1、KDZ1114-6A30便携式矿井地质探测仪专题培训,矿井震波探测技术,震波探测的基础理论 震波勘探概述 岩石的弹性及弹性波 地震波速度及影响因素 地震波的传播及衰减特征 地震波的运动学特点,震波勘探概述,地震勘探是根据地下介质弹性和密度差异，通过观测和分析地层对人工激发的地震波的振幅和走时响应推断地下岩层形态和性质的一种勘探方法。将地球介质考虑为弹性介质时，地震波近似为弹件波，考虑为声学介质时，地震波近似为声波。将同时研究介质的弹性和声学特征的勘探技术称为震波勘探。震波勘探已广泛应用于能源、矿产、工程、地质灾害和环境等社会领域并已取了辉煌的成就。,岩石的弹性及弹性波,岩石的弹性所谓弹性就是指
2、物体具有在外力作用下发生了形变，当外力去掉以后物体就立刻恢复原状的特性，其所发生的体积或形状的变化叫做弹性形变，这种介质称之为弹性介质。塑性指是的物体在外力作用下同样发生了形变，但当外力去掉后物体仍旧保持其受外力时的形状的特性，其所发生的形变称之为塑性形变，此时介质称之为塑性介质。自然界绝大多数物质同时具备弹性和塑性。地震勘探主要研究介质的弹性。,应力与应变：将单位长度所产生的形变 称为应变，将单位横截面所产生的内聚力F/S称为应力。有压缩应力与剪切应力之分，与之相对应有压缩形变与剪切形变。杨氏模量（E）：将应力与应变之比称之为 。杨氏模可作为物质阻抗应力的度量。剪切模量（ ）：表示物体受到剪
3、切力作用时剪切应力与剪切形 变之比 。它表示物体抗剪切形变的度量。,表示介质弹性的几个物理量,泊松比（ ）：介质的横向应变与纵向应变的比值称为 泊松比 。泊松比表示物质抗形变能力。体变模量（K）：表示固体受均匀流体压力时，所施加的压力 与体积相对变化之比 。K表示物体抗压性质，有时也称之为抗压缩系数。拉梅常数（ ）：表示横向拉应力与纵向应变之比。,几个弹性模量的关系,弹性波(地震波)的形成及类型,爆炸“三带”爆炸时存在的应力、应变应变的传播波,地震波的基本类型及其传播特征,地震波可分为体波和面波两大类。体波在介质的整个体积内传播，面波则沿介质的自由表面或两种不同介质的分界面传播。体波根据其传播
4、特征的不同，又可分为纵波和横波。面波根据其不同性质，又可分为瑞利波和勒夫波等。纵波传播路径上质点的振动方向和传播方向一致，横波的质点振动方向和传播方向垂直，面波质点振动呈螺旋轨迹。在同一波场下，纵波速度最快、频率最高。面波能量最强、横波次之、纵波能量最小。横波不能在流体中传播。,地震波的分类及传播特征,特征对比,分类,纵 波,横 波,波的传播方向,介质波速的表达式,横波速度：,纵波速度：,当泊松比从0.5减小到0横纵波速度比Vs /Vp从0增加到其最大值 。所以，横波速度的变化范围是纵波速度的070。对于流体来说， ，因而横波速度Vs=0。这也就是说，横波在液体里不可以传播。,大多数岩石（泊松
5、固体）的值在0.25左右 ，此时的,地震波速度及影响因素,横波、纵波 速度比：,介质定则速度定,岩性、骨架结构裂隙、孔隙度孔隙中充填物的影响风化、破碎带埋藏深度,地震波速度的影响因素,面波: 根据弹性力学理论，除了纵波和横波外还有两种仅存在与弹性分界面附近的波动瑞利波与勒夫波。它们的特点是沿界面传播，沿垂直于界面的方向逐渐消失（深度方向振幅呈指数衰减）。,瑞利波: 在地震勘探中，最重要的面波是瑞利波（Rayleigh waveR波），它沿固体介质的自由表面传播。尽管“自由”表面意味着真空，但空气的弹性系数和密度与固体岩石相比，低到了可以忽略的地步，所以地表面近似于一个自由表面。地滚波（grou
