面的耦合状况等。不同的激发方式，如炸药震源与锤击震源、落重震源等相比，激发的振幅相对较大；相同的激发方式，则振幅的大小取决于激发强度，如同样是锤击震源，大锤激发和小锤激发振幅不同；由于地震勘探以介质的弹性参数为物性基础，因此震源与介质的耦合性越好，激发的振幅越强。第二类是地震波在传播过程中受到的影响，主要包括：（1）地震波的能量与球面扩散。 ，说明波的振幅与波的传播距离成反比。（2）波的吸收衰减。在地震勘探中，地震波的振幅A随传播距离r 的增加按指数规律衰减，即。其中为初始振幅，为吸收系数，用单位波长衰减的分贝数表示。,表明，吸收系数与地震波的频率成正比，与地层速度V和品质因子成反比。表明介质的Q值越大，吸收系数越小，能量的损耗越小。（3）反射和透射损失：此外还有入射角大小以及波形转换等造成的衰减。此外，地下岩层界面的形态和平滑程度等也会对波的能量有所影响。第三类是接收条件的影响，包括接收仪器设备的频率特性对波的改造以及检波器与地面耦合状况等。7、介质的吸收取决于哪些因素？由此可得出什么结论？答：在地震勘探中，地震波的振幅A随传播距离r 的增加按指数规律衰减，即。其中为初始振幅，为吸收系数,。吸收系数与地震波的频率成正比，与地层速度V 和品质因子成反比。表明介质的Q值越大，吸收系数越小，能量的损耗越小。Q值为一无量纲量，通常被定义为：在一个周期内（或一个波长距离内），振动所损耗的能量与总能量之比的倒数。在浅层高分辨率地震勘探中，要求反射波的频率较高，而地层的速度一般较低，尽管探测深度较浅，波的旅行路径较短，但地层对高频地震波具有严重吸收作用。地震波的频率越高，地层的速度越低，地层的吸收作用就越显著。而对于较低频率成分的波，相应吸收较少。8、子波和大地滤波作用的定义？答：激发产生的尖脉冲信号在实际介质中传播时，由于介质的吸收衰减作用，滤去了较高的频率成分而保留较低的频率成分，岩土介质的这种作用称为大地滤波作用。高频成分的损失，改变了脉冲的频谱成分，使频谱变窄，因而使激发的短脉冲经大地滤波作用后其延续时间加长，分辨率降低。这种经大地滤波作用后输出的波b (t)称为地震子波。大地滤波作用对波形的改造图9、惠更斯原理、费马原理及视速度定理的内容？答：惠更斯原理表明，在弹性介质中，可以把已知时刻的同一波前面上的各点看作从该时刻产生子波的新点震源，在经过时间后，这些子波的包络面就是原波到时刻新的波前。应用惠更斯原理可以说明波的反射、折射和绕射现象。惠更斯原理示意图费马原理表明，地震波沿射线传播的旅行时和沿其它任何路径传播的旅行时相比为最小，亦波是沿旅行时间最小的路径传播(最小时间原理)的。在时间场内，将时间相同的值连起来，组成等时面，等时面与射线成正交关系。如图所示A、B为两个检波器，间距为，地震波沿射线1到达A点的时间为，沿射线2到在B点的时间为定义为视速度。由图可见，地震波沿射线传播的真速度，因 所以 视速度示意图式中为地震波射线与其自身的地表投影的夹角(出射角=90-入射角)。式（1.1.62）表示了视速度与真速度之间的关系，称为视速度定理，可以看出，视速度总是大于真速度。当时，即波沿观测方向传播，其视速度就是真速度；当时，即若沿波前面观测波的传播程度，此时波前面上各点的扰动都同时到达，好像有一波动以无穷大的速度传播一样；在均匀各向同性介质中，由于V不变，的变化反映了地震波入射角的变化。在浅层地震反射勘探中，近炮点记录道接收到的反射波视速度高，相邻记录道之间反射波的时差小，远炮点记录道接收到的反射波视速度低，相邻记录道接收到的反射波时差大。10、平面波法线入射情况下会出现什么情况？P26答：当地震波垂直入射到界面上时，如图所示。据斯奈尔定律，求解Zoeppritz方程可得： 第一个方程表明在平面波垂直入射时，不存在转换横波，因为此时转换波的反射系数和透射系数均为零；第二个方程说明，欲使反射波强度不为零的条件是：或 平面波垂直入射这意味着波阻抗不相等的界面构成地震反射界面。于是式可以说是地震反射波界面形成的必要条件。显然满足不等式，可以是，亦可以是。当时，为正，说明反射波振幅和入射波振幅同相；反之，为负，表示它们反相。