地震波.ppt

1、,g.瞬时相位,2.地震波 及其传播,地震勘探示意图,地震勘探是当前油气、煤炭勘探中 最重要的一种方法。它根据岩石弹性差异，研究人工激发的地震波在地质介质中传播的规律，以查明地下地质构造的方法。由于地震波传播的路径、速度、能量、波形等随通过介质的弹性、几何结构和形态不同而异，由传播时间、速度介质结构能量、频率、速度及其它特征地层、岩性,什么叫地震勘探？,2.地震波及其传播,2.1 地震波的生成、类型2.2 地震波传播的基本原理2.3 地震波的能量与衰减2.4 地震波的反射、透射和折射2.5 菲涅耳带的概念2.6 地震道的生成2.7 煤层反射波,2.1 地震波的生成、类型,2.1.1 地震波的生

2、成2.1.2 地震波的类型2.1.3 地震波的波形图和波剖面图2.1.4 有效波与干扰波,2.1.1 地震波的生成,什么叫地震波人工激发的、在地质介质传播的机械振动。人工激发的方式：炸药震源非炸药震源气枪（气爆）电火花可控震源敲击,炸药震源地震波的形成当炸药爆炸瞬间释放大量高温、高压的气体作用于周围介质，在距震源较远的介质只受到瞬间、小的作用力而产生弹性形变，质点随之振动，并向外传播而形成地震波。纵、横波同时激发震源及周围介质的性质缺乏球对称性，震源激发时，既产生体积形变也产生形状形变，因此既产生P-，也产生S-波。通常由于波本身的特征、接收地段和设备所限，往往主要接收的是纵波。,2.1.2

3、地震波的类型,地震波一般认为是一类弹性波，是质点振动在地质介质中的传播。常分为以下三类：纵波Primary wave横波Shear wave面波Surface wave它们具有不同的特点、以不同的速度、按各自固有的规律在地质介质中传播。,地震波的类型,(a)P 波(b)SV 波(c)SH 波,体波质点振动,体波质点振动,(a)P 波(b)SH 波(c)SV 波,体波质点振动,面波质点振动,面波（瑞雷波、地滚波）P+SV,拉夫波 P+SH,2.1.3 地震波的波形图,激发的地震波在3D空间传播，其振动对于1D的情况，波形图波形指某质点振动随时间变化的关系。,2.1.3 地震波波剖面图,波剖面波剖

4、面指地震波传播过程中，某一时刻整个介质振动分布情况。对于1D的情况，有,波的速度波的同一相位（部位）在单位时间沿射线移动的距离。波的速度将波形与波剖面联系起来。,波的速度,2.1.4 有效波与干扰波,有效波 通常包括：反射波（含有关回转波、绕射波）折射波,干扰波 通常包括：规则干扰：多次波、面波、声波等与激发有关的非规则干扰：随机干扰、环境噪音,干扰波与有效波不完全是绝对的。如面波、多次波横波、转换波、折射波与反射波。选择压制的依据：频谱、传播路径等特征。,波场试验记录,声波、面波,折射-折射、微震,各种地震波频谱特征,地震波的频谱特征,地震波的视速度特征,有效波,面波,工业电,浅层折射,微震

5、,声波,2.2 地震波传播的基本原理,2.2.1 地震波前与射线2.2.2 地震波传播的基本原理惠更斯原理费马原理叠加原理互换原理,2.2.1 地震波前与射线,波前与波前图波前地震波传播过程中，扰动相位相等的面（等时面）。在均匀各向同性介质中，它是以震源为中心的球面，它随时间向外移动，其方向与波前本身垂直。波前图从震源出发每个时刻波前位置图的集合。波前的形状决定于速度的分布。射线始终与波前垂直的线。可能是直线、折线和曲线等。,波前、波尾、扰动带、射线,震源,球面波前与平面波前,均匀各向同性介质中，在t时刻，以r为半径的球壳上，具有相同的波场值，该球壳就是该时刻的波前面。任意一条半径都是波的射线

6、。当半径很大、很大时，取一小片球面，其实非常接近平面。这时，可以用平面波代替球面波进行研究。,2.2.2 地震勘探基本原理,惠更斯原理 Huygens principle费马原理 Fermats principle叠加原理 Superposition principle互换原理 Reciprocity principle,惠更斯原理 Huygens principle,惠更斯原理 前进波前上任意点都看作是次生波源，而且下一个时刻波前就是所有该时刻次生波前的包络。,V=c,Vc,V1/V2,t+t,t,t,t,t+t,t+t,惠更斯原理（续）,费马原理 Fermats principle,费马原

