地震波特性和其傳播方式g.瞬時相位

1、地震波特性和其傳播方式g.瞬時相位地震勘探示意圖地震勘探是當(dāng)前油氣、煤炭勘探中 最重要的一種方法。它根據(jù)巖石彈性差異，研究人工激發(fā)的地震波在地質(zhì)介質(zhì)中傳播的規(guī)律，以查明地下地質(zhì)構(gòu)造的方法。由于地震波傳播的路徑、速度、能量、波形等隨通過介質(zhì)的彈性、幾何結(jié)構(gòu)和形態(tài)不同而異，由傳播時間、速度介質(zhì)結(jié)構(gòu)能量、頻率、速度及其它特征地層、巖性 什么叫地震勘探？2.地震波及其傳播2.1 地震波的生成、類型2.2 地震波傳播的基本原理2.3 地震波的能量與衰減2.4 地震波的反射、透射和折射2.5 菲涅耳帶的概念2.6 地震道的生成2.7 煤層反射波2.1 地震波的生成、類型2.1.1 地震波的生成2.1.2

2、地震波的類型2.1.3 地震波的波形圖和波剖面圖2.1.4 有效波與干擾波2.1.1 地震波的生成什么叫地震波人工激發(fā)的、在地質(zhì)介質(zhì)傳播的機(jī)械振動。人工激發(fā)的方式：炸藥震源非炸藥震源氣槍（氣爆）電火花可控震源敲擊炸藥震源地震波的形成當(dāng)炸藥爆炸瞬間釋放大量高溫、高壓的氣體作用于周圍介質(zhì)，在距震源較遠(yuǎn)的介質(zhì)只受到瞬間、小的作用力而產(chǎn)生彈性形變，質(zhì)點隨之振動，并向外傳播而形成地震波?？v、橫波同時激發(fā)震源及周圍介質(zhì)的性質(zhì)缺乏球?qū)ΨQ性，震源激發(fā)時，既產(chǎn)生體積形變也產(chǎn)生形狀形變，因此既產(chǎn)生P-，也產(chǎn)生S-波。通常由于波本身的特征、接收地段和設(shè)備所限，往往主要接收的是縱波。2.1.2 地震波的類型 地震波一

3、般認(rèn)為是一類彈性波，是質(zhì)點振動在地質(zhì)介質(zhì)中的傳播。常分為以下三類：縱波Primary wave橫波Shear wave面波Surface wave它們具有不同的特點、以不同的速度、按各自固有的規(guī)律在地質(zhì)介質(zhì)中傳播。地震波的類型表中，、拉梅系數(shù)；密度； vPvSvR地震波類型形成機(jī)制質(zhì)點振動方向速度縱波Primary wave體積形變與傳播方向相同橫波Shear wave形狀形變與傳播方向垂直面波Surface wave在界面附近，由P、S波干涉形成，局限在界面附近傳播見后 vPvSvR(a) P 波(b) SV 波(c) SH 波體波質(zhì)點振動體波質(zhì)點振動(a) P 波(b) SH 波(c) S

4、V 波體波質(zhì)點振動面波質(zhì)點振動面波（瑞雷波、地滾波）P+SV拉夫波 P+SH2.1.3 地震波的波形圖激發(fā)的地震波在3D空間傳播，其振動對于1D的情況，波形圖波形指某質(zhì)點振動隨時間變化的關(guān)系。 2.1.3 地震波波剖面圖波剖面波剖面指地震波傳播過程中，某一時刻整個介質(zhì)振動分布情況。對于1D的情況，有波的速度波的同一相位（部位）在單位時間沿射線移動的距離。波的速度將波形與波剖面聯(lián)系起來。波的速度2.1.4 有效波與干擾波有效波 通常包括：反射波（含有關(guān)回轉(zhuǎn)波、繞射波）折射波干擾波 通常包括：規(guī)則干擾：多次波、面波、聲波等與激發(fā)有關(guān)的非規(guī)則干擾：隨機(jī)干擾、環(huán)境噪音 干擾波與有效波不完全是絕對的。如

