地震勘探原理.docx

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地震勘探原理

《地震勘探》课程考试大纲

　　　适用专业：

勘查技术与工程

　　　学   制：

四年本科                          

　　　学   时：

80

石家庄经济学院教务处审定

二零零二年一月

　　目      录

1．课程教学目标

2．课程教学内容及学时配表

3.     编写考试大纲的必要性和求要

4 地震勘探考试大纲内容

第一章   弹性波的基本理论

1．弹性理论概述

2．弹性波的形成

3．弹性波的描述

4．弹性波的传播

5．地震波的衰减

6．地震反射波记录道的形成

7．地震波速度及影响因素分析

第二章 地震波的时距曲线

1．反射波的时距曲线

2．折射波的时距曲线

第三章地震勘探的野外数据采集技术

1．有效波和干扰波

2．测线设计和观测系统

3．地震波的激发

4．高分辨率地震数据采集系统

5．地震勘探的分辨率

6．地震勘探工作参数选择

7．浅层地震勘探野外抗干扰技术

8．地震波速度的测定

第四章地震数据处理

1．预处理

2．参数提取与分析

3．数字滤波处理

4．反滤波处理

5．校正和叠加处理

6．偏移归位处理

第五章地震资料的解释与应用

1．地震剖面反射特征的识别和构造解释

2．动弹性模量及在岩土工程勘察中的应用

3．地震折射资料的解释地震勘探的应用

第六章特殊技术（地震新技术）

1．反射波测桩技术

2．常时微动观测技术

3．瞬态瑞雷波勘探技术

1.课程教学目标：

（1）课程任务和地位：

《地震勘探》是勘查技术与工程专业的必修课，是应用地球物理学原理，解决工程与环境中的地质问题，是工程与环境勘查的重要方法，是勘察技术与工程专业的一门主干课。

（2）知识要求：

对于地震勘探理论，应在掌握高等数学、工程数学（如积分变换、级数、波动方程、卷积等）及普通物理基础上，掌握弹性波理论；并具有一定的水文工程地质学、岩土工程地质学基础。

（3）能力要求：

通过本课程的学习，要求学生了解本课程的基本原理，和野外工作方法技术，特别在解决工程与环境地质问题时的抗干扰、提高分辨率的措施，提高学生应用地震新方法解决工程与环境地质问题的实际能力。

这就必须加强实验实习课的份量，跟上目前工程建设和环境地质灾害探测对人才的要求。

2．课程教学内容及学时分配表

章 次

章    目

学 时 安 排

备 注

总学时

讲授

实习

续 论

物探分类、浅震特点及发展史

2

2

第一章

弹性波的基本理论

 18

16

2

第二章

地震波的时距曲线

8

6

2

第三章

地震勘探野外数据采集技术及方法

18

16

2

第四章

地震数据处理

12

12

第五章

地震资料的解释与应用

10

10

第六章

地震新技术

12

12

合   计

80

74

6

3．编写考试大纲的必要性和求要

编写考试大纲是实现大学教考分离的基础,是保证教考分离得以正确实施、统一考试标准，掌握学生学习状况，准确衡量学生学习水平的必要文件。

编写考试大纲要求抓住地震勘探课程的核心内容，基本知识点、重点和难点、本课程的学科前缘

大纲涉及的内容应尽量全面、具体，使出题人根据大纲中提供的教学时数、课时分配、本课程的教学目标、对学生的知识能力要求，能准确把握学生应该掌握的内容和基本知识点、容易把握考题深度和广度，各章考题题量分配等。