7、理两点之间地震能量传播的路径是最小时间的射线路径。在多层介质中，它通常是折线或曲线，而不是距离最短的直线。因为沿射线旅行时间最短，费马原理也叫最小时间原理。,叠加原理 Superposition principle,叠加原理两个或多个同时存在的原因产生的结果，可以通过各个原因单独产生的结果求和得到。这里，隐含着线性关系。,互换原理 Reciprocity principle,互换原理 震源与接收点互换，其波的传播路径相同，效果（旅行时、位移、波形）一样，产生相同的地震道。特点 在于其普遍性。它不仅适用于任意边界的弹性介质，也适用于非均匀、各向异性介质。,应用面波的压制 大家知道面波的振幅（或能

8、量）沿深度增加按指数迅速衰减；利用互换原理，加深震源，就可以有效压制所生成的面波。折射（反射）波的互换，其互换时间相等（炮点与检波点互换时）。,2.3 地震波的能量与衰减,地震反射波的能量随着它在地下的传播不断衰减，主要由四部分组成：几何发散透射损失反射损失介质的吸收衰减散射等其它,地震波的能量和衰减,能量密度球面几何发散吸收衰减吸收和扩散的相对重要性,能量密度,波通过介质，产生与介质波动有关的能量。能量密度定义：单位体积内的能量。能量=动能+势能。质点振动过程中，动能与势能相互转换：位移0，势能0，动能max；位移max，势能max，动能0。总能量等于动能|max。,公式可见，能量密度与波的

9、振幅和频率的平方成正比，与介质的密度成正比。,能量密度,一个谐波在介质中传播，其体积 的动能 为则，单位体积内的动能是于是，谐波的能量密度为,能流密度（能量强度）,定义：在单位时间内，垂直于波传播方向的单位面积上能量的通量。计算：沿波传播方向取一个小圆柱体，断面积为，长度为 时间内传播的距离。柱体内任意时刻，其总能量为，在 时刻，柱内所有能量从柱体一端流出，则 对于球面波，其波前从震源向外扩散，在对应、波前面上取面积、，单位时间内流过二面积的能量必定相等，总流通量是能量强度和面积的乘积。因此有，最后得,几何扩散使球面波强度和能流密度都随距离 的平方成反比衰减，或振幅与距离 成反比衰减，这种现象

10、称球面扩散。平面波的能量不发散，所以其能量强度是常数。能量比或能量强度比常用dB表示，有因为能量和能量强度与振幅的平方成反比，所以有实际地震波速度随深度增加，使得地震波扩散更快。这时尽管波前已经不是球面了，却仍然使用“球面扩散”。,几何扩散,吸 收,吸收 地震波在介质中传播时一部分能量转换为热能的过程。吸收系数，衰减系数 如果振幅表达为它是振幅因吸收而岁距离指数衰减的因子。它与频率有关，一般呈线性，有时呈平方关系。,吸收系数与介质的品质因子有如下关系品质因子 定义 岩石的 值变化于50-300左右。,岩石的品质因子及吸收系数,吸收衰减与频率,地震波的吸收衰减与波前扩散衰减 设,吸收和扩散的相对

11、重要性和比较,吸收和扩散作用的大小决定于地震波传播的距离和频率。当频率较低、距离不大时，波前扩散比吸收作用大；随着频率升高、传播距离增加，吸收损失增大，最终变成能量损失的主要因素。吸收使高频衰减，导致地震波形随距离变化，其谱的能量向低频移动。随频率衰减的因素不止吸收，因此，地震波实际衰减的程度比这还要高。,2.4 地震波的反射、透射和折射,2.4.1 斯奈尔定理 Snells law2.4.2 视速度定理 Apparent velocity2.4.3 反射波 Reflection2.4.4 透过波 Refraction2.4.5 折射波 Transmission,2.4.1 斯奈尔定理 Sne