6、nd roll）是近似的瑞利面波。瑞利波能量随深度迅速衰减，一般只在离地面几十米的深度范围内能观测到。在传播时，岩石质点振动轨迹为一个向震源逆进的椭圆，椭圆平面与波传播方向一致，其长轴垂直于地面。其传播速度VR较低，只有同一介质中横波速度VS的0.9倍，即有 VR0.92VS =0.54VP 。,勒夫波（Love，1911）： 勒夫波（L波）是一种SH型的面波，它沿平行于界面的方向传播。勒夫波产生的条件是当一个半无限的介质有一个有限厚度的在自由表面处终止的地层所覆盖。,R波与L波的强度在一定条件时可以很大，甚至完全掩盖反射纵波。而它们与地下岩层构造特点并不相关。因此，在地面地震勘探中，它们是一
7、种干扰波，而反映地下岩层构造特点的反射波或折射波，被称为有效波。当然，这种概念是相对的，在煤矿井下采区中应用透射波法勘探煤层小构造时，在煤层内传播的面波将视为有效波加以利用。,地震波的动力学特点,弹性波动力学问题主要是研究波动的能量问题，这实际上就需要对波动的形状、强度变化、周期大小与激发状态和介质条件的关系，作全面的研究。因此，研究波的动力学问题就成为地震勘探中的一个基本问题。,振动图,当地震波从爆炸点开始向各个方向传播，利用检波器和地震仪记录由于地震波的到达而引起地面质点的振动情况，就得到地震记录，其中某一条曲线就是波到达某一检波点的振动图。因此，振动图又叫地震记录道。振动图就是表示的质点
8、振动位移随时间变化的图形称为地震波的振动图。在实际地震记录中，每一道记录就是一个观测点的地震波振动图。反映了地面某一质点的振动情况。,振动示意图,波动图,波动图则反映了波在传播过程中，在某一时刻整个介质振动分布的情况。,振动和波动的关系,下图以简谐振动为例表示出波动图和振动图之间的关系 ：横坐标表示位移，纵坐标表示时间。,可以用简单的话来说：波动是集体合影，随波不入流；振动是个人追踪。,地震波的运动学特点,目前，在生产实践中主要利用地震波波前的空间位置与其传播时间之间的关系，从空间几何形态方面去解决地质构造问题。地震波在传播过程中，波前的时空关系反映了质点振动位相（时间）随空间坐标及波速的分布
9、特点，这种特点叫做地震波运动学特点。研究地震波运动学特点的理论叫做运动地震学。它的基本原理与几何光学很相似，所以又被称为几何地震学。 弹性波运动学在地震勘探中具有重大的实际意义，它是当前地震勘探资料解释中的主要依据。 弹性波运动学的基本原理是惠更斯原理和费马原理。利用它可以确定波的传播时间与波前所在空间位置的关系。,基本概念,波前和波后：,设地下岩层是均匀的（即波的 传播速度为一常量），在0点爆炸，地震波就从爆炸点开始向地下各个方向传播。如果在某一时刻我们把空间中所有刚刚开始振动的点连接成曲面，则该曲面称为该时刻的波前面，简称波前。所有刚刚停止振动的点叫做波为波尾或波后。如图所示：,0,地面,
10、射 线：,就是波从一点到另一点传播的路径，它代表了波传播的方向射线应与各等时面的法线方向一致，即射线与各等时面正交。,等时面：,波前到达时间相等的点所构成的面称为等时面。波前面就是等时面。,基本原理,费马原理是1660年发表的几何光学的基本原理，它也是几何地震学的基本原理之一。费马原理又称射线原理，它给出地震波沿什么途径传播，才能保证波到达时所用的旅行时间最少这个准则。其内容是：波沿射线路径（比其他任何路径）传播所需时间最短，所以也称为时间最小原理。,费马原理(Fermats principle)（射线原理）：,在均匀介质中，波速是常数，显然，地震射线应当是从震源出发的直射线；因为地震波只有这
