地震勘探原理-第2章地震波运动学1课件.ppt

1、地震勘探原理主讲人：陈双全9:102地震勘探原理地震勘探原理第第1章章 绪论绪论第第2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论 第第3章章 地震资料采集方法与技术地震资料采集方法与技术第第4章章 地震波速度地震波速度第第5章章 地震资料解释的理论基础地震资料解释的理论基础9:103第第2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论几何地震学几何地震学:研究地震波波前的研究地震波波前的空间位置空间位置与与其其传播时间传播时间的关系。引用的关系。引用波前波前、射线射线等几等几何图形来描述波的运动过程和规律。何图形来描述波的运动过程和规律。主要内容主要内容:首先介绍基本概念和地震波在传播过程中所遵首先介绍基

2、本概念和地震波在传播过程中所遵循的几个原理；循的几个原理；其次分析在介质分界面上产生的反射波、折射其次分析在介质分界面上产生的反射波、折射波、透射波的条件及这些波的特点；波、透射波的条件及这些波的特点；最后讨论地震波在层状介质、连续介质中的传最后讨论地震波在层状介质、连续介质中的传播特点。播特点。9:104第第2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论2.1 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2.2 常速单界面的反射波特征及数学表达式常速单界面的反射波特征及数学表达式2.3 变速多界面的反射波特征及数学表达式变速多界面的反射波特征及数学表达式 2.4 地震折射波运动学地震折射波运动学9:105

3、第第2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论2.1 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2.2 常速单界面的反射波特征及数学表达式常速单界面的反射波特征及数学表达式2.3 变速多界面的反射波特征及数学表达式变速多界面的反射波特征及数学表达式 2.4 地震折射波运动学地震折射波运动学9:1062.1 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.2 2.1.2 地震波的传播规律地震波的传播规律2.1.3 2.1.3 地震波的类型地震波的类型9:1072.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.1.1 2.1.1.1 地震波

4、地震波2.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面2.1.1.3 2.1.1.3 射线射线2.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面2.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波2.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量9:1082.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波1、什么是波？什么是波？2、什么是弹性波？、什么是弹性波？3、什么是地震波？、什么是地震波？地震波是在岩层中传播的弹性波地震波是在岩层中传播的弹性波9:1091、什么是波、什么是波波波(wave)就是振动在介质中的传播就是振动在介质中的传播形成条件：弹性介质、激发

5、振动。形成条件：弹性介质、激发振动。9:10101、什么是波、什么是波9:10111、什么是波、什么是波9:10121、什么是波、什么是波9:10131、什么是波、什么是波9:10142.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波1、什么是波？、什么是波？2、什么是弹性波？什么是弹性波？3、什么是地震波？、什么是地震波？9:10152、什么是弹性波、什么是弹性波9:10162、什么是弹性波、什么是弹性波9:10172、什么是弹性波、什么是弹性波在消除外力作用后立即恢复原来状态的在消除外力作用后立即恢复原来状态的介质，在地震勘探中这种传播地震波的介质，在地震勘探中这种传播地震波的岩层称为弹性介质。

6、岩层称为弹性介质。振动在弹性介质中的传播过程称为振动在弹性介质中的传播过程称为“弹弹性波性波”9:10182.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波1、什么是波？、什么是波？2、什么是弹性波？、什么是弹性波？3、什么是地震波？什么是地震波？9:10193、什么是地震波？、什么是地震波？9:10203、什么是地震波？、什么是地震波？9:10213、什么是地震波？、什么是地震波？9:10222.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波2.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面2.1.1.3 2.1.1.3 射线射线2.

7、1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面2.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波2.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量9:10232.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面1、波动与振动振动是质点的运动，波动是振动的传播，即介质整体的运动。振动传播的速度为波速，与质点本身运动的速度无关。波速有限是波动的必要条件。波动伴随能量传播。9:10241、波动与振动、波动与振动9:10252、波前、波后和波面、波前、波后和波面波前：某一时刻介质中各点刚好开始振动，这一曲面波前：某一时刻介质中各点刚好开始振动，这一曲面叫波前，也叫波阵