4．考试大纲内容

绪 论

  学生通过绪论的学习，应该掌握物探按工作原理和按工作场所及用途进行的分类方法。

例如按工作原理划分可分为六种方法。

地震在物探中的地位和作用、工程与环境地震的特点，按地震仪器发展阶段分类的发展过程概述。

第一章弹性波的基本理论

通过本章的学习，要求学生掌握：

1．均匀各向同性介质及层状介质的定义，杨氏模量、泊松比、剪切模量的物理含义：

如杨氏模量E为

剪切模量μ

μ=σxy/ϕ，

式中ϕ是剪切角，σxy是介质所受它是表示介质所受剪切力，表示介质阻止剪切应变的度量。

泊松比σ是表示介质形变性质的度量。

2．纵波、横波及面波的传播特点，

（1）纵波、横波速度的表达式为：

（2）纵波与横波的速度比

一般岩石的泊松比为0.25,所以vp/vs是1.73；

（3）纵波与横波都是体波，属于线性极化波。

（4）横波传播方向与质点振动方向垂直，纵波传播方向与质点振动方向一致。

（5）质点位移大小与震源强度、震源形状及变化率有关

（6）纵波与横波的质点位移大小与传播距离有关；

 （7）纵波是体积形变的传播；横波是剪切形变的传播。

（8）横波有SH和SV波；

（9）面波是椭圆极化波；

（10）面波向下传播深度是一个波长；

（11）面波具有频散现象，据此可以进行介质分层。

（12）面波与横波速度相当，

3．弹性波的描述

振动图形和波剖面的文字和图形描述；

（1）振动图形是固定位置，研究质点位移随时间变化关系的图形，即地震记录道图形，要明确视周期和视频率的概念。

（2）波剖面与振动图的区别，波剖面是固定时间，研究质点位移随位置变化关系的图形，

（3）视波长λ*、波数分量k和视速度之间有如下关系：

λ*=v*T=v*/f      

（4）波剖面上具有极大正位移的点称波峰，极大负位移的点称波谷，两相邻波峰（谷）之间的距离称视波长λ*；

（5）视波长的倒数称波数，k=1/λ*=f/v*。

即单位距离内波的数目；

（6）波前面和波尾面的定义，波前面与地震波射线间的关系

（7）频谱分析：

地震信号进行付里叶变换，求频谱的过程称频谱分析；频谱是振幅谱和相位谱的总称。

（8）时间场和等时面的概念的概念：

波至时间的空间分布形成时间场，它是标量场。

不同时刻的等时面与相应的波前面重合，射线处处与波前面正交。

（9）非周期性的地震子波是由无数多个简谐分振动合成，地震子波是具有有限的起始时间、能量有限、在很短的时间内衰减、非周期振动的一个信号。

（10）振动图上质点振动的起始时间t1和终了时间t2之间的时间长度差（t2-t1）即位波的时间延续长度∆t；地震子波的时间延续长度∆t与它的频带宽度∆f成反比

4．波动传播原理

（1）波传播时是按照惠更斯原理、费马原理，（即最小时间原理），

（2）掌握视速度v*的概念，v*是沿测线方向传播的速度，沿射线传播的速度是真速度，视速度与真速度之间的关系称视速度定理，如下式

式中α是射线与地面法线间的夹角。

（3）视速度v*大于或等于真速度；视速度v*在无穷大和真速度之间变化；

（4）地震波传播满足，反射定律，即入射角和反射角相等；还满足斯奈尔定律：

θ2称透射角，P称射线参数；

（5）反射系数与介质的波阻抗差异有关，波阻抗差异是形成反射波的条件，

即：

（6）反射系数R与透射系数T的表达式如下

（7）反射系数R>0，表明反射波

与入射波相位相同，R<0，说明反射波与入射波相位相反。

透射系数T=1-R永远为正。

（8）若不考虑波前扩散和介质的吸收作用，反射系数和透射系数之和等于1

（9）平面波垂直入射时不存在转换波，但地震波倾斜入射时会产生转换波，在临界角附近会形成宽角反射（又称广角反射）。

（10）折射波的形成条件是：

当界面下方波速大于上方介质波速，且入射角等于临界角i时形成折射波；其中

（11）折射波存在盲区，盲区半径R=2htgi。

（12）折射波的波前面是圆台的侧面；

（13）由视速度定理，以i角出射的折射波的视速度等于v2;