5、面波、多次波橫波、轉(zhuǎn)換波、折射波與反射波。 選擇壓制的依據(jù)：頻譜、傳播路徑等特征。波場試驗記錄聲波、面波折射-折射、微震各種地震波頻譜特征地震波的頻譜特征地震波的視速度特征有效波面波工業(yè)電淺層折射微震聲波2.2 地震波傳播的基本原理2.2.1 地震波前與射線2.2.2 地震波傳播的基本原理惠更斯原理費馬原理疊加原理互換原理2.2.1 地震波前與射線波前與波前圖波前地震波傳播過程中，擾動相位相等的面（等時面）。在均勻各向同性介質(zhì)中，它是以震源為中心的球面，它隨時間向外移動，其方向與波前本身垂直。波前圖從震源出發(fā)每個時刻波前位置圖的集合。波前的形狀決定于速度的分布。射線始終與波前垂直的線。可能是直

6、線、折線和曲線等。波前、波尾、擾動帶、射線震源球面波前與平面波前均勻各向同性介質(zhì)中，在t時刻，以r為半徑的球殼上，具有相同的波場值，該球殼就是該時刻的波前面。任意一條半徑都是波的射線。當(dāng)半徑很大、很大時，取一小片球面，其實非常接近平面。這時，可以用平面波代替球面波進(jìn)行研究。2.2.2 地震勘探基本原理惠更斯原理 Huygens principle費馬原理 Fermats principle疊加原理 Superposition principle互換原理 Reciprocity principle惠更斯原理 Huygens principle惠更斯原理 前進(jìn)波前上任意點都看作是次生波源，而且下一

7、個時刻波前就是所有該時刻次生波前的包絡(luò)?；莞乖恚ɡm(xù)）V=cVcV1/V2t+ttttt+tt+t費馬原理 Fermats principle費馬原理兩點之間地震能量傳播的路徑是最小時間的射線路徑。在多層介質(zhì)中，它通常是折線或曲線，而不是距離最短的直線。因為沿射線旅行時間最短，費馬原理也叫最小時間原理。疊加原理 Superposition principle疊加原理兩個或多個同時存在的原因產(chǎn)生的結(jié)果，可以通過各個原因單獨產(chǎn)生的結(jié)果求和得到。這里，隱含著線性關(guān)系?；Q原理 Reciprocity principle互換原理 震源與接收點互換，其波的傳播路徑相同，效果（旅行時、位移、波形）一樣，

8、產(chǎn)生相同的地震道。特點 在于其普遍性。它不僅適用于任意邊界的彈性介質(zhì)，也適用于非均勻、各向異性介質(zhì)。應(yīng)用面波的壓制 大家知道面波的振幅（或能量）沿深度增加按指數(shù)迅速衰減；利用互換原理，加深震源，就可以有效壓制所生成的面波。折射（反射）波的互換，其互換時間相等（炮點與檢波點互換時）。 2.3 地震波的能量與衰減地震反射波的能量隨著它在地下的傳播不斷衰減，主要由四部分組成：幾何發(fā)散透射損失反射損失介質(zhì)的吸收衰減散射等其它地震波的能量和衰減能量密度球面幾何發(fā)散吸收衰減吸收和擴(kuò)散的相對重要性能量密度波通過介質(zhì)，產(chǎn)生與介質(zhì)波動有關(guān)的能量。能量密度定義：單位體積內(nèi)的能量。能量=動能+勢能。質(zhì)點振動過程中，

9、動能與勢能相互轉(zhuǎn)換：位移0，勢能0，動能max；位移max ，勢能max，動能0?？偰芰康扔趧幽軀max。公式可見，能量密度與波的振幅和頻率的平方成正比，與介質(zhì)的密度成正比。能量密度 一個諧波在介質(zhì)中傳播，其體積 的動能 為則，單位體積內(nèi)的動能是于是，諧波的能量密度為能流密度（能量強(qiáng)度）定義：在單位時間內(nèi)，垂直于波傳播方向的單位面積上能量的通量。 計算：沿波傳播方向取一個小圓柱體，斷面積為 ，長度為 時間內(nèi)傳播的距離。柱體內(nèi)任意時刻，其總能量為 ，在 時刻，柱內(nèi)所有能量從柱體一端流出，則 對于球面波，其波前從震源向外擴(kuò)散，在對應(yīng) 、 波前面上取面積 、 ，單位時間內(nèi)流過二面積的能量必定相等，總