8、面。叫波前，也叫波阵面。波后：某一时刻介质中各点的振动刚好停止，这一曲波后：某一时刻介质中各点的振动刚好停止，这一曲面叫波后，也叫波尾。面叫波后，也叫波尾。波面：把某一时刻介质中所有相同状态的点连成曲面波面：把某一时刻介质中所有相同状态的点连成曲面,这个曲面就叫做这个时刻的波面，也叫等相面。波面这个曲面就叫做这个时刻的波面，也叫等相面。波面是波前的是波前的“遗迹遗迹”，按波面的形状，可以对波进行分，按波面的形状，可以对波进行分类。球面波、柱面波、平面波。类。球面波、柱面波、平面波。不指明哪一个时刻来讨论波前和波后是没有意义的。不指明哪一个时刻来讨论波前和波后是没有意义的。9:10262.1.1

9、 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波2.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面2.1.1.3 2.1.1.3 射线射线2.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面2.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波2.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量9:10272.1.1.3 2.1.1.3 射线射线波线波线：在适当的时候，认为波及其能量：在适当的时候，认为波及其能量沿着某一条路线传播，这条路线称为波沿着某一条路线传播，这条路线称为波线，或射线。线，或射线。射线是一条假想的射线是

10、一条假想的“线线”，射线垂直于，射线垂直于波前。波前。9:10282.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波2.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面2.1.1.3 2.1.1.3 射线射线2.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面2.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波2.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量9:10292.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面波的完整描述波的完整描述振动曲线振动曲线:表示质点振动的曲线。表示质点振动的曲线。振动

11、图振动图:检波器所在点的振动曲线。检波器所在点的振动曲线。波形曲线波形曲线:同一时刻各点的位移绘制在一个图上同一时刻各点的位移绘制在一个图上得到的曲线。得到的曲线。波剖面波剖面:沿测线的波形曲线。沿测线的波形曲线。(,)u x y z t9:10302.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面9:10312.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面9:10322.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面多个振动图组成一张野外共炮点地震记录多个振动图组成一张野外共炮点地震记录9:10332.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1

12、.1.1 2.1.1.1 地震波地震波2.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面2.1.1.3 2.1.1.3 射线射线2.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面2.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波2.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量9:10342.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波地震子波（地震子波（wavelet）：当地震波传播一定距离当地震波传播一定距离后，其形状逐渐稳定，后，其形状逐渐稳定，具有具有2-3个相位，有一个相位，有一定的延续时间的地震波，定的延续时间的地震波，称为地震子波，称为地震子波

13、，它是地它是地震记录的基本元素。震记录的基本元素。9:10352.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波地震子波在继续传播地震子波在继续传播的过程中，严格来讲的过程中，严格来讲其幅度和形状都会发其幅度和形状都会发生变化，近似可以认生变化，近似可以认为地震子波的形状基为地震子波的形状基本不变，但其振幅有本不变，但其振幅有大有小、极性有正有大有小、极性有正有负，到达接收点的时负，到达接收点的时间有先有后。间有先有后。9:10362.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波地震勘探的实质地震勘探的实质利用地震子波从地下地层界面（或岩性界面）利用地震子波从地下地层界面（或岩性界面）反射回地面

14、时带回的双程旅行时信息（运动反射回地面时带回的双程旅行时信息（运动学）和幅度、形状（动力学）等变化的信息学）和幅度、形状（动力学）等变化的信息来研究界面的埋深及界面上下岩性变化的。来研究界面的埋深及界面上下岩性变化的。9:10372.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波雷克雷克(Ricker)子波子波22()12()exp()ppg tff t2232()exp()0ppffG ffff9:10382.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波2.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面2.1.1.3 2.1.1

15、.3 射线射线2.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面2.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波2.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量9:10392.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量波随时间的变化，一种最简单的形波随时间的变化，一种最简单的形式是式是简谐波简谐波(正弦波正弦波)，用正弦的形，用正弦的形式表示：式表示：U(t)=Asin(t+)U(t)=Asin(t+)A-A-振幅，振幅，=2=2f f为圆频率，为圆频率，-初初相位。相位。简谐波为简谐波为单频波单频波，是一种理想的振，是一种理想的振动，但在理论分析上

