地震勘探方法概述与地震波运动学.ppt

地震勘探方法概述与地震波运动学,武汉地质学院王博,第一部分,地震勘探方法概述,一、地震勘探方法简介,,1.原理,地震天然地震地球内部岩浆流动和胀缩产生,大,灾害人工地震人工震源产生,小,地震勘探地震勘探人工震源激发地震波，研究其在地下介质中的传播规律，解决地质问题。各物探均以各种物性为前提，地震勘探依据岩、矿石的弹性，研究地下弹性波场的变化规律。,,,,,地震勘探简称“震探”，浅部地质调查“浅震”，地震勘查或地震勘察。,浅层地震勘探常用于“水、工、环”地质调查，,主要用于解决工程地质填图、建筑、水电、矿山、铁路、公路、桥梁、港口、机场等各种工程地质问题，因此，多被人称之为“工程地震勘探”。,地震勘探方法概述,2.分类,据波的类型分纵波、横波、面波勘探,据波传播特点分反射、折射、透射波法,据目的层深度分浅层n.1000m,据勘探目的任务工程浅层,煤田,石油,地震测深,地震测深研究大地构造、深部地质问题,二、浅震的特点及应用,1.特点工作面积小，勘探深度浅，探测对象规模小，浅部各种干扰因素复杂,优点精度高、分辨率高、抗干扰能力强、仪器轻便,2.应用地震勘探在众多物探中发展最快，应用最多，,西方物探投资90以上是地震，地震成了物探代名词,我国地震是物探主要手段，论文最多，刊物最多，数字处理发展最快，油田95是地震发现的。,浅震应用广，水、工、环地质调查，岩土力学参数原位测试，人文调查，工业找矿。有关应用范围可用下图简要说明。,图1浅层地震勘探应用范围,三、浅震的发展与展望,起源于自然地震观测，我国是世界上最早有地震记载的国家，也是第一个设计成功观测地震仪器的国家。公元132年，东汉时期杰出的自然科学家张衡就设计成功了世界上第一台观测地震的仪器候风地动仪。当时在首都洛阳已经能记录到远在千里之外的甘肃的地震，还能够测定发生地震的方向。但由于封建社会历史条件的限制，妨碍了科学的进一步向前发展。,地震理论研究直到十九世纪初，随着西方国家的大工业以及数学、力学和弹性力学的发展，科学家才从理论上证明了纵、横波的存在。,在第一次世界大战期间，德国和同盟国双方都做过试验，试图利用三个或更多的机械式地震仪来定位对方的炮兵阵地（后座力产生地震波）。,战后，地震波应用于工业就逐步发展起来，在二十世纪20年代，利用初至折射波法曾找到了大量浅的盐丘；从30年代开始，折射波法和反射波法才开始应用于找煤和寻找石油、天然气；,第二次世界大战后，随着工程建设项目的大量兴起，地震勘探才在土木工程、矿山工程、交通工程以及其它工程地质中得到应用与发展。,我国的浅震发展情况如下,1.浅层折射法,50年代末试用，测定岩土波速。60年代末我国生产多道光点式轻便地震仪，光点示波、打纸记录，手工作图进行资料解释,80年代使用信号增强型浅震仪，磁带，计算机，自动成图。,在工程勘察中的应用测定覆盖层厚度、基岩起伏情况，测定隐伏断层、破碎带的位置，评价岩体质量和工程地质围岩分类等。,2.浅层反射法,折射法不足，发展浅反技术。,50～70年代，试验阶段，没有多少进展。,80年代发展迅速，地矿、铁道、水电、核工业各部门相继研究，,包括震源研制、数据采集方法研究、资料处理方法研究以及处理软件的研制。,工作方法有浅层纵波反射法，浅层横波反射法，反射折射法联合应用,观测系统共深度点水平叠加、共炮点接收、最佳窗口技术及最佳偏移距技术,3.透射波法,钻孔或坑道中进行，测定能量衰减规律,原位测定地层速度（纵波和横波速度）,圈定地层介质速度或能量异常带,测动弹性模量、动泊松比等弹性力学参数,透射波层折（CT）技术,4.工程地震法,常时微动方法面波勘探测桩等,地震波运动学,第二部分,地震勘探的基本任务之一是确定地下的地质构造,解决该任务主要是利用波的运动学特性，即研究地震波在传播过程中波前的空间位置与其传播时间之间的几何关系，这种关系可用时间场来描述。,所谓时间场即是波至时间的空间分布。如果已知各种波的时间场，即可得到这些波的运动学特征的完整概念。,本章主要讨论地震波运动学的正、反演问题,正演问题是给定地下界面的产状要素和速度参数等，求各种波包括直达波、折射波和反射波等的时间场,反演问题是根据实际获得的时间场求取地下界面的几何形态和运动学参数等。,一、直达波,1、概念所谓直达波即是从震源点出发不经反射或折射直接传播到各接收点的地震波。