地震概論第三章ppt課件

1、地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論第一節(jié)第一節(jié) 地震波傳播的根本概念地震波傳播的根本概念第二節(jié)第二節(jié) 地震波傳播的根本實際地震波傳播的根本實際第三節(jié)第三節(jié) 體波各種震相和走時表體波各種震相和走時表第三章第三章 地震波傳播實際地震波傳播實際 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論第一節(jié)第一節(jié) 地震波傳播的根本概念地震波傳播的根本概念一、地球介質(zhì)和彈性波 地震波是地下傳播的震動，必然與巖石的彈性有關(guān)，普通都假定巖石是一種完全彈性體。在普通的地震波計算中，地球介質(zhì)可以做為各向同性的完全彈性體來對待。地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論二、首波或側(cè)面波 假設(shè)介

2、質(zhì)是分層的，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ傻退俚囊环较蚋咚俚囊环饺肷鋾r，還存在一種波，叫做側(cè)面波(或叫首波、折射波、衍射波、行走反射波，等等) 。 雖然首波的傳播途徑總是比直達(dá)波長，但是由于首波在分界面上是以深層介質(zhì)中的速度來傳播的，因此超越一定臨界間隔之后，首波就會比直達(dá)波率先到達(dá)臺站。 P波和S波都會有相應(yīng)的首波。地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論三、地震波的吸收和衰減 將地球介質(zhì)當(dāng)作是完全彈性體是一種近似，實踐上在動搖傳播過程中，介質(zhì)會吸收動搖的能量轉(zhuǎn)化為熱能。 teAA 0振幅隨時間的衰減可用表示，為衰減系數(shù)。 xxeAA0間隔后，因介質(zhì)對能量的吸收而導(dǎo)致振幅的減小，可用表示, 稱為吸收系

3、數(shù)。 波傳播EEQ211 表示能量耗費的另一個重要參數(shù)Q叫做質(zhì)量因子，這是由電路實際借用來的一個概念，定義E是一定體積的介質(zhì)在一周期時間內(nèi)所存儲的最大應(yīng)變能，地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論四、震中距四、震中距 震源在地表的垂直投影為震中。震中距就是震中到觀測臺站之間的間隔，單位是千米。 另一種震中距單位是度，就是震中地球球心連線與觀測臺站-球心連線的夾角，與千米制換算：震中距度=震中距千米180/地球半徑。 估算：1度約等于110千米。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論第二節(jié)第二節(jié) 地震波傳播的根本實際地震波傳播的根本實際 在地震波實際中，通常把地球介質(zhì)當(dāng)

4、作均勻、各向同性和完全彈性介質(zhì)來處置，只是一種簡化的假定。實際證明，這種假定可以使分析大大簡單，并且在多數(shù)情況下可以得到與觀測結(jié)果頗為符合的結(jié)果。 研討地震波在地球內(nèi)部傳播的問題，主要有動力學(xué)和運動學(xué)兩種方法。動力學(xué)方法是直接求解動搖方程，研討平面波在平界面上的反射、折射，均勻半空間及平行分層空間中的地震面波，以及球?qū)ΨQ模型的地球的自在振蕩。該方法相對繁瑣，本書不做引見。我們引見的是第二種方法：運動學(xué)方法，就是將動搖方程的求解簡化成波傳播的射線實際，用地震射線這一概念，研討地震波在地球內(nèi)部傳播的運動學(xué)特征，同時獲得地球內(nèi)部構(gòu)造的情況。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論一、射線

5、實際一、射線實際 在研討問題的尺度遠(yuǎn)大于地震波波長的情況下，在研討問題的尺度遠(yuǎn)大于地震波波長的情況下，可將地震波傳播當(dāng)作射線來處置，從而使復(fù)雜的可將地震波傳播當(dāng)作射線來處置，從而使復(fù)雜的動搖問題簡化成為射線問題。地震射線問題這和動搖問題簡化成為射線問題。地震射線問題這和幾何光學(xué)很類似。所謂地震射線，就是地震波傳幾何光學(xué)很類似。所謂地震射線，就是地震波傳播時，波陣面法線的軌跡，也即是震動由一點傳播時，波陣面法線的軌跡，也即是震動由一點傳播到另一點所經(jīng)過的途徑。播到另一點所經(jīng)過的途徑。 射線地震學(xué)，也叫幾何地震學(xué)，是動搖地震學(xué)射線地震學(xué)，也叫幾何地震學(xué)，是動搖地震學(xué)在波長很短時的近似。它可以由動搖

