地震勘探 应用地球物理概论.ppt

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1,应用地球物理概论,地震勘探,1,第一部分地震勘探,定义：

以介质的弹性差异为基础，观测和研究人工激发的地震波在介质中的传播特性，以解决地质问题的一种勘探方法。

介质人工激发地震波传播特性,建立模型,波的类型,波的特性,动力学原理介质的结构和性质,运动学原理波前的时空关系解决地质问题,两大原理：

动力学和运动学原理,激发方式,地震勘探的两大原理,波的运动学原理,以波在介质中传播的空间和时间的关系来研究目标体的几何形态,t1,t2,x,V=2*x/（t2-t1）,波的动力学原理,以波在介质中传播的频率/振幅/衰减特性来研究目标体的结构性质,一、地震波的动力学原理,1、地震地质模型2、震源的激发方式3、地震波的基本类型4、地震波的传播5、地震勘探的地质基础,1、地震地质模型,地震勘探的研究对象：

对于实际地下介质，其岩石成分、性质、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。

地震勘探工作一般在沉积岩地区进行。

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。

1）理想弹性和粘弹性介质模型,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）可将固体分成弹性和塑性两类。

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，这种特性称为弹性；这个物体称为理想弹性体；反之，固体还处于受外力时的状态，称之为理想塑性体；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，称这样的介质为粘弹性介质。

2）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，称为各向同性体，反之则称为各向异性体。

岩石的弹性性质的方向性取决于：

矿物质点的空间方向性；矿物质点的排列结构；岩石成份。

3）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均匀介质和非均匀介质两大类。

速度值不随空间坐标而变的介质定义为均匀介质。

反之，若速度是空间坐标的函数，则称为非均匀介质。

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，那么这种介质为层状介质；波速是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）,4）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单向介质。

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架，称为基质，另一部分是由各种流体（或气体）充填的孔隙。

由于波经过岩石基质和流体空隙传播的速度是不一样的，因此从波传播的角度讲，这种岩石是由两种相态构成的，称这种岩石为双向介质。

一、地震波的动力学原理,1、地震地质模型2、震源的激发方式3、地震波的基本类型4、地震波的传播5、地震勘探的地质基础,2、震源的激发方式,A、锤击震源瞬态激发震源锤、可控震源B、雷管和炸药震源大能量，用于较深层工程地震勘探，主要是用于石油天然气勘探C、地震震源枪类似猎枪配专用子弹，射钉枪D、电火花震源充电成高压，然后瞬时放电，主要用于水上和井中地震勘探E、超磁致伸缩震源稀土材料的磁致伸缩性能，岳阳奥成科技,射钉枪,磁致伸缩震源,炸药,磅锤,从加拿大引进的ARKTOS水陆两栖气枪震源系统BOLT长命枪,陆地气枪,BOLT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70126支Sleeve枪，气枪总容积1640立方英寸工作压力：

2000psi枪阵峰值：

85.4barm,胜利70328支BOLT-2800枪，气枪总容积2070立方英寸工作压力：

2000psi枪阵峰值：

85.4barm,一、地震波的动力学原理,1、地震地质模型2、震源的激发方式3、地震波的基本类型4、地震波的传播5、地震勘探的地质基础,3、地震波的基本类型,在外力的作用下，弹性介质中存在两种独立扰动。

胀缩力的扰动对应，即介质中产生了体积形变，体积形变的传播形成纵波；旋转力的扰动对应，介质中质点产生了旋转形变（切应变），切应变的传播形成横波。

此外，还有沿自由表面传播的面波。

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：

1纵波（P波、胀缩波、疏密波、压缩波）（特点）Longitudinalwave/P-Wave/PrimaryWave/CompressionalWave/DilatationalWave纵波位移表达式在球面坐标（r,）系中，纵波的波动方程可表示为：

其中C1、C2为任意函数。

C1代表发散波，而C2表示会聚波，与实际情况不符，是不存在的波，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，其震源强度函数，则可得出纵波位移表达式：

式中：

；为单位向量；为位移的位函数；为纵波传播速度。

（2）质点位移方向与的方向一致，即质点振动方向与波的传播方向一致。

因此，纵波又称为线性极化波（LinearlyPolarizedWave）。

由于有正有负，因此在纵波扰动带内将会间隔出现膨胀带和压缩带，所以又称为疏密波或压缩波；,（3）纵波的传播速度：

（4）当一定时，质点位移取定于离震源的距离、震源强度函数及其变化率；（5）振动强度随传播距离增大而减小，这一现象称球面扩散。

（SphericalDivergence/SphericalSpreading）,

（2）横波在传播方向上的质点位移，而在垂直于传播方向的和方向上具有位移，说明横波质点振动方向与传播方向正交。

横波也是线性极化波。

振动方向为水平时称SH波，振动方向为垂直时称SV波。

SH-Wave（HorizontallyPolarizedShearWave）SV-Wave（VerticallyPolarizedShearWave）,（3）横波的传播速度：

（4）振动强度决定于旋转激发力的强度。

（5）横波同样具有球面扩散特征。

（6）在液体和气体中，由于，所以不存在横波。

（7）根据可以求泊松比：

由此可见，的取值范围为。

一般岩石可看作泊松固体，即，此时，可见横波速度纵波速度，即横波传播得比纵波慢一些，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。

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；,（3）振动能量沿垂直方向衰减快，而沿水平方向（近似于传播方向）衰减慢。

