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1、关于地震波的基本概念第一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月课课 程程 内内 容容 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 第第6章章 地震资料构造解释地震资料构造解释第二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第第2 2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念第二节第二节 常速单界面的反射波路径及常速单界面的反射波路径及 数学表达式数学表达式第三节第三节 变速多
2、界面的反射波路径及变速多界面的反射波路径及 数学表达式数学表达式第四节第四节 地震折射波运动学地震折射波运动学第三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念一、地震波的基本概念一、地震波的基本概念二、地震波的传播规律二、地震波的传播规律三、地震波的类型三、地震波的类型第第2 2章章 地震波运动学理论地震波运动学理论第四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 地震波的运动学地震波的运动学（Kinematics of seismic wave)是研究地震波是研究地震波波前面的空间位置与其传播时间
3、的相互关系，它与几何光学相波前面的空间位置与其传播时间的相互关系，它与几何光学相似，是引用波前、射线等几何图形来描述波的运动过程和规律，似，是引用波前、射线等几何图形来描述波的运动过程和规律，因此也称几何地震学。因此也称几何地震学。一、地震波的基本概念一、地震波的基本概念1 1、地震波、地震波振动振动介质中每一个点围绕平衡位置的运动。介质中每一个点围绕平衡位置的运动。波动波动振动在介质中的传播过程。波动是一种不断变化、振动在介质中的传播过程。波动是一种不断变化、不断推移的运动过程。振动和波动的关系就是部分和整体不断推移的运动过程。振动和波动的关系就是部分和整体的关系。的关系。第五张，PPT共三
4、十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 振动总有一定的能量，既然波动是振动在介质中的传播过程，振动总有一定的能量，既然波动是振动在介质中的传播过程，那么伴随着振动的传播，当然也就有能量的传播。波动是能量传那么伴随着振动的传播，当然也就有能量的传播。波动是能量传播的重要方式之一，其播的重要方式之一，其特点特点是：当能量在介质中通过波动从一是：当能量在介质中通过波动从一个位置传到另一个位置时，介质本身并不传播。个位置传到另一个位置时，介质本身并不传播。弹性理论的研究表明弹性理论的研究表明，每种物体在外力作用下，整体表现为弹，每种物体在外力作用下，整体表现为弹
5、性还是塑性主要取决于具体的条件，例如物体本身的物理性质，性还是塑性主要取决于具体的条件，例如物体本身的物理性质，作用力的大小和特点（延续时间的长短、变化的快慢等），以作用力的大小和特点（延续时间的长短、变化的快慢等），以及所处的外界环境（温度、压力等）。在压力很大、作用时间及所处的外界环境（温度、压力等）。在压力很大、作用时间很长的条件下，大部分物体都表现为塑性性质。反之，在外力很长的条件下，大部分物体都表现为塑性性质。反之，在外力很小、作用时间很短的情况下，大部分物体都具有弹性性质。很小、作用时间很短的情况下，大部分物体都具有弹性性质。第六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一
6、节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 在压力很大、作用时间很长的条件下，大部分物体都表现在压力很大、作用时间很长的条件下，大部分物体都表现为塑性性质。反之，在外力很小、作用时间很短的情况下，为塑性性质。反之，在外力很小、作用时间很短的情况下，大部分物体都具有弹性性质。大部分物体都具有弹性性质。物体受力的三种状态：物体受力的三种状态：弹性形变弹性形变塑性形变塑性形变永久形变永久形变 ef第七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 地震勘探中地震勘探中形成地震波的过程形成地震波的过程是：若激发方是：若激发方式为炸药爆炸，那么在炸药包附近式为
7、炸药爆炸，那么在炸药包附近,爆炸产生爆炸产生的强大压力大大超过岩石的极限强度的强大压力大大超过岩石的极限强度,岩石岩石遭到破坏形成一个遭到破坏形成一个破坏带破坏带。随着离开震源距。随着离开震源距离的增大，压力减小离的增大，压力减小,但仍超过岩石的弹性限但仍超过岩石的弹性限度，该范围岩石发生塑性形变，形成一些辐射状度，该范围岩石发生塑性形变，形成一些辐射状或环状裂隙的或环状裂隙的塑性带塑性带。再向外。再向外,压力降低到弹性压力降低到弹性限度以内限度以内,又因为炸药爆炸所产生的是一个延续时又因为炸药爆炸所产生的是一个延续时间很短的作用力间很短的作用力,该区域的岩石发生弹性形变该区域的岩石发生弹性形