6、地震學(xué)推上在波長很短時的近似。它可以由動搖地震學(xué)推上演來，但更直接的是根據(jù)費馬原理。這個原理說：演來，但更直接的是根據(jù)費馬原理。這個原理說：當(dāng)一個震動由介質(zhì)中一點傳播到另一點時，它所當(dāng)一個震動由介質(zhì)中一點傳播到另一點時，它所經(jīng)過的途徑是使其傳播時間為一穩(wěn)定值經(jīng)過的途徑是使其傳播時間為一穩(wěn)定值(最大、最大、最小或拐點最小或拐點)。在普通的地震波計算中，地球介。在普通的地震波計算中，地球介質(zhì)可以做為各向同性的完全彈性體來對待。質(zhì)可以做為各向同性的完全彈性體來對待。地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論),(zyxv0BAvdst設(shè)震動由A點出發(fā)，沿途徑s傳播到B，傳播速度是所用的時間是

7、t，那么費馬原理就是 是變分。根據(jù)這個原理，假設(shè)A和B各在一個分界面的兩邊或一邊，就立刻得到斯涅耳的折射或反射定律。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論光學(xué)中的Fermat定理： “光在介質(zhì)中傳播的途徑為走時travel-time)最小的途徑地震學(xué)中的Fermat定理： 地震波在介質(zhì)中傳播的途徑為走時最小的途徑.地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 地震學(xué)中的Fermat定理不是永遠(yuǎn)成立，是高頻情況下地震波動搖方程的漸近解。高頻近似：地震波的特征波長久小于所研討問題的 特征尺度。注： 當(dāng)高頻近似條件不滿足時，地震波的傳播不可以用Fermat定理來描畫，必需嚴(yán)厲求解

8、原始的動搖方程。地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 能量束，能量分布呈高斯分布Gaussian Beam) 能量束的寬度d反比于頻率f： dfd1f當(dāng)時，0d能量束成為“線射線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 射線射線Ray)地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論ref1V211)sin()sin()sin(VVVtrefincinct入射波入射波Incident Wave反射波反射波Reflected Wave透射波透射波Transmitted Wave2V1Vref211)sin()sin()sin(VVVtrefinc地震概論第三章第三章 地

9、震波傳播理論地震波傳播理論22221)(1)(xLrxhVxt22221)()(1)(0 xLrxLxhxVdxxdt射線AOB的走時為：反射點 x 應(yīng)使t到達(dá)最小值。即：rhincrefABLxL- xV2V1o2222)()(xLrxLxhx)sin()sin(refinc地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論222221)(11)(xLrVxhVxt222221)()(11)(0 xLrxLVxhxVdxxdtrhincABLxL- xV2V1o射線AOB的走時為：反射點 x 應(yīng)使t大到最小值。即：222221)()(11xLrxLVxhxV21)sin()sin(VVtin

10、ct地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 射線實際在過去100年中被廣泛用于地震資料的分析和解釋，由于它簡明、直觀、易懂且順應(yīng)性廣，至今仍被廣泛運用。與更完好的解法比較，射線實際直截了當(dāng)?shù)亟o出了三位速度模型。 但射線實際也有缺陷：它是高頻近似，對長周期或者陡的速度梯度的介質(zhì)就行不通；它還不容易處置非幾何效應(yīng)問題。本章的射線實際只涉及地震波的到時，而沒有思索振幅和其他細(xì)節(jié)。這是由于，這些問題對本書曾經(jīng)很充分，而且很多現(xiàn)代地震學(xué)的主要研討也都只用了走時資料。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論二、地球介質(zhì)的變化特征 地震波的傳播主要取決于地震波的速度,地震波的速度與地