2、时距曲线方程当震源位于地表附近，并采用纵测线观测时，其时距曲线方程为,,,,,x,双曲线,二、地震波的反射和透射,纵波入射时的反射和透射,转换波的存在,若设入射纵波的能量为1，并记反射纵波RP和反射横波RS的振幅分别为ARP和ARS，透射纵波TP和透射横波TS的振幅分别ATP和ATS，则根据斯奈尔定律、位移的连续性及应力的连续性，并根据波动方程，可推导出描述上述各波在弹性界面上的能量分配表达式，即Zoeppritz方程,平面波的法线入射,根据snell定律有,解Zoeppritz方程组有,平面波的倾斜入射,当平面波以不为零的任意角度入射至界面时，各二次波的能量分配关系完全由Zoeppritz方程组决定，此时各波的能量变化不仅与入射角有关，而且还与速度和密度参数变化有关，欲直观了解它们之间的关系，通常采用作图的方法。下面我们选择一个典型的关系曲线进行分析，以便从中引出对地震勘探有益的结论。,图中所示为在条件VP2/VP1＝0.5、密度比＝0.8情况下，反映反射系数和透射系数同入射角关系的曲线。入射波由波阻抗大的密介质向疏介质投射。此时在入射角小于20度时，除反射纵波外，能量主要分配在透射纵波上，横波能量很小，这同上述法向入射的情况是相符的。,随入射角加大，纵波的某些能量转化为反射横波和透射横波能量，但主要能量还是在纵波方面，说明在纵波入射的条件下，横波的相对强度不是很大，但值得注意的是，在入射角＝40－60度时，反射横波强度可以超过反射纵波，说明在远离震源或大倾角入射时，容易接收到反射的转换横波。,斯奈尔定律,1、反射定律入射角反射角入射线和法线和反射线在同一平面内在地震勘探中，把入射线，过入射点的界面法线、反射线三者所决定的平面称为射线平面，它总是垂直界面的（这个概念对地震资料的构造解释十分有用）。（1）当在地面（界面水平）上O点激发，沿测线OZ接收，又设地下的反射界面是水平的，这时射线平面既垂直界面也垂直地面。（2）如果界面倾斜时，a当地震测线垂直界面走向时，射线平面既垂直地面也垂直界面。b当地震测线不垂直界面走向时，则射线成平面，只垂直界面不垂直地面。,2、透射定律（斯奈尔定律）实验得出,如果还有不同波型（短波和横波）的反射和透射snell定律可扩展成,,,由此引出斯奈尔定律，n层介质,,此透射定律只确定了透射线的方向，而没有涉及到透射线的强度，从而它是向何地震学的一条定律。条件透射定律要求两种介质必须都是各向同性的，也就是说当在同一种介质传播时，波的速度是一个不随方向而变的常数（层状介质）,（1）反射波,,产生反射波的条件当入射波垂直入射界面的产生反射波的条件为（不存在转换波时）,,不同的波阻抗是区分不同介质的根据，非垂直入射时条件也近似如此。,反射波的强度（振幅）决定于波阻抗差与入射波的强度波阻抗的差值越大，反射波越强。,,,,0时，反射波相位与入射波相位相同,0时，反射波相位与入射波相位相反,叫反射系数，严格地说，波阻抗界面才是反射界面，速度界面不一定是反射界面，岩性面也不一定是反射界面,（2）透过波,,,当θ290时产生滑行波则,,,,（V2＞V1）,（3）滑行波（过渡波）,,,产生滑波的条件下层的波速V2大于上层的波速V1,,,,,入射角,反射波时距曲线,,1、均匀介质共炮点时距曲线（1）一个水平界面共炮点反射波时距曲线,,,,,双曲线,自激自收时间,,,,,,,,,,,,,x,h,,O,O*,V,,t,x,t0,反射波时距曲线,,1、均匀介质共炮点时距曲线（2）一个倾斜界面共炮点反射波时距曲线,,,,,上倾方向接收,,,,,,x,,,极小点,双曲线,,,反射波时距曲线,,1、均匀介质共炮点时距曲线（2）一个倾斜界面共炮点反射波时距曲线,,,,,,下倾方向接收,,,,,,,,,由此可见，根据倾斜界面反射波时距曲线的特点，可以确定界面的倾角和倾向，采用纵测线时，声波、面波、折射波等时距曲线不是双曲线，这可以作为一种区分反射波和上述几种波的根据。,反射波时距曲线,,（2）水平层状介质情况下共炮点反射波时距曲线,,,,,以三层为例,,,,,,,,x,O,,t,x,t0,,,,,,,,取不同的α值就可得出一系列（t，x）值，根据这些值用描点法就可以得到R2界面的反射波时距曲线。