8、变,即为即为弹性带弹性带。由此可见由此可见,地震波就是一种在岩层中传播的弹地震波就是一种在岩层中传播的弹性波性波。图图2-1-1 2-1-1 爆炸产生的爆炸产生的三个带三个带 第八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2、波前、波后和波面、波前、波后和波面 波前波前介质中的各点刚刚开始振动，这一曲面介质中的各点刚刚开始振动，这一曲面S2称作波在称作波在t1时刻的波前或波阵面。时刻的波前或波阵面。波后波后在在V0和和V1的分界面的分界面S1上，介质中各点刚刚停止了振动，上，介质中各点刚刚停止了振动，这一曲面这一曲面S1叫做波在叫做波在t1时刻
9、的波后或波尾。不指明哪一个时时刻的波后或波尾。不指明哪一个时刻的波前和波后是没有意义的。刻的波前和波后是没有意义的。震震源源S1S2t1t2第九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念波面波面介质中每一个同时开始振动的曲面。在波的传播过介质中每一个同时开始振动的曲面。在波的传播过程中，波前将不断推进而扫过介质的全部。因此，波前在整程中，波前将不断推进而扫过介质的全部。因此，波前在整个介质中都留有遗迹。换句话说，通过介质中的任何一点，个介质中都留有遗迹。换句话说，通过介质中的任何一点，都有一个波面。在介质中任取一点都有一个波面。在介质中任取一点
10、P P，再找出介质中和，再找出介质中和P P点同点同时开始振动的那些点，将这些点连成一个曲面，就是通过时开始振动的那些点，将这些点连成一个曲面，就是通过P P点点的波面。由此可见，波面是波前的的波面。由此可见，波面是波前的“遗迹遗迹”，波面是同相的、，波面是同相的、等时的和静止的。等时的和静止的。S1S2t1t2第十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念按照波面的形状，可以对波进行分类。如果所有的波面都是球按照波面的形状，可以对波进行分类。如果所有的波面都是球面则为球面波；如果都是柱面则为柱面波；如果都是互相平行面则为球面波；如果都是柱面则
11、为柱面波；如果都是互相平行的平面就叫做平面波。波面的形状取决于波源的形状和介质的的平面就叫做平面波。波面的形状取决于波源的形状和介质的性质。性质。3 3、射线、射线在几何地震学中，通常认为波及其能量是沿着一条在几何地震学中，通常认为波及其能量是沿着一条“路径路径”从波源传到所考虑的一点从波源传到所考虑的一点P P，然后又沿着那条，然后又沿着那条“路径路径”从从P P点传向别处。这样的假想路径就叫做通过点传向别处。这样的假想路径就叫做通过P P点的波线或点的波线或射线射线。在波动所及的介质中，通过每一点都可以设想有这么一条波线。在波动所及的介质中，通过每一点都可以设想有这么一条波线。在各向同性介
12、质中，波线和所过各点处的波面相垂直。例如，在各向同性介质中，波线和所过各点处的波面相垂直。例如，在均匀介质中的球面波，波线就是从波源向外的半径，这就是在均匀介质中的球面波，波线就是从波源向外的半径，这就是“射线射线”一词的由来。一词的由来。第十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念4 4、振动图与波剖面、振动图与波剖面 波动是一种很复杂的运动过程。波动是一种很复杂的运动过程。在这种过程中，介质中的无数在这种过程中，介质中的无数个小部分都在振动，而且不同部个小部分都在振动，而且不同部分的振动还可以在相位、强度等方面有所不同。这样复杂的分的振
13、动还可以在相位、强度等方面有所不同。这样复杂的运动，是不能用单独一条曲线来描述其全过程的。例如，指运动，是不能用单独一条曲线来描述其全过程的。例如，指定了一个点定了一个点P P1 1,它的振动可以用一条振动曲线来反映，如上它的振动可以用一条振动曲线来反映，如上图所示。但是，这样的任何一条曲线，只是反映无限多个图所示。但是，这样的任何一条曲线，只是反映无限多个点中某一指定点而已。点中某一指定点而已。在地震勘探中，每个检波器所记录的，便是那个检波器所在点在地震勘探中，每个检波器所记录的，便是那个检波器所在点处的地面振动，它的振动曲线习惯上叫做该点的振动图。处的地面振动，它的振动曲线习惯上叫做该点的
14、振动图。第十二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 为了反映各点间的振动关系，常常采用描绘波形曲线的方法，为了反映各点间的振动关系，常常采用描绘波形曲线的方法，即把在同一时刻各点的位移画在同一个图上。选定一个时刻即把在同一时刻各点的位移画在同一个图上。选定一个时刻t t1 1，我们用纵坐标代表各物质小块离开平衡位置的位移，横坐标我们用纵坐标代表各物质小块离开平衡位置的位移，横坐标为各点的距离为各点的距离x x，就得到一条曲线。这条曲线就叫做波在，就得到一条曲线。这条曲线就叫做波在t t1 1时时刻沿刻沿x x方向的波形曲线。方向的波形曲线