（14）折射波总是以初至波的形式被记录下来；同一界面的反射波比折射波先到达接收点，因此折射波常以初至波形式出现。

地震波的绕射和散射

（15）地震波遇到断层棱角点或岩性尖灭点会形成绕射波，并称为狭义绕射。

界面上任意点可看成广义绕射点

（16）当界面被侵蚀或界面起伏不平会形成散射波。

5．地震波的衰减

（1）几何扩散

地震波能量（振幅）随传播距离而衰减的现象称为几何扩散。

但不同类型的波衰减速度不同。

存在球面扩散、柱面扩散。

平面波不随传播距离而衰减，因此不存在几何扩散。

（2）吸收

吸收即大地滤波作用，滤去较高频率成分，保留较低频率成分，滤波后的子波延续时间加长，频率降低，振幅减小。

吸收是按指数规律衰减，见下式

（3）地震波的透射损失

入射波每透过一个弹性界面，必使入射波的振幅乘上一个损失因子,

即能量要损失一部分，由于透射损失，地震波透过n-1个界面后的由第n个界面反射回到地面的振幅An为

6．地震反射波记录道的形成

（1）

是两个波彼此是否相互干涉的条件。

（2）在不考虑其它损失时，地震道是由地震子波与反射系数序列的卷积，这便是地震道卷积模型。

如下式

（3）掌握每一反射界面在地震记录道上对应一个短脉冲振动，一个地震记录道是由无数个地震反射子波组成的复合振动。

7．地震波速度及影响因素分析

（1）三大岩类的速度变化规律，及各类岩土体的速度变化范围，速度大小体现岩土体的弹性性质。

地震波速度是表征地层弹性性质的重要参数，不同地质年代、不同成因和物质成分、不同结构构造的岩石，地震波速度不同，即使同样的岩性，由于沉积环境、沉积年代不同，岩石密度、孔隙度及充填物方面也会有很大变化，这就导致某一类岩石的速度可以在很大范围内变化

（2）影响地震波速度的主要因素如裂隙、孔隙度：

裂隙和孔隙度会使地震波速度减小，孔隙使衰减增大、振动周期变长；孔隙中充填物影响地震波速度；风化和破碎带均使速度降低；埋深越大，年带越老，速度越大。

第二章       地震波的时距曲线

通过本章的学习，应明确地震记录图的形成，同相轴的概念，相同相位点的连线形成同相轴。

将地震波的旅行时间t与炮检距x的关系曲线称时距曲线。

地震勘探正反演的概念，掌握不同类形的地质体的反射波和折射波时距曲线的特征。

1.反射波的时距曲线

（1）反射波时距曲线在x-t坐标系是双曲线，其极小点在炮点正上方；

（2）反射波时距曲线在x2-t2坐标系是直线，利用直线的斜率可求界面上方介质的速度；

（3）正常时差的近似表达式是

（4）倾斜界面反射波时距曲线是双曲线

（5）时距曲线的极小点向上倾方向偏移2hsinϕ;

