地震勘探-应用地球物理概论-课件.pptx
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1、1第一部分第一部分 地震勘探地震勘探定义:定义:以介质介质的弹性差异为基础,观测和研究人工激发人工激发的地震波地震波在介质中的传播特性传播特性,以解决地质问题的一种勘探方法。介质介质人工激发人工激发地震波地震波传播特性传播特性建建立立模模型型波波的的类类型型波波的的特特性性动力学动力学原理原理介质介质的结构的结构和性质和性质运动学原理运动学原理波前的时空关系波前的时空关系解决地质问题解决地质问题两大原理:动力学和运动学原理两大原理:动力学和运动学原理激激发发方方式式地震勘探的两大原理地震勘探的两大原理n波的运动学原理波的运动学原理 以波在介质中传以波在介质中传播的播的空间和时间空间和时间的关系
2、的关系来研究目来研究目标体的标体的几何形态几何形态t1t2xV=2*x/(t2-t1)n波的动力学原理波的动力学原理以波在介质中传以波在介质中传播的播的频率频率/振幅振幅/衰减衰减特性来研究特性来研究目标体的结构性目标体的结构性质质一、地震波的动力学原理一、地震波的动力学原理1、地震地质模型、地震地质模型2、震源的激发方式、震源的激发方式3、地震波的基本类型、地震波的基本类型4、地震波的传播、地震波的传播5、地震勘探的地质基础、地震勘探的地质基础1、地震地质模型、地震地质模型地震勘探的研究对象:地震勘探的研究对象:对于实际地下介质,其岩石成分、性对于实际地下介质,其岩石成分、性质、空间分布结构
3、十分复杂。作为对自然科学的一种研究质、空间分布结构十分复杂。作为对自然科学的一种研究方法,一般总是从某些物理假设出发,将问题简化、理想方法,一般总是从某些物理假设出发,将问题简化、理想化,使研究问题由简到繁,由易到难,由理想到实际逐步化,使研究问题由简到繁,由易到难,由理想到实际逐步深化。因此,需要建立各种各样的地质模型。深化。因此,需要建立各种各样的地质模型。地震勘探工作一般在沉积岩地区进行。地震勘探工作一般在沉积岩地区进行。沉积岩相对具有岩沉积岩相对具有岩性稳定、横向变化缓慢、成层性好的特点。但由于受长期性稳定、横向变化缓慢、成层性好的特点。但由于受长期地壳运动的影响,使地层出现褶皱、断裂
4、、剥蚀及风化等地壳运动的影响,使地层出现褶皱、断裂、剥蚀及风化等复杂地质现象,使问题复杂化。因此,必须根据地质介质复杂地质现象,使问题复杂化。因此,必须根据地质介质的性质、结构、形状等特征,在不同的条件下建立一些相的性质、结构、形状等特征,在不同的条件下建立一些相应的地质模型,使问题得以简化。应的地质模型,使问题得以简化。1)理想弹性和粘弹性介质模型)理想弹性和粘弹性介质模型可归纳为四种可归纳为四种 按固体的力学性质(指在外力作用下的固体形变特征)可按固体的力学性质(指在外力作用下的固体形变特征)可将固体分成将固体分成弹性和塑性弹性和塑性两类。两类。任何一种固体,受外力的作用后其内部质点就会产
5、生相互任何一种固体,受外力的作用后其内部质点就会产生相互位置的变化,使固体的体积大小和形状发生改变(统称位置的变化,使固体的体积大小和形状发生改变(统称形变形变)。)。外力取消后,由于内力作用,使固体恢复到原来的状态,这种特外力取消后,由于内力作用,使固体恢复到原来的状态,这种特性称为性称为弹性弹性;这个物体称为;这个物体称为理想弹性体理想弹性体;反之,固体还处于受外;反之,固体还处于受外力时的状态,称之为力时的状态,称之为理想塑性体理想塑性体;在实际工作中发现,波在实际岩层中传播时,介质对地震在实际工作中发现,波在实际岩层中传播时,介质对地震波有吸收作用,吸收了激发脉冲波的某些频率成份,使其