分析式中第三个方程可以看出，透射系数永远为正，故透射波同入射波永远是同相的。11、折射波是怎样形成的，它有什么特点？答：当下层介质的速度V P2 大于上层介质速度V P 1 时透射波超前运动，使其波前面与入射波、反射波的波前面脱离。但连续的弹性介质的质点运动应是连续的。于是，必定有一种新的扰动来填补这二个波前面的脱离，这个新扰动的波前面必定是一端与透射波波前面相接，另一端与反射波波前面相切，这个新扰动称为首波，即折射波。当条件V P2 V P 1时，a角即使由0变到90，总可以满足斯奈尔定律，在上覆介质中形成反射，透射角a2不会超过90，因此不会产生透射波前超前入射波和反射波的情况，不可能形成沿界面滑行的首波，也就不会形成折射波。同样，当横波速度满足V S1 VS2，在界面上亦会形成折射横波，其形成的物理机制同折射纵波一样。13、何为地震勘探的横向和垂向分辨率？推导其公式。答：地震勘探的横向分辨率：横向上可分辨地质体的最小长度的能力。广义绕射理论说明，地面上某点o(自激自收点)的能量都是地下界面上每一绕射点对它“贡献”的结果，问题是每一个点的“贡献”都是等量的吗?理论和实践证明它们不是等量的并且有一个确定的范围。分析认为在地面o点观测到的波的能量主要是由该范围内的绕射点形成的绕射波对该观测点的“贡献”。这个带我们称为菲涅尔带。如图所示。从O点发出一球面波，波前到达界面上时形成绕射，考虑到所有绕射对O点的贡献，要使得所有绕射叠加后产生相长干涉，其绕射波时差必须在二分之一周期范围内，否则产生相消干涉。此时，绕射源发出的能量主要集中在界面上以半径r为圆的圆周带内(即第一菲涅尔带内)。 第一菲涅尔带和横向分辨率对于浅层而言，地震波主频较高，所以有：经简化得：结论：随着频率的增高，菲涅尔带减少。随着地层埋深的增大，由于吸收衰减作用使得频率降低，波长增大，则菲涅尔的范围增大。由此可见，当地质体的横向长度小于菲涅尔带(2r)时，地质体的反射归结成了一个点的绕射，此时地震勘探难以区分出反射是来自一个点还是来自于地质体；只有地质体的横向长度大于或等于菲涅尔带时才可以区分。可见提高地震勘探的横向分辨率的关键在于提高反射波的频率。垂向分辨率即垂向上可分辨地质体的最小厚度的能力若来自层界面的反射子波的延续度满足下式：则来自地层顶、底板的两个反射子波在记录上彼此分开，反之则相互重叠，可见上式决定了两个子波是否相互干涉的条件。对于地震子波而言，我们定义不能分辨出地层顶底板反射的地层为薄层。由于地震子波具有不同的频谱、波长和延续度等，因此薄层厚度的概念是相对的，可从不同的角度来定义薄层的厚度。当子波的延续度为n个周期时，有：从时间分辨的观点考虑，当地震子波的延续时间为1个周期(n1)时，可分辨的地层厚度为半个波长，即是说对于厚度大于或等于半个波长的地层，顶、底面的反射子波彼此分开，可以分辨。当既考虑波形特征又考虑振幅变化时（如图所示），由于顶、底界面反射系数的大小相等，而符号相反，所以当顶底面之间的反射子波时间差半个周期时，则出现同相叠加，出现相对振幅极大，有：楔状地层顶底界面的反射因此，一般以其作为分辨薄层的限度，当地层厚度小于其时，顶底界面上的反射子波叠加在一起，形如单一界面上的反射子波，振幅变化从相对极大随地层厚度的减小而线性减小。我们称四分之一波长厚度时出现的振幅相对极大现象为薄层的调谐效应，此时的地层厚度称为调谐厚度。只有当地层厚度大于它时，才可能由复合反射的振幅和波形特征分出地层顶底界面的反射。由上可知，地震勘探的纵向分辨率包含两个含义：其一为正确地识别薄层顶底界面的反射；其二为确定薄层的存在以及薄层的厚度。此外，提高地震子波的主频，同时增大子波的频带宽度，可提高地震勘探的纵向分辨率。14、何为地震道的褶积模型？(了解)答：一个实际地震记录道就是由无数多个反射子波（地震子波）组成的复合振动。显然，振动的幅值大小与界面的反射系数成正比。一个反射记录道是地层反射系数序列Rt和地震子波bt的褶积（卷积）结果。 这就是地震道褶积模型，利用该模型可制作正演理论地震记录。其中a是地震子波，b是反射系数序列，c是褶积过程，d是一个道的理论地震记录g(t)。