,,,,,,,,h1V1,H2V2,我们还可以把方程改变一下,所以,这是以P表示的时距曲线参数方程,三层,以P表示的时距曲线参数方程,多层,由二项式展开,,均方根速度,,,,,均方根速度,多次反射波,当地下存在强波阻抗界面时如在水域开展调查时的水底界面、浅层基岩面等，往往能够产生多次反射波。多次反射波可分为全程多次波和层间多次波等，在地震记录上出现得最多、也比较容易识别的是全程多次反射波。,全程二次反射波,在激发点接收，即x＝0,很小时,三、折射波,透射波在第二种介质中沿界滑行，其沿界面滑行的速度为V2，这种现象叫全反射，我们把开始出现“全反射”时的入射角叫临界角，即当入射角临界角时产生滑行波。由于滑行波沿界面滑行引起另外的效应，由于介质1与介质2是密接的，滑行波传播过程中，反过来影响第一种介质，并在第一种介质中激发新的波，这种由滑行波引起的波在地震勘探中叫折射波。（首波）（即透射波的能量都集中在界面附近，能不断向上转化给首波，形成折射波的能量）,形成折射波的条件V2＞V1θθC,对于多层介质只有当下伏地层速度大于上伏地层的所有各层速度时才能产生折射波。在实际的地层剖面中只有某些地层能满足形成折射波这个条件，因此“折射层”的数目要比“反射层”的数目少得多。,地震波的折射及其特征,两层介质折射波时距曲线,二层水平界面,,,,,,B,时距曲线,由此可见，可利用直达波时距曲线求出V1，利用折射波时距曲线求出V2和截距时间t0，即可按上述公式求出震源点下界面的埋藏深度。,两层水平界面的盲区,,,,,,B,,直达波与折射波,i,下倾方向接收折射波,i,i,,i,上倾方向接收折射波,i,i,i,i,,,,,i,,上倾、下倾方向接收折射波,陡,缓,因此，通常可以从这两条时距曲线的陡缓情况定性判断其折射界面的倾斜方向。,下倾方向时距曲线的斜率较大，视速度小，曲线陡；上倾方向折射波的斜率小，视速度大，曲线较平缓。,如果从直达波资料求得V1，并从折射波时距曲线上分别求得两条曲线的视速度，便可利用该式求取折射波临界角和界面的倾角。由临界角和V1又能求出界面速度V2,直角三角形OCE和直角三角形BAE中，角OEC和角BEA为对顶角，所以有角COE等于角ABE等于入射角,粉线垂直于所交的黑线,下倾方向接收的盲区,下倾方向接收的盲区,同理可推出,上倾方向接收的盲区,整个盲区的范围为,弯曲界面折射波,折射界面不一定都是平面，可能是凹凸不平的曲面，界面倾角不是常量。从,中很容易看出倾角变化，时距曲线的斜率随之变化，所以曲界面折射波时距曲线的斜率是可变的。,时距曲线与界面的弯曲形状成镜像对称，如图所示。当折射界面为凸形时，其时距曲线呈向上弯曲的凹曲线；当折射界面为凹形时，其时距曲线呈向下弯曲的凸曲线。,,视速度定理,出射角度,随着凸界面曲率半径的减小，波将出现一个特殊现象，即穿透现象，便无法得到真实的时距曲线应特别指出的是．折射界面为凸界面时，还可能产生穿透现象。,对折射波来说，追逐时距曲线是彼此平行的，而存在穿透现象时追逐时距曲线则不平行。,如图下半部所示，其时距曲线是向上弯曲的，与折射波时距曲线相似，它干扰了折射波的辨认。,为了识别穿透现象，我们可采取追逐观测，即接收地段不变，激发点位置改变，这样可以得到两支时距曲线，称追逐时距曲线。,,,i,i,,,,i,折射波勘探时，对倾斜界面的倾角有如下要求,,,红线,蓝线,水平三层介质,,,,,,,,,V1,V2,A,M1,G,P1,,,x,i1,,V3,M2,P1,,i2,,,,,t,x,1/V2,t01,时距曲线,,,,t02,1/V3,特殊构造折射波,在层状介质上进行折射波法勘探时，如果发现时距曲线上有不正常的滞后段或突然的“脱节”现象，很可能就是存在局部性低速体或不连续的低速层的一种标志。图为一个反映低速透镜体的折射波时距曲线图，根据其相遇时距曲线上的“滞后”时间的异常范围，可大致确定此透镜体沿测线分布的长度。另外根据“滞后”时间，还可以近似估算出透镜体的中心厚度。,图中表示一个间断的低速层对时距曲线产生的影响。当折射波通过低速层时，在时距曲线上表现“脱节”现象，根据其“脱节”时间的大小，可利用和计算透镜体厚度同样的办法来估算该低速层的厚度。这种间断的低速层和尖灭层的情况非常相似，对时距曲线的影响也大致类同。,四、地震波在水平层状介质和连续变化介质中的传播,地震波在水平层状介质中的传播,地震波在连续介质中的传播,,五、地震波的绕射和散射,