12、lls law,Snells law（反射、折射定理）当地震波传播中遇到弹性分界面，地震波要产生反射与透射，它们服从Snells law:,1.,斯奈尔定理 Snells law（续）,入射线、反射线、透射线与法线同在一个平面内，该平面叫射线平面。射线平面垂直于界面，除界面水平外，射线平面不垂直界面。,Comments:Snells law很有用，其用途：确定射线路径；确定波的走时和利用走时确定界面位置。问题：不能给出反射波和透过波的振幅信息。,当地震波入射到界面上时，将要产生波的转换，产生4个二次波，波型与入射波相同的二次波叫同类波，否则，叫转换波。转换波也服从Snelllaw吗？它们要遵守

13、广义Snelllaw。,射线平面,射线平面是由入射线、折射线、反射线和界面法线构成的平面。因为它包含法线，它一定垂直于界面，但射线平面一般不垂直于界面，除非：界面倾角等于0；测线与地层倾向线重合。,广义斯奈尔定理,完整的表达式，见图，考虑到界面上地震波型的转换，则有称着广义斯奈尔定律。式中 称着射线参数。,在多层介质情况下，同一条射线的射线参数不变,2.4.2 视速度定理 Apparent velocity,视速度地震波前沿地面地震测线移动的速度,视速度界于真速度与无穷大之间。相应的波前如何？,2.4.3 地震反射波,反射波 当地震波入射到一个弹性分界面上时，要产生反射波返回地面。有，反射系数

14、（垂直入射）,其中，叫波阻抗。反射波形成的条件界面两侧的；当，反射波与入射波同极性，否则，反极性；越大，反射波越强。,地震反射波 图,从反射可见：由于上复界面的反射，传下去的能量越来越小；若上复界面有强反射面时，则更明显，这时该界面好象起到了一个“屏蔽”作用。,界面反射能量,请计算煤层顶底的反射系数（围岩3200，2.5;煤层2000,1.3）,典型的反射系数曲线,非垂直入射时的能量分配 1,在入射角较小时，所有能量集中在反射和透射P波，不产生S波。随入射角增大，部分能量分配给S波反、透射，大部分能量仍P波。若入射角中等，反射S波比反射P波强。这时，在大炮检距时，能记录到转换波PS波,非垂直入

15、射时的能量分配 2,情况与上相反。由于 在入射角较小时，P波反射系数基本为零。随入射角增加，S波能量在增加；当P波接近临界角时透射P波能量迅速降为零；入射角再增大，透射P波就不存在。在接近临界角时，反射P,S波的能量都在增强（即广角反射）。若达到S波的临界角，转换S波就会变为零。,非垂直入射时的能量分配 3,若速度比为1，无反射。只要不等1，反射能量都中间增加。如果，在P,S波临界角处分别产生一个峰值。若，随入射角增大，反射能量平滑下降；但比值越小，能量越强。,非垂直入射时的能量分配 4,2.4.4 透过波,透过波 当有波从波阻抗界面的一侧入射到界面上，将有部分能量透过界面，在该界面另一侧继续

16、传播，形成透过波。透过角与入射角的关系有,透过系数,2.4.5 折射波,折射波 当地震波入射到弹性分界面上产生反射波的同时，也产生透射波。如果，则有。当 时，则。我们把形成滑行波的特殊角度 i 称为临界角，且有 这时，透过波在第二层介质顶部平行界面，以速度v2传播，形成滑行波，同时引起第一层介质质点的振动，形成以角方向返回地表，这个波叫做折射波。,折射波的形成,临界角,有,当入射角大于临界角时，则出现全反射现象。,折射波形成条件,形成条件：（两层介质）（多层介质）,盲区 当 时，t反=t折，折射波刚形成，意味着在炮点附近区域观测不到折射波。折射波不存在的区域叫折射波的盲区。,2.5 菲涅尔带

17、Fresnel zone,菲涅尔带菲涅尔带是反射界面的一部分。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干涉。产生相干干涉反射波的区域称着菲涅尔带。,第一菲涅尔带,当界面水平时，菲涅尔带呈圆环状。中央部分称着第一菲涅尔带。第一菲涅尔带对形成反射起着主要作用。第一菲涅尔带的半径式中，分别代表深度、时间、平均速度和频率。有效的半径约为。第一菲涅尔带通常作为未偏移数据分辨率的标准。,箱形构造的反射 测线过断层的反射,150m,要点：从菲涅尔带的概念来研