（6）  倾角时差（界面倾斜引起的单位距离的时间差）为∆td/∆x，其中∆x为排列长度的一半，∆td是炮点两端距离为∆x的两点的时间差；

（7）均方根速度：

（8）弯曲界面的反射波时距曲线，凹界面时，由于聚焦作用，时距曲线比平界面时要

（9）界面曲率大时，形成回转波。

（10）绕射波时距曲线是双曲线，双曲线的极小点在绕射点的正上方；

（11）对同一绕射点，不同激发点产生的双曲线相互平行；

（12）绕射波时距曲线比相同深度的反射波时距曲线陡；

（13）全程多次反射波时距曲线是双曲线；全程多次反射波时距曲线比相同t0的一次反射波时距曲线陡；

（14）多同一接收点，多次波的正常时差比相同t0的一次反射波的正常时差大。

（15）对同一界面，多次反射波的t0时间是一次波的整数倍，这是区分多次波的t0标志。

2．折射波的时距曲线

（1）单一界面的折射波时距曲线是斜率为1/v2的直线；

（2）根据t0的表达式，可以反演界面深度z

（3）多层结构的折射波时距曲线是多条斜率不同、互相交叉的直线；各时距曲线的斜率是各层波速的倒数；

（4）应用直达波时距曲线的斜率倒数求表层介质的速度

（5）对弯曲界面时距曲线的形成作定性分析。

第三章地震勘探野外数据采集技术及方法

通过本章学习，掌握地震野外工作方法、参数选择技术、掌握多次覆盖观测系统、纵向和横向分辨率的概念，了解组合法和水平叠加法压制干扰波的特点。

1．有效波和干扰波

（1）有效波和干扰波是相对的，把能够解决某一特定地质问题的波称为有效波，而一切妨碍有效波识别的其它波称之为干扰波。

（2）规则干扰波主要包括面波、声波、工业电干扰、虚反射及多次反射。

（3）各种干扰波的特点，面波频率低速度小，能量大，这是与有效波的主要区别；而声波速度低、频率高、波形尖锐；多次反射与一次反射特征相似，可由t0标志识别。

（4）不规则干扰波主要包括微震和低频、高频背景干扰，掌握其特点和产生的原因。

2．测线设计和观测系统

2．1测线设计

（1）反射波法和折射波法测线最好设计为直线；

（2）主测线应与岩层或构造走向相垂直；

（3）尽可能与钻探线或其他物探测线相一致，

（4）布置测线既考虑地质任务，又要考虑地表地质条件。

对特定地质体，有不同方法，如滑波和边波调查，需布置网格状测线，使测线与地层走向一致。

对重力坝调查，一般以坝的轴线为中心，布置网格状测线。

（5）面积测量时应有联络测线，以检测不同测线上反射波的闭合情况

2．2观测系统

（1）激发点与接收排列的相互位置关系称为观测系统。

（2）反射波法观测系统，分单次覆盖和多次覆盖观测系统；地质情况复杂时采用多次覆盖观测系统，“是采用有规律的移动激发点和接收点，对地下界面段多次重复采样的观测形式”。