16、有十分重要的动，但在理论分析上有十分重要的意义。意义。大多数形式较复杂的波，可以用简大多数形式较复杂的波，可以用简谐波的叠加来表示，方法是付氏谐波的叠加来表示，方法是付氏(频谱频谱)分析。分析。9:10402.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量周期周期T频率频率f：f=1/T波长：在一个周期时间内正弦波沿着波线波长：在一个周期时间内正弦波沿着波线前进的距离。前进的距离。波速：单位时间内正弦波沿着波线前进的波速：单位时间内正弦波沿着波线前进的距离距离vfT9:1041当涉及的波速和波长时，我们是沿着波当涉及的波速和波长时，我们是沿着波的传播方向来考虑问题。的传播方向来考

17、虑问题。速度和波长是沿着波的传播方向来考虑速度和波长是沿着波的传播方向来考虑问题的。若沿着其他方向，则讨论的是问题的。若沿着其他方向，则讨论的是视速度和视波长。视速度和视波长。视速度和视波长视速度和视波长9:1042视速度和视波长视速度和视波长9:1043视速度和视波长视速度和视波长9:1044视速度和视波长视速度和视波长9:10452.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.1.1 2.1.1.1 地震波地震波2.1.1.2 2.1.1.2 波前、波后和波面波前、波后和波面2.1.1.3 2.1.1.3 射线射线2.1.1.4 2.1.1.4 振动图与波剖面振动图与波剖面

18、2.1.1.5 2.1.1.5 地震子波地震子波2.1.1.6 2.1.1.6 描述波动的特征量描述波动的特征量9:10462.1 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.2 2.1.2 地震波的传播规律地震波的传播规律2.1.3 2.1.3 地震波的类型地震波的类型9:10472.1.2 2.1.2 地震波的传播规律地震波的传播规律2.1.2.0 反射和透射反射和透射2.1.2.1 反射定律反射定律2.1.2.2 透射定律透射定律2.1.2.3 施奈尔施奈尔(Snell)定律定律2.1.2.4 费马费马(Fermat)原理原理2.1

19、.2.5 惠更斯惠更斯(Huygens)原理原理9:10481、反射和透射、反射和透射概念：当下行的地震波到达两种介质的分界面概念：当下行的地震波到达两种介质的分界面时，其中的一部分又回到了上层介质中，这种时，其中的一部分又回到了上层介质中，这种波称为波称为反射波反射波；另一部分穿过界面到达下伏介；另一部分穿过界面到达下伏介质中的地震波称为质中的地震波称为透射波透射波。波阻抗：波阻抗：地震波传播速度与介质密度的乘积地震波传播速度与介质密度的乘积（Z=V）。它是研究界面上地震波反射强。它是研究界面上地震波反射强度的一个重要参数。度的一个重要参数。Z1Z2 界面上下存在界面上下存在 有波阻抗差。界

20、面上下有波阻抗差。界面上下 的波阻抗差越大，反射的波阻抗差越大，反射 波就越强波就越强9:1049几种岩石的波阻抗几种岩石的波阻抗岩石名称速度(m/s)密度(g/cm3)波阻抗(g/scm2104)土壤2008001.12.02.216砂层30013001.42.04.226粘土180024001.52.22752.8砂岩200040002.12.842112石灰岩320055002.33.073.6165岩盐450055002.22.290121结晶岩石450060002.43.41082049:10502 2、反射定律和透射定律、反射定律和透射定律入射线、反射线和透射线入射线、反射线和透射

21、线-波的入射、反射和透射用射线表示。波的入射、反射和透射用射线表示。法线法线在界面上垂直界面且过入射点的直线。在界面上垂直界面且过入射点的直线。入（反）射角入（反）射角、入（反）射线与界面法线间的夹角。入（反）射线与界面法线间的夹角。透射角透射角透射线与界面法线间的夹角。透射线与界面法线间的夹角。入射面入射面入射线、法线确定的平面，垂直于界面。入射线、法线确定的平面，垂直于界面。射线平面射线平面入射线、过入射点界面法线和反射线确定的平面。入射线、过入射点界面法线和反射线确定的平面。用射线来表示波的反射和透射用射线来表示波的反射和透射9:10512 2、反射定律和透射定律、反射定律和透射定律反射