18、究问题,小结,反射界面上第一菲涅耳带范围内的反射在半个周期之内到达反射点，相长叠加干涉。因此以此作为叠加或偏移前水平分辨率的标准。偏移，理论上聚焦到反射点，其水平分辨率应该很高。,2.6 地震道的生成,单一界面的反射两个界面的反射与叠加地震道信号生成原理地震道的数学表达合成地震记录能量和频率随深度下降,单一界面的反射,两个界面的反射与叠加,地震道生成原理,有一地震子波先后入射到由前至深的波组抗分界面；反射强弱正比于反射系数；反射波形的极性决定于反射系数的极性；最终被接收点的检波器接收，自然进行了叠加，形成一个地震道信号。在数学上，就是“褶积”，即地震道的信号就是子波与地下反射系数序列的褶积。,

19、地震道的数学表达,最终，地震信号是,合成地震记录,注意：气、水层和膏盐层的反射,反射波能量和频率随深度下降,频率随深度迅速降低,反射波主频随旅行时的变化,小结,当地震波向下传播过程中，遇到波阻抗分界面时，产生反射，返回地表。反射波的极性决定于反射系数，它的振幅与反射系数成正比。若有多个界面，则将由浅到深顺序产生多个反射波，先后返回地表，被分离埋置的检波器接收，按不同到达时进行叠加在一起，依次转换为电信号输出，形成地震道。信号出现时间决定于旅行的路程，信号的出现以振动能量突然增强为特征。不同界面返回地震波在检波器中叠加，在数学上就是反射系数序列与地震子波的“褶积”运算。,2.7 煤层反射波,2.

20、7.1 煤层反射波的概念2.7.2 煤层反射波模型计算实例,2.7.1 煤层反射波的概念,煤层反射波主要与可采煤层有关的、强或较强的复合反射波。强度大 煤层的密度和地震波传播速度明显地低于围岩(在l:2左右)。煤层顶、底界面的反射系数可高达01505，甚至更高。连续性好 主采煤层一般是厚度稳定、连续性好的强反射层。复合波 煤层是典型的薄层，它的顶、底界面,都是强波阻抗分界面，对应顶、底界面的反射波一般不能分辨而复合叠加。煤层反射波的本质 煤层反射波实际上是由煤层顶、底界面不同极性的反射波，煤层内的多次反射波，煤层上、下相邻的其它弱反射波互相干涉叠加而形成的复合反射波。煤层顶、底界面反射贡献最大

21、，故称煤层反射波。,煤层反射波,合成地震记录和井旁地震道的对比,地震剖面上的反射层和钻孔柱状上什么层位相当？合成记录就是地震剖面与钻孔地质剖面的桥梁。哪个波来自哪个层位的？采用逐一围岩替代法。,层位和反射波的关系,层位和反射波的关系（续）,煤层反射波（续1）,振幅与可检测性 煤层一般是“薄层”，其振幅随煤厚增大而近线性增大，据此，钻孔约束可以预测煤厚变化。即使煤厚薄到1m，仍能观测到较强的反射，具有高的可检测性。煤层的屏蔽作用 上复煤层的强反射，使得下透的能量剧减所致。它影响深部煤层的勘探。,煤层多次波煤层内的多次反射波部分补偿了地震波穿过煤层的透射损失，有助于地震能量向深部传输。煤层间的多次

22、反射波，使上部的反射图像多次重复出现于深部煤层的一次反射波上，干扰以至淹没了深部煤层或其它目的层的一次反射波，不利于深部煤层及构造的勘探。,煤层反射波（续2）,滤波特性 单一煤层是个线性系统，使得深部煤层反射波频率不断降低。,2.7.2 煤层反射波模型计算实例,实 例,实例小结,单层煤厚多在10m之内，小于/4，因此，在地震勘探中多属于“薄层”的范围。在薄层的情况下，煤层反射波的振幅随厚度增大增强，近似线性的关系，这叫煤厚对振幅的调谐效应。当煤厚=/4时，振幅达到极大值。使振幅达到极大值的煤层厚度叫调谐厚度。反射系数或振幅随偏移距增大（或入射角增大）而减小，且调谐厚度也稍稍增大。煤层内的多次波存在，使反射系数减小，透射增强。煤层反射p波以顶底板的纯同类反射波为主构成；只有当偏移距足够大时，顶底板的转换波才有足够的强度，组成转换波。由于传播速度的差异，它和纵波是分离的。,