10、流通量是能量強(qiáng)度和面積的乘積。因此有 ，最后得 幾何擴(kuò)散使球面波強(qiáng)度和能流密度都隨距離 的平方成反比衰減，或振幅與距離 成反比衰減，這種現(xiàn)象稱球面擴(kuò)散。平面波的能量不發(fā)散，所以其能量強(qiáng)度是常數(shù)。能量比或能量強(qiáng)度比常用dB表示，有因為能量和能量強(qiáng)度與振幅的平方成反比，所以有實際地震波速度隨深度增加，使得地震波擴(kuò)散更快。這時盡管波前已經(jīng)不是球面了，卻仍然使用“球面擴(kuò)散”。幾何擴(kuò)散吸 收吸收 地震波在介質(zhì)中傳播時一部分能量轉(zhuǎn)換為熱能的過程。吸收系數(shù)，衰減系數(shù) 如果振幅表達(dá)為它是振幅因吸收而歲距離指數(shù)衰減的因子。它與頻率有關(guān)，一般呈線性，有時呈平方關(guān)系。吸收系數(shù)與介質(zhì)的品質(zhì)因子有如下關(guān)系品質(zhì)因子 定義

11、 巖石的 值變化于50-300左右。巖石的品質(zhì)因子及吸收系數(shù)巖 石巖漿巖75l500.040.02沉積巖20l500.160.02含氣巖石5500.630.06吸收衰減與頻率地震波的吸收衰減與波前擴(kuò)散衰減 設(shè)頻率 Hz炮檢距 xl， m25050075010001500300010.0100.0270.0440.0610.0950.198100.1020.2730.4430.6410.9551.980250.2600.6801.1101.5302.3904.940500.5101.362.2203.0704.7709.890吸收dB750.7602.0503.3204.6007.16014.8

12、001001.0202.7304.4306.1409.55019.8001501.5304.0906.6509.20014.32029.7003003.0708.18013.30018.41028.64059.3205005.11013.64022.16030.68047.73098.860擴(kuò)散dBALL7.9613.9817.5020.0023.5029.50吸收和擴(kuò)散的相對重要性和比較吸收和擴(kuò)散作用的大小決定于地震波傳播的距離和頻率。當(dāng)頻率較低、距離不大時，波前擴(kuò)散比吸收作用大；隨著頻率升高、傳播距離增加，吸收損失增大，最終變成能量損失的主要因素。吸收使高頻衰減，導(dǎo)致地震波形隨距離變化，其

13、譜的能量向低頻移動。隨頻率衰減的因素不止吸收，因此，地震波實際衰減的程度比這還要高。2.4 地震波的反射、透射和折射2.4.1 斯奈爾定理 Snells law2.4.2 視速度定理 Apparent velocity2.4.3 反射波 Reflection2.4.4 透過波 Refraction2.4.5 折射波 Transmission2.4.1 斯奈爾定理 Snells lawSnells law（反射、折射定理） 當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ杏龅綇椥苑纸缑?，地震波要產(chǎn)生反射與透射，它們服從Snells law: 入射波反射波透射波界面介質(zhì)介質(zhì)1.斯奈爾定理 Snells law（續(xù)）入射線、反射線、

14、透射線與法線同在一個平面內(nèi)，該平面叫射線平面。射線平面垂直于界面，除界面水平外，射線平面不垂直界面。Comments:Snells law很有用，其用途：確定射線路徑；確定波的走時和利用走時確定界面位置。問題：不能給出反射波和透過波的振幅信息。 當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷涞浇缑嫔蠒r，將要產(chǎn)生波的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生4個二次波，波型與入射波相同的二次波叫同類波，否則，叫轉(zhuǎn)換波。 轉(zhuǎn)換波也服從Snelllaw嗎？它們要遵守廣義Snelllaw。射線平面 射線平面是由入射線、折射線、反射線和界面法線構(gòu)成的平面。因為它包含法線，它一定垂直于界面，但射線平面一般不垂直于界面，除非：界面傾角等于0；測線與地層傾向線重合。廣義斯奈