22、反射定律定律 反射线位于入射面内，反射角反射线位于入射面内，反射角等于入射角等于入射角。透射定律透射定律：透射线也位于入射面内，入射角的正弦和透射角的正弦透射线也位于入射面内，入射角的正弦和透射角的正弦之比等于第一和第二两种介质的波速之比之比等于第一和第二两种介质的波速之比,即即21sinsinVV21sinsinVV或sinsin21VV此式表示波在两种介质内传播的视速度是相等的。此式表示波在两种介质内传播的视速度是相等的。改写9:10522、反射定律和透射定律、反射定律和透射定律9:10532、反射定律和透射定律、反射定律和透射定律9:1054地震折射波地震折射波两层介质，下伏层的速度大于

23、上覆层的速度，两层介质，下伏层的速度大于上覆层的速度，即即V2V1，这时地层中才会产生折射波。，这时地层中才会产生折射波。滑行波：当入射角等于临界角时，透射波的射滑行波：当入射角等于临界角时，透射波的射线与界面平行，以下界面的地震波速度沿界面线与界面平行，以下界面的地震波速度沿界面滑行传播的波。滑行传播的波。折射波：滑行波在滑行的过程中，下层介质中折射波：滑行波在滑行的过程中，下层介质中的质点就会产生振动，形成新的震源，并在上的质点就会产生振动，形成新的震源，并在上层介质中产生新的地震波。层介质中产生新的地震波。9:1055地震折射波地震折射波9:1056波型转换波型转换波在非法线入射的情况下

24、，无论是纵波或是横波。在介质的分界面上不仅会改变波的方向，产生反射和透射，而且会发生波的分裂。由一种波分裂为两种不同类型的波，同时会有纵波和横波的反射和透射。同类波和转换波同类波和转换波 称与原来入射波类型相同的称与原来入射波类型相同的反射和透射波为反射和透射波为同类波同类波，而，而改变了波型的反射波和透射改变了波型的反射波和透射波为波为转换波转换波。9:10573 3、纵横波的反射和透射定律、纵横波的反射和透射定律(Snell(Snell定律定律)当波通过两个声阻抗不同的均匀介质界面时，波前进的方向就会发生改变，考虑纵波和横波时，这种变化可以表示为：式中P1是介质1中纵波的入射角，VP1、V

25、P2、VS1、VS2分别为介质1和2的纵横波速度，其中P为一常数，称射线路径参数。21121122sinsinsinsinpPSSPSPSPVVVV9:1058多层水平介质的斯奈尔（多层水平介质的斯奈尔（SnellSnell）定律）定律 综合反射定律和透射定律的内容，扩展到多层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。设各层的纵波、横波速度分别用Vp1,Vs1,Vp2,Vs2,.Vpi,Vsi表示，则斯奈尔定律的形式如下：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Pi PVV

26、VVVVSiSiPipiSSPpSSPPsinsin.sinsinsinsin222222119:10594、费马原理、费马原理9:10605、惠更斯原理、惠更斯原理9:10615、惠更斯原理、惠更斯原理9:10625、惠更斯原理、惠更斯原理9:10632.1.2 2.1.2 地震波的传播规律地震波的传播规律2.1.2.0 反射和透射2.1.2.1 反射定律2.1.2.2 透射定律2.1.2.3 施奈尔(Snell)定律2.1.2.4 费马(Fermat)原理2.1.2.5 惠更斯(Huygens)原理9:10642.1 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2.1.1 2.1.1 地震波的基本

27、概念地震波的基本概念2.1.2 2.1.2 地震波的传播规律地震波的传播规律2.1.3 2.1.3 地震波的类型地震波的类型9:1065地震波的类型地震波的类型9:1066地震波的类型地震波的类型9:1067纵波纵波质点振动方向与波的传播方向一致，传播速度最快。质点振动方向与波的传播方向一致，传播速度最快。又称压缩波又称压缩波(compressional)、膨胀波、膨胀波(dilatational)、纵、纵波波(longitudinal)或或P-波波(P-Wave)9:1068横波横波质点振动方向与波的传播方向垂直，速度比纵波慢，质点振动方向与波的传播方向垂直，速度比纵波慢，也称剪切也称剪切(

28、shear)波、旋转波、旋转(rotational)波、横波波、横波(transverse)或或S-波波(S-wave)，速度小于纵波约，速度小于纵波约0.7倍。倍。9:1069两种振动方向的横波SV和SH波在三维体介质中，横波的振动与传播方向垂直有两个在三维体介质中，横波的振动与传播方向垂直有两个方向，可把横波分为方向，可把横波分为SVSV和和SHSH波两种形式：如果振动发波两种形式：如果振动发生在通过波传播方向的垂直平面内称生在通过波传播方向的垂直平面内称SVSV波，在水平面波，在水平面内则称内则称SHSH波。波。SV波SH波9:1070面波面波面波面波 一种质点振动沿着或靠近介质表面传播