6、能量损波有吸收作用,吸收了激发脉冲波的某些频率成份,使其能量损耗,因此,岩土固体既有弹性,又表现出象粘性流体那样的粘性,耗,因此,岩土固体既有弹性,又表现出象粘性流体那样的粘性,称这样的介质为称这样的介质为粘弹性介质粘弹性介质。2)各向同性和各向异性介质模型(空间方向)各向同性和各向异性介质模型(空间方向)凡弹性性质与空间方向无关的固体,称为凡弹性性质与空间方向无关的固体,称为各向同性体各向同性体,反之则称为反之则称为各向异性体各向异性体。岩石的弹性性质的方向性取决于:矿物质点的空间方岩石的弹性性质的方向性取决于:矿物质点的空间方向性;矿物质点的排列结构;岩石成份。向性;矿物质点的排列结构;岩
7、石成份。3)均匀介质、层状介质和连续介质模型(空间位置)均匀介质、层状介质和连续介质模型(空间位置)根据速度的空间分布规律,可以把固体介质分为根据速度的空间分布规律,可以把固体介质分为均匀介质均匀介质和和非均匀介质非均匀介质两大类。速度值不随空间坐标而变的介质定义两大类。速度值不随空间坐标而变的介质定义为为均匀介质均匀介质。反之,若速度是空间坐标的函数,则称为。反之,若速度是空间坐标的函数,则称为非均非均匀介质匀介质。在非均匀介质中,介质的性质表现出成层性,即每。在非均匀介质中,介质的性质表现出成层性,即每一层的速度值是不变的,那么这种介质为一层的速度值是不变的,那么这种介质为层状介质层状介质
8、;波速是;波速是空间坐标的连续函数,这种介质定义为连续介质。空间坐标的连续函数,这种介质定义为连续介质。V=V(X,Y,Z)V=V(X,Y,Z)4)单向介质和双向介质模型)单向介质和双向介质模型 建立模型时只考虑单一相态的介质称为建立模型时只考虑单一相态的介质称为单向介质单向介质。但是。但是实际上许多岩石往往由两部分组成,一部分是构成岩体的骨实际上许多岩石往往由两部分组成,一部分是构成岩体的骨架,称为架,称为基质基质,另一部分是由各种流体(或气体)充填的,另一部分是由各种流体(或气体)充填的孔孔隙隙。由于波经过岩石基质和流体空隙传播的速度是不一样的,。由于波经过岩石基质和流体空隙传播的速度是不
9、一样的,因此从波传播的角度讲,这种岩石是由两种相态构成的,称因此从波传播的角度讲,这种岩石是由两种相态构成的,称这种岩石为这种岩石为双向介质双向介质。一、地震波的动力学原理一、地震波的动力学原理1、地震地质模型、地震地质模型2、震源的激发方式、震源的激发方式3、地震波的基本类型、地震波的基本类型4、地震波的传播、地震波的传播5、地震勘探的地质基础、地震勘探的地质基础2、震源的激发方式、震源的激发方式nA、锤击震源锤击震源n 瞬态激发震源锤、可控震源瞬态激发震源锤、可控震源nB、雷管和炸药震源雷管和炸药震源n 大能量,用于较深层工程地震勘探,主要是用于石大能量,用于较深层工程地震勘探,主要是用于
10、石油天然气勘探油天然气勘探nC、地震震源枪地震震源枪n 类似猎枪配专用子弹,射钉枪类似猎枪配专用子弹,射钉枪nD、电火花震源电火花震源n 充电成高压,然后瞬时放电,主要用于水上和井中充电成高压,然后瞬时放电,主要用于水上和井中地震勘探地震勘探nE、超磁致伸缩震源超磁致伸缩震源n 稀土材料的磁致伸缩性能,岳阳奥成科技稀土材料的磁致伸缩性能,岳阳奥成科技射钉枪射钉枪磁致伸缩震源磁致伸缩震源炸药磅锤磅锤可控震源可控震源国产:原国产:原国产:原国产:原BGPBGP特车厂特车厂特车厂特车厂KZ-28KZ-28震动出力震动出力震动出力震动出力284KN284KN进口:进口:进口:进口:IVI,I/O,Se