11、球介質(zhì)相關(guān)。 地球內(nèi)部介質(zhì)性質(zhì)的變化,主要有以下情形： 上下介質(zhì)的性質(zhì)、形狀迥然不同,出現(xiàn)明顯的分界面,地震波速度出現(xiàn)階梯狀騰躍,如地殼與地幔、地幔與地核之間。地殼是固體,外核是液體,地幔介于固態(tài)與液態(tài)之間。 上下介質(zhì)的形狀根本一樣,但性量變化顯著,呈現(xiàn)明顯的分界面,如地幔中的細(xì)層之間的分界面，地震波在分界面上的速度也有顯著的變化。 在同一層內(nèi),地球介質(zhì)也不是均勻分布的。普通來講,由于地球介質(zhì)是分層均勻、各向同性的,地球介質(zhì)的密度、彈性參數(shù)等隨深度添加而添加,地震波速度也隨深度的添加而添加。但有兩種特殊情形：一種是速度隨深度添加而減小(稱為低速層),另一種是隨著深度添加速度異常添加(稱為高速層

12、)。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 地震波入射到層之間的界面上時, 會產(chǎn)生折射、反射和波型轉(zhuǎn)換等景象。 取自在外表為xz平面，z軸垂直向下，入射面為垂直面xz。L為P波傳播方向，N垂直于L。S波分解為SV波和SH波，SV波為入射面內(nèi)的橫波分量，沿N方向，SH為垂直入射面的橫波分量。三、地震波的折射、反射和轉(zhuǎn)換1. 近震情況地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 對于近震而言,地球的分層界面可以視為程度的。P波入射時,界面上會產(chǎn)生反射P波、折射P波,反射轉(zhuǎn)換SV波和折射轉(zhuǎn)換SV波,SV波入射時與P波類似；SH波入射時只需反射SH波和折射SH波產(chǎn)生,沒有轉(zhuǎn)換波出現(xiàn)

13、。由于程度面內(nèi)振動的SH波不能夠引起垂直面內(nèi)振動的P波和SV波。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論1V2V122221111)sin()sin()sin()sin(VVVV212P1S1P2S2地震波在介面上的反、透地震波在介面上的反、透射射地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論射線參數(shù)pVVtinc21)sin()sin( p 是射線參數(shù)。 對于給定的射線, 射線參數(shù)是一常數(shù)，即在射線傳播過程中堅持不變。地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論臨界透射2

14、1)sin()sin(VVtinc當(dāng) V2 V1 時,存在臨界角c滿足：cincot and 90即：21)sin(VVc問題： 此時射線參數(shù)為何值？地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論2211)sin()sin(VVVptinc首波的射線參數(shù)首波的射線參數(shù)ot90 因為：地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論cABV2V1ocABV2V1oV2V1存在臨界角 , 滿足: c21)sin(VVccABV2V1OcPV2地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論cABV2V1OcPV2練習(xí)練習(xí) 2 2： 利用費爾

15、馬原理證明上述首波的存在及利用費爾馬原理證明上述首波的存在及其特殊的傳播途徑。其特殊的傳播途徑。xyL-x-yLhr提示：可先思索如下途徑射線的走時，再求極值。地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 對于遠(yuǎn)震而言對于遠(yuǎn)震而言,地球曲率不能忽略地球曲率不能忽略,地球介質(zhì)性質(zhì)隨地球介質(zhì)性質(zhì)隨深度的變化也應(yīng)加以思索。球?qū)ΨQ介質(zhì)中的地震射線深度的變化也應(yīng)加以思索。球?qū)ΨQ介質(zhì)中的地震射線2.2.遠(yuǎn)震情況遠(yuǎn)震情況地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論球?qū)ΨQ介質(zhì)中球?qū)ΨQ介質(zhì)中Snell定律定律1v2v3vdr1r21i2i1aoCAB2111)sin()sin(vavi)sin()s