炮点距计算公式为

式中s为常数，单边放炮时，s=1，双边放炮时，s=2；n是覆盖次数；N是仪器道数；一般采用下倾方向激发的单边放炮观测系统。

（3）来自不同炮点激发的同一接收点的记录道的集合叫共反射点道集；

（4）折射波法观测系统主要是相遇时距曲线观测系统，在测线两端激发，在全测线上接收的观测系统。

得到的时距曲线叫相遇时距曲线。

（5）追逐时距曲线观测系统，属于单边激发，就是在同一接收地段的同侧不同激发点上激发；主要用于了解折射界面是否产生穿透现象，或用来延长某些需要加长的时距曲线。

（6）当没有穿透现象时，由不同激发点激发的两支时距曲线是平行的，

（7）折射波时距曲线的形态只和界面的形状和上下介质的速度有关，与激发点的位置无关；

3.地震波的激发

（1）炸药震源的激发特点是具有好的脉冲特性、频带宽、高频成分丰富，药量大，信号频率低，视周期大，但为压制干扰，需加大药量。

（2）   高分辨率地震勘探应采用小药量激发，一般为几十克到几百克；

（3）   遇到砂质土或腐质土，或随机干扰大时，药量要加大；

（4）激发通常在潜水面或低速带以下激发。

（5）非炸药震源是工程勘查常用震源，但需垫金属垫板，勘探深度不超过100m；

（6）击板震源是横波激发常用震源；

另外还有电火花震源，落重法和可控震源、夯源、地震枪等。

（7）在工程与环境地震勘探中，应采用小能量激发，以使信号频谱中主频高，并能压制声波和面波干扰，使接收点处的质点产生小变形和小位移，以满足弹性理论要求。

4高分辨率地震数据采集系统

（1）应有较高的灵敏度；

（2）大的动态范围，动态范围是指地震仪能够线性记录地震信号的最大值与最小值之间的范围，通常用他的比值来表示。

其表达式为

20log（线性记录的最大信号电压）/（线性记录的最小信号电压）

单位为分贝（db）.例如当比值为104为时，动态范围为80分贝；

（3）地震仪应有宽的频带和可选择的滤波器；

（4）   对地震脉冲有良好的分辨能力；

（5）   仪器对各道有良好的一致性；

一个检波器+一个放大器+记录显示系统=一个地震记录道

（6）检波器是将地震波返回到地表时所引起的地面振动转换成电信号的一种装置；

（7）有动圈电磁式（用于陆地工作）和压电式（用于海洋和沼泽地）

（8）数字地震仪上瞬时浮点放大器是以二进制增益控制方式为基础，瞬时实现的。

增大方式是以6分贝为台阶。

（9）记录系统，数字地震仪是经模数转换，变换成二进制数存储在磁盘上，且记录是按时序排列。

5地震勘探的分辨率

（1）垂直分辨率是指用地震记录沿垂直方向能够分辨的最薄地层的厚度，它主要取决于地震波长，当地层厚度小于1/4波长时，称为薄层。

（2）当地层厚度大于1/4波长时能够从地震记录的波形特征分辨夹层顶、底界面的反射波。

地层厚度等于1/4波长称为调谐厚度，此时顶底界面的反射波产生相长性干涉，振幅最大。

（3）横向分辨率是指沿水平方向所能分辨的最小地质体的尺寸。

一个深部的地质体必须有较大的延伸面积才能与一个埋深浅的小地质体产生相同的地震响应。

只有地质体的尺度大于或等于第一夫列涅尔带，才能从地震记录上分辨该地质体的存在。

  式中r是第一夫列涅尔带的半径。

fc是最高截止频率。

（4）分辨率与频率成分的关系：

提高分辨率需提高地震波的主频，并同时拓宽频带宽度，单频波的分辨率为零。

（5）分辨率与信噪比之间的关系：

地震记录的信噪比会影响地震记录的分辨率，提高信噪比的处理往往会降低分辨率。

信噪比趋于零时，分辨率趋于零，一般信噪比保持在2~4之间较合适。

（6）分辨率与大地滤波作用：

了解大地滤波作用是衰减信号的高频成分，因而会降低分辨率，要提高地震记录的纵向分辨率，又要有较大的穿透深度，就要增大子波的频带宽度，即子波向低频端扩展。

6地震勘探工作参数选择

（1）记录长度与时间采样率

采样点数乘以采样率（采样间隔）等于记录长度；

（2）采样间隔必须小到不使预期的有效波的最高频率假频化，即满足采样定理。

（3）最大炮检距就是炮点距最远接收道之间的距离，经验上最大炮检距与目的层深度相近较合适，即xmax=（0.7~1.5）h。

最大炮检距太大，会带来宽角反射的影响；

（4）最小炮检距不应小于最小目的层深度，最小炮检距大一些，可以有效消除产生的噪声，减小面波、声波干扰。

（5）最佳窗口技术，需通过野外试验工作确定，使近炮点道避开面波声波干扰，远炮点端不使反射波振幅和相位发生畸变。

对复杂地质构造，应采用多次覆盖技术；

（6）道间距又称空间采样率。

一般道间距越小，分辨率越高；

（7）有利于有效波的对比：

选取道间距∆x要保证相邻接收道的波至时间差∆t

（8）确保足够的空间采样率：

即满足空间采样定理，不使陡倾界面假频化；

（9）对反射界面进行充分采样：

即在水平叠加时间剖面上，第一夫列涅尔带内至少有两道、四个CDP点。