11、rcel(Mertz):IVI,I/O,Sercel(Mertz):震动出力震动出力震动出力震动出力276kn276kn从加拿大引进的从加拿大引进的从加拿大引进的从加拿大引进的ARKTOSARKTOS水陆两栖气枪震源系统水陆两栖气枪震源系统水陆两栖气枪震源系统水陆两栖气枪震源系统BOLT BOLT 长命枪长命枪长命枪长命枪陆地气枪陆地气枪BOLTBOLT公司全球唯一的陆地气枪设备供应商公司全球唯一的陆地气枪设备供应商胜利物探气枪震源系统胜利物探气枪震源系统胜利胜利胜利胜利701701701701 26262626支支支支SleeveSleeveSleeveSleeve枪,气枪枪,气枪枪,气枪枪
12、,气枪 总容积总容积总容积总容积1640164016401640立方英寸立方英寸立方英寸立方英寸 工作压力:工作压力:工作压力:工作压力:2000psi2000psi2000psi2000psi 枪阵峰值:枪阵峰值:枪阵峰值:枪阵峰值:85.4barm85.4barm85.4barm85.4barm胜利胜利胜利胜利703703703703 28282828支支支支BOLT-2800BOLT-2800BOLT-2800BOLT-2800枪,气枪枪,气枪枪,气枪枪,气枪 总容积总容积总容积总容积2070207020702070立方英寸立方英寸立方英寸立方英寸 工作压力:工作压力:工作压力:工作压力
13、:2000psi2000psi2000psi2000psi 枪阵峰值:枪阵峰值:枪阵峰值:枪阵峰值:85.4barm85.4barm85.4barm85.4barm一、地震波的动力学原理一、地震波的动力学原理1、地震地质模型、地震地质模型2、震源的激发方式、震源的激发方式3、地震波的基本类型、地震波的基本类型4、地震波的传播、地震波的传播5、地震勘探的地质基础、地震勘探的地质基础3、地震波的基本类型、地震波的基本类型 在外力在外力 的作用下,弹性介质中存在两种独立扰动。胀缩的作用下,弹性介质中存在两种独立扰动。胀缩力力 的扰动对应的扰动对应 ,即介质中产生了体积形变,体积,即介质中产生了体积形
14、变,体积形变的传播形成形变的传播形成纵波纵波纵波纵波;旋转力;旋转力 的扰动对应的扰动对应 ,介质,介质中质点产生了旋转形变(切应变),切应变的传播形成中质点产生了旋转形变(切应变),切应变的传播形成横波横波横波横波。此外,还有沿自由表面传播的此外,还有沿自由表面传播的面波面波。下面讨论各种波的形成及传播特点。下面讨论各种波的形成及传播特点。为考虑问题方便,假设介质为均匀各向同性介质,则其弹为考虑问题方便,假设介质为均匀各向同性介质,则其弹性参数具有球对称性,因此,可用球面坐标系来讨论问题。球性参数具有球对称性,因此,可用球面坐标系来讨论问题。球面坐标系与直角坐标系的关系为:面坐标系与直角坐标
15、系的关系为:1 1 纵波(纵波(P波、胀缩波、疏密波、压缩波)波、胀缩波、疏密波、压缩波)(特点)(特点)(特点)(特点)Longitudinal wave /P-Wave/Primary Wave/Compressional Wave/Dilatational Wave 纵波位移表达式纵波位移表达式 在球面坐标(在球面坐标(r,)系中,纵波的波动方程可表示为:)系中,纵波的波动方程可表示为:针对均匀各向同性介质中的点震源产生的纵波,位移位只是针对均匀各向同性介质中的点震源产生的纵波,位移位只是 r 和和 t的函数,即的函数,即因此,因此,令令 ,便得到著名的,便得到著名的弦方程弦方程(Equ