16、in(2211irard222211111)sin()sin()sin(virvarvirpvirvir222111)sin()sin(地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論球?qū)ΨQ介質(zhì)中球?qū)ΨQ介質(zhì)中Snell定律定律1v2v3vdr1r21i2i1aoCABprvrir)()(sinnnnvirvirvirsinsinsin222111prvrir)()(sin在射線傳播過程中是一不變量。射線參數(shù)地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 以觀測點的震中距為橫坐標(biāo),地震波到達(dá)時間為縱坐標(biāo),繪成的曲線稱為走時曲線。地震波到達(dá)時間與震中距關(guān)系的方程稱為走時方程。 四、地震波的走

17、時曲線和走時方程 1.1.程度層狀介質(zhì)程度層狀介質(zhì)1 1單層地殼介質(zhì)模型中地震波震相單層地殼介質(zhì)模型中地震波震相與走時曲線與走時曲線 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論、震源在地表h=0走時方程：走時方程： T-X 關(guān)系關(guān)系地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論T=X/V1地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論反射波的走時方程1地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論反射波的走時方程2 走時方程：走時方程：T-X 關(guān)系關(guān)系221)2/(2)(XhVXT102)0(VhXTt12211)2/()2/(VXhVXdXdTXas T0X0001TXV

18、 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論首波的走時方程走時方程：走時方程：T-X 關(guān)系關(guān)系21)tan(2)cos(2)(VhXVhXTcc21VdXdTcXXfor )tan(2 ,cchXwhere地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論直達(dá)波、反射波和首直達(dá)波、反射波和首波波MX練習(xí)練習(xí) 3： 證明：當(dāng)震中距證明：當(dāng)震中距X大大 于一定值于一定值 時，首時，首波波 將最先到達(dá)；并求將最先到達(dá)；并求出出 。MXMX地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論、震源不在地表h0地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論V1XsXTSlope=dT/dX=1

19、/V122112211( )( )PSXhXTXhXhXTXh當(dāng)近似成立當(dāng)近似成立1 111() 8/()()sPsPXT Tkms T T （）估算震中距地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論反射波的走時方程為：22112211(2)( 2)(2)( 2)PmPSmSXHhXTXHhXHhXTXHh當(dāng)當(dāng)我們?nèi)菀卓闯?，反射波走時曲線在震中距較大的地方將趨近于直達(dá)波的走時曲線。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論不難推出首波走時方程為： 2121tan)2(cos2tan)2(cos2VihHXiVhHTVihHXiVhHTccSnccPn地震概論第三章第三章 地震波

20、傳播理論地震波傳播理論11222122ccHH tgi1c 設(shè)地殼厚度為H，并思索地表震源這種簡單情形， 不難得到首波出現(xiàn)的臨界震中距 震中距小于的范圍稱為首波的盲區(qū)，在此范圍內(nèi)不會出現(xiàn)首波。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論2211222cosccccH tgiHi121222Hc 震中距超越一定臨界值時，Pn將是地震圖上記錄的第一個震相，從而可以清楚的識別出Pn震相，這個臨界間隔稱為首波的第二臨界震中距，記為 對地表源，由直達(dá)波和首波的走時方程不難得到： 即有： 2c地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論 假設(shè)有n個平行層,每層的介質(zhì)都是均勻和各向同性,各層的

21、厚度分別為h1,h2, hn,速度分別為V1,V2,Vn。取直角坐標(biāo)系,將x軸與y軸置于自在外表,z軸垂直向下。 2 2多層介質(zhì)地震波的傳播情況多層介質(zhì)地震波的傳播情況22kkkkks =h /cosi =h / 1-P Vn1k212k2kkn1k212k21kk)VP1 (VPhx)VP1 (Vhth02122h021221dz)VP1 (PVxdz)VP1 (VtV=V(z)情況下： 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論2.2.球?qū)ΨQ介質(zhì)球?qū)ΨQ介質(zhì) 地球可以近似地以為是由無數(shù)個同心球殼或延續(xù)變化的球?qū)ΨQ介質(zhì)組成的。對于遠(yuǎn)震思索到曲率的緣由，不能簡化為程度層狀介質(zhì)。 rdri