15、简述密度、孔隙度、地层埋深、地质年代等与地震波速度的关系？ 答：影响地震波速度的因素：岩土介质的密度。一般情况下，岩石越致密，波速越高， 岩土介质的孔隙度。同样岩性的岩土介质，当孔隙度大时，其速度值相对变小。 地层埋深和地质年代。一般情况下岩石埋藏得越深，反映它们的年代越老，承受上覆地层压力的时间长、强度大，这就是所谓的压实作用。因此同样岩性的岩石，埋藏深、时代老的要比埋藏浅、时代新的岩石速度更大。 16、地震波速度和弹性常数的关系？请定性表述。答：，式中, 为拉梅常数和剪切模量，为介质的密度。当密度增大时孔隙度减小，弹性模量的增大量远大于密度的增大，因此，速度增大。实际岩土介质是一个粘弹性介质，速度的变化除与弹性常数有关外，还与介质的粘滞系数和波的频率有关。17、低速层的存在会引起哪些问题？P43答：由于低速带的存在，往往使地表覆盖层和下部基岩之间形成一个明显的速度界面，下部基岩波速大于其覆盖层波速。这对折射波勘探是有利的。但当用地震反射波法探测下较深处的地层时，由于“低速带”的存在，使反射波的走时产生“滞后”现象，这时往往需要对“低速带”的影响进行校正，才能对反射波作出正确的识别和处理。另外低速带下界面易产生多次反射波而使地震记录复杂化，也是一种不可忽视的干扰因素。二、地震波运动学1、什么叫直达波、反射波、折射波、透射波？答：直达波即是从震源点出发不经反射或折射以速度v 直接传播到各接收点的地震波。地震波在传播中遇到弹性不同的地质体分界面时，有一部分能量从界面上回到原来的岩层中，并且遵循光学的反射定律，即入射线。反射线和法线在一平面内，入射线和反射线分居法线两侧，入射角等于反射角，这种波称反射波。地震波在传播中遇到下层的波速大于上层波速的弹性分界面，而且入射角达到临界角(使透射角为90o)时，透过波将沿分界面滑行，又引起界面上部地层质点振动并传回地面，这种波称为折射波。地震波在传播中遇到弹性不同的地质体分界面时，有一部分能量透过界面继续向前传播，其方向遵循透射定律、即透射线和入射线与入射点处界面的垂线(法拉)在同一个面内，透射线和入射线分居法线两侧，入射角的正弦与透射角的正弦之比等于对应地层的波速之比，这种波称为透射波。2、折射波的存在条件？答：下覆介质的速度大于上伏介质的速度入射角达到临界角3、反射波的存在条件？答：上下层介质的波阻抗不相等。4、斯奈尔定律的表述形式？它有什么意义？答：假设界面R将空间分为上、下两部分和，上半空间纵横波传播速度为、下半空间为、。当一平面纵波以角投射至界面，根据惠更斯原理，波前到达界面上的点可看成一新震源，并产生新扰动向介质四周传播，从而形成反射和透射的纵波和横波（SV波）。根据光学原理，不难证明在弹性分界面上入射波、反射波和透射波之间的关系为：该式即为斯奈尔定律，又称为反射和透射定律。它表征给定入射角后射线在地下介质中的任何一种传播状态。5、（震源深度为零情况下）直达波的时距曲线特点？ 答：其时距曲线方程为：，其中为波沿测线传播的视速度，为传播距离。当接收点在原点（激发点）左侧时，上式取负号。由方程可见，该时距曲线为一条过原点O的直线，该直线斜率的倒数即为。即 当忽略震源深度时，一般可近似认为等于表层层速度。6、（单一水平界面、单一倾斜界面、多层水平界面情况下）反射波的时距曲线特点？ 答：（1） 单一水平界面在反射界面与地表平行的情况下，从激发点O传播的波经A点反射，到达地表接收点S，若反射界面R的深度为H，可得时距曲线：， 为自激自收的反射时间沿侧线变化的视速度：在爆炸点附近，V趋于无穷大，而在无穷远处，视速度趋近于真速度。视速度变化的原因是由于反射波在各观测点处的出射角不同。另外，还可以得出；反射界面埋藏越深，视速度越大，时距曲线越平缓。对同一反射层而言，当V 和t0为常数时，正常时差D t与炮检距平方x2成正比。（2）单一倾斜界面如果反射界面R的倾角为 ，界面法线深度为H，地震测线方向与地层下倾方向一致，时距曲线为：。反射波的时距曲线是双曲线，但对称轴不是时间轴。双曲线的顶点偏向界面上倾方向，据此特点可判别反射界面倾斜方向。类似地，当x0时，为自激自收条件下的反射时间。（3）多层水平界面多层水平界面，时距曲线方程为：，其中为均方根速度。