29、的地震波，振幅一种质点振动沿着或靠近介质表面传播的地震波，振幅随深度以指数规律衰减。其速度可由大约一个波长的深随深度以指数规律衰减。其速度可由大约一个波长的深度范围内介质的弹性性质所定，速度约为横波的度范围内介质的弹性性质所定，速度约为横波的0.920.92倍。倍。在地震勘探中，通常指在地震勘探中，通常指地滚波地滚波(ground roll)ground roll)。包括瑞。包括瑞利波、乐夫波等。其中最重要的面波是瑞利波。利波、乐夫波等。其中最重要的面波是瑞利波。在地震勘探中，面波被作为一种干扰波处理，并且发展在地震勘探中，面波被作为一种干扰波处理，并且发展相应的观测和处理技术。但在一些工程勘

30、探中被作为一相应的观测和处理技术。但在一些工程勘探中被作为一种有效的勘探方法。种有效的勘探方法。9:1071乐夫波乐夫波9:1072瑞利波瑞利波瑞利波是最常见的沿地面传播的面波。瑞利波是最常见的沿地面传播的面波。9:1073反射和透射波的强度和极性反射和透射波的强度和极性垂直入射时，入射波振幅(A入)与反射振幅(A反)之比可用波阻抗来表示。112211221212VVVVZZZZAARir11221112122VVVZZZAATit反射系数透射系数R+T=1注意：自由界面上的位移总振幅为介质内部质点位移注意：自由界面上的位移总振幅为介质内部质点位移振幅的两倍。振幅的两倍。垂直入射反射和透射系数

31、垂直入射反射和透射系数9:1074极性极性反射波强度与分界面两边波阻抗之差（反射波强度与分界面两边波阻抗之差（Z Z2 2Z Z1 1）和之和）和之和（Z Z2 2Z Z1 1）有关。当浅层和深层波阻抗差相同时，深层的）有关。当浅层和深层波阻抗差相同时，深层的反射弱。反射弱。反射极性：当反射极性：当Z2Z1时，时，R0，反射波和入射波的相位相，反射波和入射波的相位相同；当同；当Z2Z1时，时，R0。两个振幅反号，。两个振幅反号，反射波的相位与反射波的相位与入射波相反，差入射波相反，差180180度，称这种现象为度，称这种现象为“半波损失半波损失”。透射系数透射系数T1R总是正的，说明透射波的相

32、位与入射波总是正的，说明透射波的相位与入射波的相位相同；的相位相同；当当R为负时，为负时，T可以大于可以大于1。9:1075按地震波在传播过程中传播路径按地震波在传播过程中传播路径(射线射线)的特点还可以的特点还可以把分为直达、透射、反射和折射波等。把分为直达、透射、反射和折射波等。水平界面上的各种波水平界面上的各种波9:1076同类波与转换波同类波与转换波入射波和反射波、透射波的振动特性一致称同类波，改变了振动特性的反射和透射波称转换波。9:10772.1 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2.1.1 2.1.1 地震波的基本概念地震波的基本概念2.1.2 2.1.2 地震波的传播规律地震

33、波的传播规律2.1.3 2.1.3 地震波的类型地震波的类型9:1078第第2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论2.1 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2.2 常速单界面的反射波特征及数学表达式常速单界面的反射波特征及数学表达式2.3 变速多界面的反射波特征及数学表达式变速多界面的反射波特征及数学表达式 2.4 地震折射波运动学地震折射波运动学9:1079作业作业解释下列概念解释下列概念1、地震波的运动学、地震波的运动学2、波前、波后和波面、波前、波后和波面3、射线、射线4、振动曲线和波形曲线、振动曲线和波形曲线5、地震子波、地震子波6、视速度和视波长、视速度和视波长7、波阻抗、波阻抗9:1080作业作业解释下列概念解释下列概念8、Snell定律定律9、费马原理、费马原理10、惠更斯原理、惠更斯原理11、反射系数、反射系数12、纵波与横波、纵波与横波