15、。在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫做在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫做“波剖面波剖面”。第十三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月介质中不同点的振动曲线介质中不同点的振动曲线地面地面振动是一点的运动；振动是一点的运动；波动是振动的传播，即介质整体的运动。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。关。波速有限是波动的必要条件。波动伴随能量传播。波动伴随能量传播。第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念总总结结第十四张，PPT共三十一页，创作于20
16、22年6月振动曲线：表示质点振动的曲线。振动曲线：表示质点振动的曲线。振动图：检波器所在点的振动曲线。振动图：检波器所在点的振动曲线。波形线：同一时刻各点的位移绘制在一个图上得波形线：同一时刻各点的位移绘制在一个图上得到的曲线。到的曲线。波剖面：沿测线的波形曲线。波剖面：沿测线的波形曲线。总总结结地面地面t1时刻波剖面t2时刻波剖面第十五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念5、地震子波、地震子波(wavelet)爆炸脉冲的变化如右图所示。爆炸脉冲的变化如右图所示。具有多个相位、延续具有多个相位、延续60100毫毫秒的稳定波形（图秒的稳定波
17、形（图c）称为）称为地震子波地震子波。如果把某个反射界面以上的地层介如果把某个反射界面以上的地层介质视为一个滤波器，该滤波器的输质视为一个滤波器，该滤波器的输入就是激发脉冲，入就是激发脉冲，其输出则为激发的单位脉冲通过该滤波器的时间响应，从这个意义其输出则为激发的单位脉冲通过该滤波器的时间响应，从这个意义上讲，上讲，地震子波地震子波就是地震能量由震源通过复杂的地下路径传播就是地震能量由震源通过复杂的地下路径传播到接收器所记录下来的质点运动速度到接收器所记录下来的质点运动速度(陆上检波器陆上检波器)或压力或压力(海上海上检波器检波器)的远场时间域响应。的远场时间域响应。第十六张，PPT共三十一页
18、，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 广泛用于地震正演模型计算和地震资料解释中的雷克广泛用于地震正演模型计算和地震资料解释中的雷克（Ricker）子波，在时间域可表示为：）子波，在时间域可表示为：在频率域可表示为：在频率域可表示为：式中式中f(t)与与F(f)互为傅立叶变换，互为傅立叶变换，fp为频谱的峰值频率。为频谱的峰值频率。第十七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念雷克子波的基本图形如下图所示，雷克子波的基本图形如下图所示，(a)(a)是子波波形，是子波波形，(b)(b)是振是振幅谱。雷克子波是零
19、相位子波，故其相位谱恒为零。幅谱。雷克子波是零相位子波，故其相位谱恒为零。第十八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念6 6、描述波动的特征量、描述波动的特征量常见的术语：频率、周期、振幅、波长、速度、视速度、常见的术语：频率、周期、振幅、波长、速度、视速度、视波长。视波长。正弦波：质点振动为简谐振动的波。正弦波：质点振动为简谐振动的波。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，则讨论的是视速度和视波长。方向，则讨论的是视速度和视波长。tTA第十九张，PPT共三十一页，创作
20、于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念视波长与真波长、视速度与真速度的关系：视波长与真波长、视速度与真速度的关系：式中式中是波的入射角（射线与界面法线的夹角）。是波的入射角（射线与界面法线的夹角）。因为因为sin1，所以，所以Va和和a不小于它们的真实速度不小于它们的真实速度V和波长和波长。第二十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念二、地震波的传播规律二、地震波的传播规律 1、反射定律、反射定律 由实验总结得出的由实验总结得出的反射定律反射定律如如下：反射线位于入射平面内，下：反射线位于入射平面内，反射角等于入
21、射角，即反射角等于入射角，即 。射线平面与界面的关系分射线平面与界面的关系分以下两种情况加以讨论：以下两种情况加以讨论：R第二十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念水平界面的射线平面水平界面的射线平面 测线垂直界面走向的倾斜界面，测线垂直界面走向的倾斜界面，既垂直界面也垂直地面既垂直界面也垂直地面 射线平面既垂直界面也垂直地面射线平面既垂直界面也垂直地面 第二十二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念测线不垂直界面走向的倾斜界面，射线平面垂直界面，测线不垂直界面走向的倾斜界面，射线平