11、样的地震射线到达测点，路程最短，旅行时间才是最少的。在各向同性的均匀介质中，从一个等时面到另一个等时面，只有垂直距离最短，地震波沿垂直距离最短，地震波沿垂直于等时面的路线传播所用旅行时间最少，故地震射线和等时面总是相互垂直的。在上面图中，曾将波前面画成球面，射线画成径向直线，其原因就在于此。 在非均匀介质中，射线就不再是直线，而波前面也不再是同心球面了。但是无论介质是否均匀，都必须遵循一个原则：射线与波前总是相互垂直的。,惠更斯原理（波前原理）： 惠更斯原理是在1690年，由荷兰科学家惠更斯综合一些实验结果提出，到后来才被弹性理论加以证实。 惠更斯原理又称波前原理，它给出根据已知波前来确定其他
12、时刻波前位置的准则。其内容是：介质中传播的波，其波前面上的每一个点，都可以看作是波向各个方向传播的波源（点震源） 。,18141815年菲涅耳以波的干涉原理进一步完善了惠更斯原理将其发展为惠更斯菲涅耳原理。它的基本思想是：波动在传播时，任意点P处质点的振动，相当于上一时刻波前面S上全部新震源产生的所有子波相互干涉（迭加）形成的合成波。这个合成波可以用积分进行计算。,惠更斯菲涅耳原理：,地震波的传播同任何波的传播一样，遇到两种不 同介质的分界面时，将产生反射，透射和折射现象，同时还将产生波型转换。为了区别起见，根据波的传播路径我们把由地震发出，直接到达观测点的波叫直达波，把由震源入射到分界面的波
13、叫入射波，把由分界面反射，透射，折射所产生的新波分别叫反射波 、透射波和折射波。,地震波在分界面上的传播原理,斯奈尔定律(Snells law)（反射折射定律）,反射波的形成条件,波阻抗 = r * V = Z,存在波阻抗差异或反射系数不为零,几种常见岩性的密度、纵波速度与波阻抗,反射系数R的物理意义: 地震波垂直入射到反射界面上后，被反射回去能量的多 少，说明在界面上能 量的分配问题。,R的取值范围： R值的定义域为1R1。在实际地层中，因沉积间断所形成的侵蚀面（不整合面）上，老地层直接与新地层接触，它们之间在密度和速度上往往存在着较大的差异，而形成一个明显的波阻抗界面，产生较强的反射波。,
14、由于球面发散带来的能量损失,说明: 反射波的能量不到直达波的1/40 (-32 dB),反射波的极性： R有正负值的问题，当 时，则R0，为正值，反射波为正极性，入射与反射波同相。,折射波的形成,折射波： 假设 有一个V2 V1 的水平速度界面，如图所示，从震源发出的入射波 以不同的入射角投射到界面上，据斯奈尔定律可知：随着入射角的增大，透射角也随着增大，使透射波射线偏离法线向界面靠拢，当角增大到某一角度时，可使，这时透射波以V2的速度沿界面滑行，形成滑行波，称使时的入射角为临界角i( critical angle)，写为,如果已知V1、V2，就可由此式求出临界角。,根据波前原理，高速滑行波所
15、经过的界面上的任何一点，都可看作从该时刻振动的新点源，这样下覆介质中的质点就要发生振动，由于界面两侧的介质质点间存在着弹性联系，必然要引起上覆介质质点的振动，这样在上层介质中就形成了一种新的波动，在地震勘探中称它为折射波，它好比顺水航行的船，当船速大于水流速度时，在船头就会看到一种向岸边传播的水波，它就是折射波。,折射波的波前、射线和盲区：,折射波的波前是界面上各点源向上覆介质中发出的半圆形子波的包线，从上图可见，滑行波自A点以V2速度滑行了一段时间t波前到达B点，则ABV2t，同时A点向上面介质发出半圆波子波，其半径为AC= V1t，从B点作A点发出子波波前圆弧的切线BC，就为该时刻的折射波