16、ation of String):其通解为:其通解为:达朗贝尔解达朗贝尔解其中其中C1、C2为任意函数。为任意函数。C1代表发散波,而代表发散波,而C2表示会聚波,与实际情况不符,是不表示会聚波,与实际情况不符,是不存在的波,因此:存在的波,因此:C1是一般解,是一个与震源的性质相关的抽象函数。对于是一般解,是一个与震源的性质相关的抽象函数。对于不同类型的震源,有不同的结果。不同类型的震源,有不同的结果。不失一般性,假设震源为点震源,其不失一般性,假设震源为点震源,其震源强度函数震源强度函数 ,则可得出纵波位移表达式:则可得出纵波位移表达式:式中:式中:;为单位向量;为单位向量;为位移的位函数
17、;为位移的位函数;为纵波传播速度。为纵波传播速度。(2)(2)质点位移方向与质点位移方向与 的方向一致,即的方向一致,即质点振动方向与波的传质点振动方向与波的传播方向一致播方向一致。因此,纵波又称为。因此,纵波又称为线性极化波线性极化波(Linearly Polarized Wave)。由于。由于 有正有负,因此在纵波扰动带内将会有正有负,因此在纵波扰动带内将会间隔出现膨胀带和压缩带,所以又称为间隔出现膨胀带和压缩带,所以又称为疏密波疏密波或或压缩波压缩波;(3)(3)纵波的纵波的传播速度传播速度:(4)(4)当当 一定时,质点位移取定于离震源的距离、震源强度一定时,质点位移取定于离震源的距离
18、、震源强度函数函数 及其变化率及其变化率 ;(5)(5)振动强度随传播距离增大而减小,这一现象称振动强度随传播距离增大而减小,这一现象称球面扩散球面扩散。(Spherical Divergence/Spherical Spreading)2 2 横波(剪切波、横波(剪切波、S波,包括波,包括SH和和SV波)波)(特点)(特点)(特点)(特点)Transverse Wave/Shear Wave/S-WaveTransverse Wave/Shear Wave/S-Wave 横波位移表达式横波位移表达式 同样地,假设震源为点震源,其同样地,假设震源为点震源,其震源强度函数震源强度函数为为 ,则可
19、,则可得出球坐标系下得横波位移表达式:得出球坐标系下得横波位移表达式:(2)(2)横波在传播方向上的质点位移,而在垂直于传播方横波在传播方向上的质点位移,而在垂直于传播方向的向的和和方向上具有位移,说明横波方向上具有位移,说明横波质点振动方质点振动方向与传播方向正交向与传播方向正交。横波也是。横波也是线性极化波线性极化波。振动方向为水。振动方向为水平时称平时称SH波,振动方向为垂直时称波,振动方向为垂直时称SV波。波。SH-Wave SH-Wave(Horizontally Polarized Shear WaveHorizontally Polarized Shear Wave)SV-Wav
20、e SV-Wave(Vertically Polarized Shear WaveVertically Polarized Shear Wave)(3)(3)横波的横波的传播速度传播速度:(4)(4)振动强度决定于旋转激发力的强度。振动强度决定于旋转激发力的强度。(5)(5)横波同样具有横波同样具有球面扩散特征球面扩散特征。(6)(6)在在液体和气体液体和气体中,由于中,由于,所以,所以不存在横波不存在横波。(7)(7)根据可以求泊松比根据可以求泊松比:由此可见,的取值范围为。一般岩石可看作由此可见,的取值范围为。一般岩石可看作泊泊松固体松固体,即,此时,可见横波速度,即,此时,可见横波速度纵