22、面垂直界面，但不垂直地面。但不垂直地面。第二十三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念2 2、透射定律、透射定律 由实验总结得出的由实验总结得出的透射定律透射定律如下：透射线也位于入射面内，如下：透射线也位于入射面内，入射角的正弦与透射角的正弦之比等于第一、二两种介质中的入射角的正弦与透射角的正弦之比等于第一、二两种介质中的波速之比，即：波速之比，即：若把上式改写成如下形式：若把上式改写成如下形式：或或此式表明：沿着界面，波在两种介质中传播的视速度是相等的。此式表明：沿着界面，波在两种介质中传播的视速度是相等的。第二十四张，PPT共三十一页
23、，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念 由右下图可以看到所谓由右下图可以看到所谓全反射全反射现象的存在。如果现象的存在。如果V2V1，则，则有有sin2sin1，即，即21；当；当1增大到一定程度但还没到增大到一定程度但还没到90o时，时，2已经增大到已经增大到90o这时透射波在第二种介质中沿界面这时透射波在第二种介质中沿界面“滑行滑行”，出，出现了现了“全反射全反射”现象，因为现象，因为1再增大，就不能出现透射波了。再增大，就不能出现透射波了。开始出现开始出现“全反射全反射”时时的入射角叫做临界角；的入射角叫做临界角；因为这时因为这时2=90o，sin2=1
24、，所以临界角，所以临界角c满足下列关满足下列关系式：系式：全反射示意图全反射示意图第二十五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念3、斯奈尔（、斯奈尔（Snell）定律）定律 设各层的纵波、横波速度分别用设各层的纵波、横波速度分别用Vp1，Vs1，Vp2，Vs2，.Vpi，Vsi表示，表示，下标代表各种波的入射角，则斯奈尔定律可表下标代表各种波的入射角，则斯奈尔定律可表示为：示为：式中式中P称为射线参数。在水平层状介质中，当波的某条射线称为射线参数。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以某一角度入
25、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上式决定，这条射线就对应于一个射线参数值Pi。第二十六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念4、费马（、费马（Fermat）原理）原理 费马原理较通俗的表达是：波在各种介质中的传播路径，费马原理较通俗的表达是：波在各种介质中的传播路径，满足所用时间为最短的条件。满足所用时间为最短的条件。费马原理示意图费马原理示意图 第二十七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念5 5、惠更斯（、惠更斯（Huygens）原理）原
26、理 惠更斯原理是利用波前概念来研究波的传播的。表述为：惠更斯原理是利用波前概念来研究波的传播的。表述为：在已知波前面（等时面）上的每一个点都可视为独立的、新在已知波前面（等时面）上的每一个点都可视为独立的、新的子波源，每个子波源都向各方发出新的波，称其为子波，的子波源，每个子波源都向各方发出新的波，称其为子波，子波以所在处的波速传播，最近的下一时刻的这些子波的包子波以所在处的波速传播，最近的下一时刻的这些子波的包络面或线便是该时刻的波前面。这样从前一个波前面位置移络面或线便是该时刻的波前面。这样从前一个波前面位置移到下一个波前面位置，如法炮制，便可得到介质中的等时面到下一个波前面位置，如法炮制
27、，便可得到介质中的等时面系，因而得到波在该介质中传播的全部特点。系，因而得到波在该介质中传播的全部特点。第二十八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念利用惠更斯原理求新波前利用惠更斯原理求新波前 第二十九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 几何地震学基本概念几何地震学基本概念三、地震波的类型三、地震波的类型按照波在传播过程中质点振动的方向来区分，可以分为纵波按照波在传播过程中质点振动的方向来区分，可以分为纵波和横波。和横波。按波动所能传播的空间范围来区分，地震波又可分为体波和面波。按波动所能传播的空间范围来区分，地震波又可分为体波和面波。按照波在传播过程中的传播路径的特点来区分，又可把地按照波在传播过程中的传播路径的特点来区分，又可把地震波分为直达波、反射波、透射波（透过波）、折射波等，震波分为直达波、反射波、透射波（透过波）、折射波等，如右图所示。如右图所示。按照波面形状来分，可按照波面形状来分，可以分为球面波、柱面波、以分为球面波、柱面波、平面波。平面波。第三十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第三十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月