16、的波前，可证明它与界面的夹角 ABC为临界角i，因为ABC为直角三角形，可得,且ABCi,折射波的射线是垂直于波前BC的一簇平行直线，并与界面法线的夹角为临界角。 纵波斜入射时波的分裂和转换射线AM是折射波的第一条射线，在地面上从M点开始才能观测到折射波，所以称M点为折射波的始点，自震源到M点的范围内，在地面观测不到折射波(或说不存在折射波)，称这个范围叫折射波的盲区，表为XM，其数值为：,从左式可知，XM随着h的减小和V2V1比值的增大而减小，在一般情况下，假设取V2V1为1.4时，则XM2h。因此作为一条经验法则，折射波只有在炮检距大于两倍折射界面深度时才能观测到。,折射波形成条件：,下层
17、介质速度大于上层介质速度观测点位于折射波盲区之外,与形成反射波的条件相比，在同一沉积的一套地层中，折射界面的数目总小于反射界面，因此说形成折射波的条件比反射波要苛刻。,地震波的时距曲线,地震勘探装置几个概念反射波时距曲线 直达波、两层水平界面、两层倾斜界面、弯曲界面、绕射波时距曲线折射波时距曲线 水平两层结构的折射波,地震波时距曲线图,在地震勘探中，一般沿某条测线进行工作的，在测线上某炮点激发地震波后，被等间隔安置在测线上的多个检波点所接收，得到一张地震记录，如下图所示，在记录上沿横向标有30，60，的竖线，分别表示波旅行时间为30，60毫秒的计时线，水平线之间的间隔就是相邻检波点的距离，称为
18、道间距。,地震探测中，若已知地下界面的产状要素与速度参数，来求取地面观测到的时距关系，通常叫做正演问题。反之从已知地震资料中获得的时距关系，来求取地下界面的几何形态。则称为反演问题。不同种类的地震波，如直达波、反射波、折射波等，其时距曲线特点各不相同，它们与反射界面的埋藏深度、起伏形态等直接有关。换句话说，时距曲线的几何形态包含着地下地质构造的信息。因此分析并掌握各种类型地震波时距曲线的特点是基础理论的重要组成部分，它对指导野外施工以及进行地震资料的处理与解释，都起到很重要。,反射波时距曲线(二层介质的直达波和反射波时距曲线),二层介质的直达波和反射波时距曲线,地震勘探装置几个概念排列、源检距
19、、道间距、偏移距同相轴同相轴反映出地震波的旅行时间t与x的函数关系，将这种关系在坐标系中表现出来就叫时间曲线。,在已知地层产状要素及速度参数的条件下在均匀介质、层状介质和连续介质中的反射波的纵时距曲线，研究的方法采用类似几何光学的办法。,水平界面的反射波时距曲线 ： 最简单的二维问题就是右图所画的水平地层，反射层AB离震源S距离为h，S点震源激发，沿方向SC传播，在界面上产生反射波，反射角与入射角相同。在C点反射角与入射角相等，根据这个特点可以确定反射路径CR，更容易的方法是利用虚震源(镜像点image point)I。I位于炮点S与反射面的垂线上，在反射层的另一面，与S点到反射界面的距离相等
20、。将I与C点连接，并将直线延长到点R，CR就是反射路径(由于CD平行于SI，所有的角度都等于 )。,设V是平均速度，反射波的到达时间t是(SC+CR)/V。由于SC=CI，所以IR与波传播路径SCR的长度相等，因此，t=IR/V，如果变量x是炮检距(offset)则:,这个斜率实际上就是直达波(direct wave)时距曲线的斜率，传播路径是SR。由于SR总是小于SC+CR，所以直达波总是先到。直达波的旅行时间是TP=X/V ，时距曲线是过原点的直线OM和ON,斜率为1/V。当x变得很大时，SR与SC+CR之间的差别变小，反射波旅行时与直达波旅行时逐渐接近。利用在炮点的检波器记录到的旅行时图