即道间距应小于第一夫列涅尔带半径。

7．浅层地震勘探野外抗干扰技术

（1）组合法是指一组检波器产生一道信号输入，是根据波传播方向的不同来压制干扰的一种方法。

（2）规则波均匀线性组合：

n个检波器组合后，会使视速度大的有效波落入通放带，组合后的输出振幅得到加强，振幅是组合前的n倍，组合使低视速度的干扰波落入压制带，振幅减小。

最终突出了有效波。

（3）组合具有频率滤波作用，当视速度无限大时，组合后没有频率滤波作用，当视速度小时，组合后对高频成分有压制，组合后波形产生畸变。

为使有效波不产生频率畸变，应设法提高有效波的视速度。

如采用近炮点接收、对倾斜界面采用下倾激发，上倾接收。

（4）不规则波的组合特性：

如果组合内各检波点接收的不规则干扰波相互统计独立，则统计效应有最大值，即组合使地震记录的信噪比提高

倍。

（6）   组合参数的选取：

组合内的参数，如组合内道间距，组合基距L=（n-1）∆x，组合数目n，n增多，会使通放带变窄，对高频信号有抑整理用，

（7）   组合不利于提高分辨率，具有平均效应。

（8）垂直叠加：

是利用数字地震仪的信号增强功能，对多次激发信号进行叠加，经m次垂直叠加后，如果每次激发的随机干扰相互统计独立，将使地震记录的信噪比提高

倍。

（9）水平叠加：

水平叠加是对共反射点道集内的信号进行叠加。

它是基于多次覆盖观测系统数据。

其作用主要是压制多次反射波，提高信噪比。

叠加前首先对共反射点道集的记录道进行动校正，对有效波动校正后，可变成t=t0的水平同相轴，而对多次反射波，仍有剩余时差，叠加后有效波相对得到加强，多次反射波相对被削弱。

（10）对不规则干扰波，经水平叠加后，信噪比提高

倍，n是水平叠加次数。

（11）偏移距μ对叠加特性的影响：

μ增大，通放带变窄，因此小偏移距有利于提高分辨率；

（12）道间距对叠加频率特性的影响：

小道间距通频带变宽，提高分辨率需减小道间距；（13）短排列接收有利于提高分辨率；

（14）覆盖次数n的变化对频率特性影响不大，但n大可提高信噪比，同时工作量增大；并可能增强多次反射波同相性。

（15）影响叠加效果的因素：

（1）界面倾斜；

（2）动校正速度不准；（3）地表高程及地表起伏的影响。

8．地震波速度的测定

（1）ps测井：

ps测井是p波、s波速度测井的简称，分跨孔法和下孔法（检层法），常用下孔法。

目的是得到各地层的纵波和横波速度，并由此计算地层的动弹性模量。

广泛用于地基勘查。

（2）下孔法现场工作方法：

包括1.打测孔；2.震源设置；3.波动信号测量

（3）下孔法资料整理解释：

将弹性波旅行时间换算成垂直时间，并作垂直时距曲线图，由垂直时距曲线拐点确定界面，由各折射线段斜率倒数求各层速度。

（4）利用折射波测量求速度：

主要根据相遇观测系统中的直达波斜率求表层速度，由折射波时距曲线斜率倒数求界面速度。

（5）利用反射波测量求速度：

x2—t2法求速度：

在x2—t2坐标系绘制反射波时距曲线，利用斜率倒数并开平方得倒界面上方速度；

（6）t—∆t法求速度：

利用正常时差公式，换算反射界面上方覆盖层速度。

一般是利用大炮检距的正常时差∆t计算波速，并利用大量计算结果取平均值。

第四章 地震数据处理

通过本章的学习，要求掌握地震数据处理流程，各处理环节所解决的问题及所起的作用，各处理方法的特点和衔接。

对水平叠加时间剖面掌握其形成过程并对其进行地质解释。

了解相关分析、速度分析、二维滤波、最小平方反滤波、有限差分波动方程偏移、校正和叠加基本概念和所起的作用。

1．预处理

（1）数据解编

将磁带记录上按时序排列的二进制数据转换成按道序排列。

（2）编辑

对不正常道、炮的记录进行充零处理。

（3）抽道集

将共反射点（共深度点）的记录道排成一组，并按共深度点次序排在一起。

（4）真振幅恢复处理：

将被地震仪放大的振幅转换成只与地质因素有关的放大前的振幅。

2．参数提取与分析

2．1频谱分析

对子波进行付氏变换求频谱（振幅谱、相位谱）的过程叫频谱分析。

求振幅谱的目的是了解有效波和干扰波所处的频段，求地震记录有效波的主频，掌握各种波的频谱特征。

2．2相关分析

（1）相关系数与相关函数：

用相关系数表示两地震记录道的相似程度，对每一个时移都可计算相关系数，对一系列变化的时移求相关系数就构成相关函数。

（2）自相关、互相关与多道相关：

对一道记录自身作相关运算叫自相关。

自相关在时移为零时有极大值；对两道记录作相关运算叫互相关。

为对共反射点道集进行剩余时差校正，需计算多道相关系数，对m道记录所有可能形式的互相关系数之和，称多道相关系数。

（3）相关分析的应用：

用互相关求取道间时差;用互相关求取地震子波;进行相关滤波。

2．3速度分析

（1）速度谱分析的原理和整