在水平层状介质情况下，当入射角ai较小时，亦即当炮检距较小时，水平多层介质的反射波时距曲线形式上和均匀介质的相似，但要用均方根速度Vs代替上覆地层的速度。把地层介质假想成具有均方根速度的均匀介质，当x / h 0.5 时，这种假想引起的误差很小，但随炮检距加大，则误差增大。7、（单一水平折射层、单一倾斜折射层、多个水平折射层情况下）折射波的时距曲线特点？答：（1）单一水平折射层时距曲线为：.水平层的折射波时距曲线是一条斜率为的直线，将折射波时距曲线延长到时间轴，其截距称作交叉时（它不是自激自收时间）。（2）单一倾斜折射层倾斜折射层倾角为，在O1、O2分别激发而在O1O2间观测，O1点界面法线深度为Zu，O2点界面法线深度为Zd。O1点激发、O1O2区间接收时所得的折射波时距曲线方程为：，其中：O2点激发、O2 O1区间接收时所得的折射波时距曲线方程为：，其中：，两条时距曲线都是直线，互相交叉，称为相遇时距曲线。这两支时距曲线斜率不同，下倾方向视速度小，时距曲线陡；上倾方向视速度大，时距曲线平缓，另外，由于上倾O1激发，在下倾O2接收与下倾O2激发、上倾O1处接收时波的旅行路径一样，满足互换原理，旅行时间T相等，T称作互换时间。(3) 多个水平折射层时距曲线方程为：，其中：水平层状介质的折射波时距曲线是多条斜率不同、互相交叉的直线。8、绕射波的时距曲线特点？答：绕射波的时距曲线方程为：第一项t1是常数项，则绕射波时距曲线的形状由第二项t2所确定，这是一个双曲线方程，曲线的极小点在绕射点到地面的投影点位置上。9、为什么折射波又叫首波？答：透射波超前运动，使其波前面与入射波、反射波的波前面脱离。但连续的弹性介质的质点运动应是连续的。于是，必定有一种新的扰动来填补这二个波前面的脱离，这个新扰动的波前面必定是一端与透射波波前面相接，另一端与反射波波前面相切，这个新扰动称为首波（如图）。在折射波盲区以外的区域，折射波先到达接收点。 10、在时距曲线上，直达波、反射波、折射波有什么关系？答：如图所示：直达波、面波，在t轴上截距为零；直达波是反射波的渐近线，无限远处同反射波相切，切点处两波具有相同的斜率；面波的斜率大于直达波；折射波的斜率较小。 11、什么叫折射波的相遇时距曲线和互换时？P46答：相遇时距曲线：两支时距曲线斜率不同，下倾方向接收视速度小，时距曲线陡；上倾方向接收视速度大，时距曲线平缓，另外，由于上倾O1激发，在下倾O2接收与下倾O2激发、上倾O1处接收时波的旅行路径一样，满足互换原理，旅行时间T相等，T称作互换时间.12、怎样从折射波的相遇时距曲线判断界面的倾斜方向？P46答：两支时距曲线斜率不同，下倾方向接收视速度小，时距曲线陡；上倾方向接收视速度大，时距曲线平缓。13、（从时距曲线上、地下的传播路径上、地面的出射点上）反射波和折射波有什么区别？答：（1）从时距曲线上：反射波是双曲线；折射波是不经过原点的直线；（2）从地下的传播路径上：折射波在层面上传播，而折射波直接反射到达地表接收点。（3）从地面的出射点上：折射波出射点比反射波出射点远。14、从视速度定理的角度回答为什么直达波、折射波时距曲线是直线，而反射波是双曲线？答：根据时距曲线方程：直达波：折射波： 反射波：视速度定理，可以看出直达波和折射波为一次函数（V），反射波为二次函数（V2），因此，直达波、折射波时距曲线是直线，而反射波是双曲线。15、在多层水平层状介质中，怎样根据直达波和折射波的时距曲线形态求地下各层的埋深和速度？答：以一层为例说明：直达波的时距曲线方程为： 折射波的时距曲线方程为： 据式得知斜率的倒数与覆盖层速度V1值有关；式得斜率的倒数与下覆层波速V2有关。若令式中x0，则可得时距曲线的截距时间t0。 表示出界面深度h和截距时间t0之间的关系，、t、t0已知，可以求出V1,V2和h。多层的依此类推。16、怎样根据单一水平层状介质的反射波时距曲线求地下岩层的速度和埋深？答：根据时距曲线方程：和（），已知t、t0，求出V和H。
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