21、t0可以确定反射层的深度。设x=0，可以得到,或,所以，时距曲线是双曲线，如上图的上半部分所示。曲线顶点坐标为(2h/V,0)，渐近线的斜率为：,倾斜平界面的反射波时距曲线：,当地层沿剖面方向倾斜时，可以得到下图，是倾角，h 是地表与反射界面的垂直距离。为了画出检波器R接收到的反射波的传播路径，将R与其镜相点I用直线连接起来，与地层相交于C点。则传播路径就是SCR，传播时间t等于（SC+CR）/V。由于SC+CR=IR，对三角形SIR应用余弦定理，可得：,由平方公式可得：,界面上倾方向与X轴正方向相同时，上式根号中第三项取“”号，反之取“”号。,由这个公式可以看出：时距曲线是双曲线，但对称轴是
22、直线x=-2hsin,而不是t轴。这就是说，在炮点两边对称放置的检波点的到达时间不同，这与倾角为零的情况不同。以上讨论的是界面上倾方向与x轴反向时的反射波时距曲线。根据反射界面倾斜与X轴的相对位置关系可写出时距方程的一般式：,时距曲线的一般特点:,折射波时距曲线,反射波法则是利用反射波沿测线的时空关系即反射波时距曲线，来确定反射界面深度与构造形态。而折射波法是利用首波的初至时间绘制时距曲线，然后对地下构造进行推断解释，,单个折射界面的折射波时距曲线,二个折射界面的折射波时距曲线,折射波时距曲线是斜率为1/V2，截距为t01的直线。t01是延长时距曲线与时间轴相交而得到的，也叫它交叉时。 在观测
23、折射波的同时也可观测到反射波和直波。S2点为折射波的始点，折射波和反射波的时距曲线在B点处相切，在B点以外，折射波总先于反射波到达，从上图可知，反射波的t0时间总大于交叉时t01。直达波为反射波时距曲线的渐近线，它与折射波在C点处相交，在C点以内，直达波早于反射波和折射波到达，在C点以外折射波先于直达披到达，这是因为在C点以内三种波中直达波路径最短，但随传播距离增加，折射波有一段路径以V2度传播，所以C点以外折射波最先到达。,利用折射波时距曲线求速度与折射界面埋深 当折射界面是水平界面时，利用直达波与折射波时距曲线，可以分别计算直达波与折射波速度，即覆盖层速度与折射层速度。同时，利用折射波的截
24、距时间或临界距离，可以直接计算出折射界面的埋深。 当折射界面是倾斜界面时，可以利用同一震源点的左右曲支折射波时距曲线，或者两个震源点同一接收段的相遇时距曲线，求取折射界面速度，进而求得折射界面法向埋深与倾角。,有效波和干扰波,地震勘探中，在地表接收的除反射波之外，有时还接收到折射波、面波、多次波等，按这些波所能提供的信息，分成有效波和干扰波二大类。在地震勘探中我们把能用来解决地质任务的波统称为有效波，而把对有效波起干扰和破坏作用的波叫干扰波。但是有效波和干扰波是一种相对的概念：对反射纵波来说，它能提供地下地质构造、岩性等的信息，是有效波，而其他类型的波就成为干扰波；对折射波法来说，折射波是有效波，而反射波成了干扰波；对横波勘探来说，反射纵波又成了干扰波。,一般以往所说的干扰波都是相对反射波而言的，这种干扰波又分为规则和无规则干扰(或叫随机干扰)：面波、多次波、工业电等在运动学、动力学等方面有其一定的特点，称为规则干扰，如面波具有强度大，低频、 低速及延续时间长的特点；所谓无规则干扰，包括人走、车行、风吹草动等引起的微震，包括井中喷出物溅落等原因引起的震源附近记录道上的杂乱干扰，还包括在松散或坚硬地层中激发所产生的低频“花脸”和高频锯齿状的干扰。,