15、爾定理完整的表達(dá)式，見圖，考慮到界面上地震波型的轉(zhuǎn)換，則有稱著廣義斯奈爾定律。式中 稱著射線參數(shù)。在多層介質(zhì)情況下，同一條射線的射線參數(shù)不變2.4.2 視速度定理 Apparent velocity視速度地震波前沿地面地震測線移動的速度視速度界于真速度與無窮大之間。相應(yīng)的波前如何？2.4.3 地震反射波反射波 當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷涞揭粋€彈性分界面上時，要產(chǎn)生反射波返回地面。有 ，反射系數(shù)（垂直入射）其中， 叫波阻抗。反射波形成的條件界面兩側(cè)的 ；當(dāng) ，反射波與入射波同極性，否則，反極性； 越大，反射波越強(qiáng)。地震反射波 圖從反射可見：由于上復(fù)界面的反射，傳下去的能量越來越??；若上復(fù)界面有強(qiáng)反射面時，則更

16、明顯，這時該界面好象起到了一個“屏蔽”作用。界面反射能量界面第一種介質(zhì)第二種介質(zhì)速度密度速度密度砂巖在石灰?guī)r之上2.02.43.02.40.670.20.040石灰?guī)r在砂巖之上3.02.42.02.41.5020.040淺層界面2.12.42.32.40.930.0450.0021深層界面4.32.44.52.40.970.0220.0005“軟”海底1.51.01.52.00.500.330.11“硬”海底1.51.03.02.50.200.670.44海洋表面(從F面入射)1.51.00.360.00123800099940.9988低速帶底面0.51.52.02.00.190.680.4

17、7頁巖覆于含水砂巖之上2.42.32.52.30.960.020.0004頁巖覆于含氣砂巖之上2.42.32.21.81.390.160.027含氣砂巖在含會砂巖之上2.21.82.52.30.690.180.034請計算煤層頂?shù)椎姆瓷湎禂?shù)（圍巖3200，2.5; 煤層）典型的反射系數(shù)曲線非垂直入射時的能量分配 1在入射角較小時，所有能量集中在反射和透射P波，不產(chǎn)生S波。隨入射角增大，部分能量分配給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波強(qiáng)。這時，在大炮檢距時，能記錄到轉(zhuǎn)換波PS波非垂直入射時的能量分配 2情況與上相反。由于 在入射角較小時，P波反射系數(shù)基本為零。隨入射

18、角增加，S波能量在增加；當(dāng)P波接近臨界角時透射P波能量迅速降為零；入射角再增大，透射P波就不存在。在接近臨界角時，反射P,S波的能量都在增強(qiáng)（即廣角反射）。若達(dá)到S波的臨界角， 轉(zhuǎn)換S波就會變?yōu)榱?。非垂直入射時的能量分配 3若速度比為1，無反射。只要不等1，反射能量都中間增加。如果 ，在P,S波臨界角處分別產(chǎn)生一個峰值。若 ，隨入射角增大，反射能量平滑下降；但比值越小，能量越強(qiáng)。非垂直入射時的能量分配 42.4.4 透過波透過波 當(dāng)有波從波阻抗界面的一側(cè)入射到界面上，將有部分能量透過界面，在該界面另一側(cè)繼續(xù)傳播，形成透過波。透過角與入射角的關(guān)系有透過系數(shù)法線界面入射波透過波2.4.5 折射波折

19、射波 當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷涞綇椥苑纸缑嫔袭a(chǎn)生反射波的同時，也產(chǎn)生透射波。如果 ，則有 。當(dāng) 時，則 。我們把形成滑行波的特殊角度 i 稱為臨界角，且有 這時，透過波在第二層介質(zhì)頂部平行界面，以速度v2傳播，形成滑行波，同時引起第一層介質(zhì)質(zhì)點的振動，形成以角方向返回地表，這個波叫做折射波。 折射波的形成臨界角有當(dāng)入射角大于臨界角時，則出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。折射波形成條件形成條件： （兩層介質(zhì)）（多層介質(zhì)）盲區(qū) 當(dāng) 時， t反=t折， 折射波剛形成，意味著在炮點附近區(qū)域觀測不到折射波。折射波不存在的區(qū)域叫折射波的盲區(qū)。 菲涅爾帶 Fresnel zone菲涅爾帶菲涅爾帶是反射界面的一部分。當(dāng)用射線描述波的傳播時