21、波速度,即纵波速度,即横波传播得比纵波慢横波传播得比纵波慢一些,一些,这就是为什么这就是为什么当地震发生后,往往会感觉到两次强烈震动的原因。当地震发生后,往往会感觉到两次强烈震动的原因。(8)(8)只要测出只要测出,便可计算其它弹性模量值:,便可计算其它弹性模量值:用这种方法测得的弹性摸量称为用这种方法测得的弹性摸量称为动态弹性模量动态弹性模量,而实,而实验室内通过土工实验测得的则称为验室内通过土工实验测得的则称为静态弹性模量静态弹性模量。Dynamic StaticDynamic Static3 3 面波面波 Surface WaveSurface Wave(Rayleigh波、波、Love
22、波)波)(特点)(特点)(特点)(特点)除体波外,还有另一类波,从能量上讲,它们只分布在弹除体波外,还有另一类波,从能量上讲,它们只分布在弹性分界面附近,因此,统称为面波,如性分界面附近,因此,统称为面波,如Rayleigh波和波和Love波。波。瑞雷波(瑞雷波(Rayleigh波,又称地滚波波,又称地滚波Ground Roll)一种在自由表面(空气与地球表面形成的弹性分界面)附一种在自由表面(空气与地球表面形成的弹性分界面)附近大约一个波长范围内传播的波。由英国学者近大约一个波长范围内传播的波。由英国学者Rayleigh于于1887年在理论上首先证明出来而得名。具有以下特点:年在理论上首先证
23、明出来而得名。具有以下特点:质点振动轨迹沿与波传播方向成反方向的椭圆轨道运动,即质点振动轨迹沿与波传播方向成反方向的椭圆轨道运动,即沿沿逆时针方向的椭圆轨迹运动逆时针方向的椭圆轨迹运动,因此它是,因此它是椭圆极化波椭圆极化波;Free SurfaceThe Direction of PropagationElliptically Polarized Wave 这种椭圆轨迹是由相位相差的两个相互垂直的振动分量这种椭圆轨迹是由相位相差的两个相互垂直的振动分量合成而得;合成而得;(3)(3)振动振动能量沿垂直方向衰减快能量沿垂直方向衰减快,而沿水平方向(近似于传播方,而沿水平方向(近似于传播方向)衰
24、减慢。因此只在地表附近一个波长范围内传播。由向)衰减慢。因此只在地表附近一个波长范围内传播。由于于体波球面扩散体波球面扩散时,而时,而Rayleigh波波,所以,在,所以,在远离震源时,面波能量往往强于体波能量,这就是称之为远离震源时,面波能量往往强于体波能量,这就是称之为地滚波地滚波的由来的由来(又称扫帚波又称扫帚波);(4)(4)传播速度传播速度:由:由Rayleigh方程方程 求解该方程得:求解该方程得:例如:例如:0.250.330.400.50 0.92 0.933 0.943 0.956 一般土的泊松比一般土的泊松比 ,因此,可以近似看作,因此,可以近似看作 ,即可通过计算面波速度
25、,即可通过计算面波速度 而近似获得横波速度而近似获得横波速度 。在非均匀表层介质中存在在非均匀表层介质中存在频散现象频散现象(The Phenomenon of Frequency Dispersion),即波速,即波速 是频率的函数是频率的函数 。利用这一特征。利用这一特征可从事工程勘察,即面波勘探。可从事工程勘察,即面波勘探。勒夫波(勒夫波(Love波)波)是一种类似于是一种类似于SH型的面波,质点在水平方向振动并垂直于型的面波,质点在水平方向振动并垂直于波的传播方向,属波的传播方向,属线性极化波线性极化波;存在于表层内部和下层的界面;存在于表层内部和下层的界面附近,其附近,其形成条件形成
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