22、cosisind222222r /VP1V1dtVPrrPVdRr222Rr222MMdrr /VP1V12tdrVPrrPV2Rr222Rr22MMdrPr2tdrPrP2Vr令 那么有地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論介質(zhì)存在高速層時地震射線的時距曲線時(間)(震中)距曲線 走時方程地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論介質(zhì)存在低速層時地震射線的時距曲線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論實例實例 1: 北美地盾模型北美地盾模型地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論介質(zhì)存在高速層時地震射線的時距曲線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地

23、震波傳播理論介質(zhì)存在低速層時地震射線的時距曲線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論實例實例 2: 地球深部構(gòu)造及地震射線地球深部構(gòu)造及地震射線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論第三節(jié)第三節(jié) 體波各種震相和走時表體波各種震相和走時表 通常把在地震圖上記錄到的不同振動類型或經(jīng)過不同途徑的波所引起的一組一組的振動叫震相。 地震學(xué)的一個主要目的就是解讀地震記錄的各個震相，并從中得到記錄所攜帶的地球內(nèi)部信息和震源信息。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論一、近震體波震相一、近震體波震相 對于近震，最主要的速度延續(xù)面就是莫霍面了。以Pg、Sg表示地殼內(nèi)由震源發(fā)

24、出直接到達(dá)地面的縱波和橫波。P、S波到達(dá)莫霍面后的反射波有能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波，因此經(jīng)莫霍面的反射波表示為PmP、PmS、SmP、SmS。而經(jīng)莫霍面的首波那么表示為Pn、Sn。 地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論下地幔、地核構(gòu)造及地震射線下地幔、地核構(gòu)造及地震射線震相： P S p s K I J c i二、遠(yuǎn)震體波震相二、遠(yuǎn)震體波震相地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論下地幔、地核構(gòu)造及地震射線下地幔、地核構(gòu)造及地震射線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論下地幔、地核構(gòu)造及地震射線下地幔、地核構(gòu)造及地震射線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理

25、論地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論下地幔、地核構(gòu)造及地震射線下地幔、地核構(gòu)造及地震射線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論下地幔、地核構(gòu)造及地震射線下地幔、地核構(gòu)造及地震射線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論下地幔、地核構(gòu)造及地震射線下地幔、地核構(gòu)造及地震射線P wave shadow zoneS wave shadow zone地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論全地球模型中主要地震射線全地球模型中主要地震射線地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論全地球模型中地震波傳播全地球模型中地震波傳播地震概論第三章第三章 地震波

26、傳播理論地震波傳播理論地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論三、幾個主要震相的特征三、幾個主要震相的特征 P：在震中距為100度的范圍內(nèi)，P將作為地震記錄的第一個震相明晰地顯示出來。一超越103度，其振幅就變小，這是由于進(jìn)入地核的陰影區(qū)所致。當(dāng)看到弱小的波時，普通以為那是在核幔邊境上由于衍射而產(chǎn)生的，這類似于莫霍面衍射的Pn波。S：在震中距最大為100度的范圍內(nèi)，S往往以比P還大的振幅在地震記錄上顯示出來。超越100度時，雖然開場進(jìn)入了地核隱區(qū)。PP、SS地面反射波：這兩個震相在震中距超越20度是就開場與P或S分別。pP、sS：當(dāng)發(fā)

27、生深震時，在30-100度附近，在P、S之后可以明晰的顯示出來。pP和P的到時差，以及sS和S的到時差，往往隨著震源深度不同而差別很大，因此對確定震源深度非常有用。PcP、ScS、pPcP、sScS外核反射波：PcP、ScS或者是PcS、ScP常在震中距在30-40度左右顯示出來。地震概論第三章第三章 地震波傳播理論地震波傳播理論四、地震走時表四、地震走時表 地震波在不同震中距上傳播的時間表。地震波在不同震中距上傳播的時間表。 走時表中各種震相的走時走時表中各種震相的走時,是根據(jù)地震圖是根據(jù)地震圖(即地震即地震波形的記錄波形的記錄)中各種震相的到時來編制的。中各種震相的到時來編制的。 為了準(zhǔn)確地編制走時表，需求聚集大量的地震為了