因此只在地表附近一个波长范围内传播。

由于体波球面扩散时，而Rayleigh波，所以，在远离震源时，面波能量往往强于体波能量，这就是称之为地滚波的由来（又称扫帚波）；,（4）传播速度：

由Rayleigh方程求解该方程得：

例如：

一、地震波的动力学原理,1、地震地质模型2、震源的激发方式3、地震波的基本类型4、地震波的传播5、地震勘探的地质基础,4、地震波的传播,1）波前与波前原理,从点震源激发的零时刻开始，地震波由近及远向外传播。

对于某个固定时刻，介质中质点的振动将形成三个区域：

振动结束区域、扰动区域、振动未到区域。

以均匀各向同性介质中的点震源为例，其球面波传播示意图为：

Wavefront,惠更斯原理（波前原理）在弹性介质中，已知时刻的波前，求时刻的波前时，可将原时刻的波前面上的每个质点看作新的震源，新震源以传播形成一系列圆圈，所有这些圆圈的包络就是时刻新的波前的位置。

惠更斯原理同时适用于均匀和非均匀介质。

尽管如此，但在作图时应注意：

对于均匀介质，所有子圆的大小都相同；而对于非均匀介质，由于波前面上各质点处的速度不一样，所以，各子圆的大小也将发生变化。

ChristiaanHuygens,16291695,1678,视速度定理：

表明视速度与真速度之间关系的表达式。

视速度不仅与客观因素（介质的波速）有关，而且与主观因素（测线位置）有关。

如果沿波前面观测，视速度将趋于，即。

4）地震波的反射、透射与折射,在弹性分界面处，产生反射、透射和折射是波动的共性。

下面讨论地震波在什么条件下才会发生反射、透射及折射。

斯奈尔定律（SnellsLaw）,Snell定律的描述：

入射线、反射线、透射线在同一平面内（即射线平面）；入射角=反射角透射角取决于入射角和界面上、下介质的波速比值，即：

一、地震波的动力学原理,1、地震地质模型2、震源的激发方式3、地震波的基本类型4、地震波的传播5、地震勘探的地质基础,影响地震勘探地质效果的三个因素:

测区地表及地下地质情况。

尤其是勘探对象与围岩的弹性差异是否明显；所选用的方法、技术是否正确；仪器设备与施工质量（包括野外数据采集、资料处理方法、流程以及解释水平的高低）。

其中，弹性差异因素是前提条件，而波速则可以反映地下介质的弹性，所以，首先需要了解影响岩、土波速的因素。

5、地震勘探的地质基础,一、影响岩、土波速的因素,1）岩性,不同岩性的地层常表现出不同的波速。

因此，波速可将地质模型与物理模型联系起来。

一般地，,A.变质岩、花岗岩、玄武岩的波速较大；B.沉积岩波速变化范围大。

如石灰岩、大理岩（统称为碳酸岩）的波速大，而泥质岩及未成岩的第四纪地层的波速相对小。

因各种岩性的波速存在一定差异，所以，结合钻探标定，可以利用测得的地震波速来区分岩性。

表1.2部分岩、土的纵波波速,2）孔隙度、裂隙、密度及孔隙充填物,孔隙度孔隙总体积占整个体积的百分数。

一般致密岩石的孔隙度小，松散岩石的孔隙度大。

孔隙中一般的充填物有：

气体、液体、淤泥、杂质等。

地震波在岩石中传播时，是在这种双向介质中传播的，其速度是其体积加权平均后的结果。

设、分别表示骨架和充填物的波速，为孔隙度，则测得的波速应为。

平均时间方程同样地，密度。

由于，所以，随着孔隙度的增大，测得的波速将下降。

充填物不同，使得不同，所以测得的波速也不同。

另：

一般来讲，与基本呈正比例关系。

也就是说，若岩石的密度增大，则速度也将相应地增大。

经验公式（Gardner,伽纳公式）：

，其中，的单位为km/s。

平均时间方程说明：

波在岩石中的传播时间，是岩石骨架和充填介质中波传播所用时间的总和。

该方程只适用于岩层孔隙中只有油、气或水一种流体，并且流体压力与岩石压力相等的情况。

由该式可以计算波传播的速度与孔隙度理论曲线。

不同岩石密度与速度关系曲线,3）风化、破碎程度,风化使岩体矿物变异，原生结构遭到破坏。

一般风化和破碎将导致速度降低。

表1.3长江三峡坝区结晶岩中风化带的波速,4）其它因素,影响地震波速度的因素很多，是综合影响。

这其中还有：

地质年代；埋深；静压力等。

埋深使静压力增大，从而使得岩石的压实程度提高，波速增大。

与岩层埋藏深度的关系：

在岩石性质和地质年代等相同的条件下，地震波的速度随岩石埋藏深度的增加而增大。

因为，岩石埋藏越深，年代越久，承受上覆地层压力和时间越长，强度越大。

但当岩石的埋藏深度增加到一定数值后，速度随深度的增加就不明显了，速度随深度增大的垂直梯度浅部大于深部。

二、地震波的运动学原理,1、地震勘探方法的分类2、理论时距曲线,1、地震勘探方法的分类,EarthquakeSeismic,莫霍面，地壳结构,工程地质,资源勘察,反射波法：

不受速度场限制；主要应用于中、深层；分辨能力高。

信息量非常丰富，主要用于沉积岩地区,折射波法：

条件是下部地层波速大于上部地层波速；主要用于表层。

信息量欠缺，但可提供分层速度,面波法：

条件是自由表面附近介质非均匀；主要用于表层分层及计算表