20、，意味著反射波只是由一個反射點產(chǎn)生的，但實際上反射波是由反射界面上相當(dāng)大的一個面積內(nèi)返回的能量疊加而成，到達(dá)同一檢波器反射波相位差不大于半個周期，這些波或多或少地可以相干干涉。產(chǎn)生相干干涉反射波的區(qū)域稱著菲涅爾帶。第一菲涅爾帶當(dāng)界面水平時，菲涅爾帶呈圓環(huán)狀。中央部分稱著第一菲涅爾帶。第一菲涅爾帶對形成反射起著主要作用。第一菲涅爾帶的半徑式中， 分別代表深度、時間、平均速度和頻率。有效的半徑約為 。第一菲涅爾帶通常作為未偏移數(shù)據(jù)分辨率的標(biāo)準(zhǔn)。 箱形構(gòu)造的反射 測線過斷層的反射 150m1200m600m埋深 1500m120m要點：從菲涅爾帶的概念來研究問題小結(jié)反射界面上第一菲涅耳帶范圍內(nèi)的反射

21、在半個周期之內(nèi)到達(dá)反射點，相長疊加干涉。因此以此作為疊加或偏移前水平分辨率的標(biāo)準(zhǔn)。偏移，理論上聚焦到反射點，其水平分辨率應(yīng)該很高。 地震道的生成 單一界面的反射兩個界面的反射與疊加地震道信號生成原理地震道的數(shù)學(xué)表達(dá)合成地震記錄能量和頻率隨深度下降單一界面的反射兩個界面的反射與疊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組抗分界面；反射強(qiáng)弱正比于反射系數(shù)；反射波形的極性決定于反射系數(shù)的極性；最終被接收點的檢波器接收，自然進(jìn)行了疊加，形成一個地震道信號。在數(shù)學(xué)上，就是“褶積”，即地震道的信號就是子波與地下反射系數(shù)序列的褶積。地震道子波地震道的數(shù)學(xué)表達(dá)最終，地震信號是地震道生成的原理圖合成地

22、震記錄注意：氣、水層和膏鹽層的反射反射波能量和頻率隨深度下降地面頻率隨深度迅速降低反射波主頻隨旅行時的變化小結(jié)當(dāng)?shù)卣鸩ㄏ蛳聜鞑ミ^程中，遇到波阻抗分界面時，產(chǎn)生反射，返回地表。反射波的極性決定于反射系數(shù)，它的振幅與反射系數(shù)成正比。若有多個界面，則將由淺到深順序產(chǎn)生多個反射波，先后返回地表，被分離埋置的檢波器接收，按不同到達(dá)時進(jìn)行疊加在一起，依次轉(zhuǎn)換為電信號輸出，形成地震道。信號出現(xiàn)時間決定于旅行的路程，信號的出現(xiàn)以振動能量突然增強(qiáng)為特征。不同界面返回地震波在檢波器中疊加，在數(shù)學(xué)上就是反射系數(shù)序列與地震子波的“褶積”運算。 煤層反射波2.7.1 煤層反射波的概念2.7.2 煤層反射波模型計算實例煤層厚度在煤層頂?shù)状_定的正常振幅2.7.1 煤層反射波的概念煤層反射波主要與可采煤層有關(guān)的、強(qiáng)或較強(qiáng)的復(fù)合反射波。強(qiáng)度大 煤層的密度和地震波傳播速度明顯地低于圍巖(在l:2左右)。煤層頂、底界面的反射系數(shù)可高達(dá)01505，甚至更高。連續(xù)性好 主采煤層一般是厚度穩(wěn)定、連續(xù)性好的強(qiáng)反射層。復(fù)合波 煤層是典型的薄層，它的頂、底界面 都是強(qiáng)波阻抗分界面，對應(yīng)頂、底界面的反射波一般不能分辨而復(fù)合疊加。煤層反射波的本質(zhì) 煤層反射波實際上是由煤層頂、底界面不同極性