目录

2.1 什么是地震波

2.2 地震波有哪些主要类型

 2.3 地震波是如何传播的

2.4 地震波是如何反射、透射和折射的

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2.1 什么是地震波

        1 定义：由震源激发的弹性振动在地球介质内部及其表面传播的扰动统称为地震波（地震波就是在岩层中传播的弹性波）

        2 波：是振动在介质中的传播。理解波的概念需要注意以下三点：

        ① 产生振动：振动是质点的振动，波动是振动的传播，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关，波动伴随能量的传播。

        ② 传播振动的介质（气体、固体、流体、真空）：

        ③ 波在传播的过程中，介质本身没有传播：例如：人说话时，声波在传播，但是空气介质本身没有传播

        3 波的不同称谓：根据振动类型、传播介质、波的特征的不同，可以有多种名称——（速度、频率、波长）

        声波、地震波（低频范围）、超声波、电磁波（高频范围）

        4 应力与应变：当作用力作用于岩石时，岩石会发生形变。

        单位面积上的压力称为应力；在应力作用下，岩石的形变称为应变；不同类型的岩石应变不同。

        5 胡克定律（可判定某种介质是否是弹性介质）：定义：应力与应变呈线性变化。若外力取消，应力应变应该立刻消失，介质恢复原有形状，则该介质称为弹性介质。（皮筋、海绵是典型的弹性材料）

        6 弹性波：振动在弹性介质中的传播称为“弹性波”。纵波、横波、面波对地表不稳定建筑物会产生大的破坏。

        7 地震波：在岩层中传播的弹性波。地下岩石被看做是以弹性为主的弹性介质；

        地震发生时，震源区的岩石破裂和运动，进入弹性区之后，波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成连续介质中的弹性波。

        炸药震源地震波的形成——破碎区、塑性区、弹性区

        非炸药震源-可控震源、空气枪震源

        8 地震波理论的主要奠基者：

        张衡（东汉，公元132）——候风地动仪

        1761年，约翰·米歇尔——发表第一篇关于地震波的文章

        1678年，英国物理学家——胡克定律

        1821年，法国物理学家纳维——建立弹性理论方程

        1828年，法国物理学姐泊松——纵波和横波理论

        1885年，英国物理学家——瑞利面波（弹性面波）

        1907年，建立弹性波反射系数方程——佐普利兹方程（波动方程模拟地震波场）

2.2 地震波有哪些主要类型

        1 地震波的基本类型（根据地震波是否在地球介质内部或表面进行分类）

        2 体波（在地球介质内部传播）：

        纵波（P波）——质点振动方向与波的传播方向一致（引起地面上下颠簸振动），纵波在地球内部传播速度大于横波，因此：先到达地表。

        横波（S波）——质点振动方向与波的传播方向垂直（引起地面水平晃动）——地震时造成建筑物破坏的罪魁祸首

        纵波早于横波被记录到；纵波速度大于横波速度；纵波在固体流体中传播；横波只能在固体中传播

        3 地球内部分层：地震纵波速度与地震横波速度，地震波传播速度存在两个明显的分界面

         1909年，莫霍洛维奇面（莫霍面）——地壳的下界面：地下33km处，纵波速度从6.8千米每秒指甲刀8.1千米每秒，横波速度从3.9千米每秒指甲刀4.5千米每秒

        1914年，古登堡教授（古登堡面），地下2885km处，纵波速度从13.7千米每秒突然下降到8.0千米每秒，横波不能通过此面

         根据这两个界面，将地区内部划分为三个圈层：地壳-地幔-地核

        4 地震勘探的主要类型：

        纵波反射波地震勘探：激发和接收纵波信息

        横波反射波地震勘探：激发和接收横波信息

        转换横波地震勘探：纵波激发，接收横波

        5 面波：沿地球自由表面或界面传播的波（特征：频率低、振幅强、有频散、速度低，低于体波）

        瑞利面波（R）-地滚波：传播过程中，沿波的传播方向的平面内，质点呈逆时针椭圆形振动，振动振幅随深度增加而减少（利用瑞利面波的频散可以解决工程地质问题：现场测试、获取频散曲线、反演推断）

        勒夫面波（L）：沿着地层分界面，波传播过程中，质点振动方向和波的传播方向，但振动只发生在水平方向上，没有垂直分量，类似于横波。差别是：振动振幅随深度增加而减少——对建筑物破坏严重

        浅源的天然地震引起的面波最明显，面波波速低于体波，最后被记录到。

        斯通利波（面波）—弱瑞利面波（井中地震、声波测井）

        槽波（面波）

        套管波（面波）

        导波（面波）

        反射波地震勘探中面波是干扰波（在采集和计算机处理中被压制）

 2.3 地震波是如何传播的

        1 地震波是在岩层中传播的弹性波，与声波、电磁波类似，在地层中传播也要遵循惠更斯原理与费马原理

        2 波前：是指波同一时刻所到达的点构成的面，面上各点的相位是相同的，波前面的形状取决于传播介质的物理性质

     

 

        根据波前形状地震波分类：平面波、球面波、柱面波

        可以使用波动方程模拟波前变化——地震波场快照

        3 射线（Ray）是一条假想的“线”——人为规定，射线垂直于波前

        若传播介质是均匀的、传播介质是各项同性的、波前是球面的，则射线是直线。

        射线指明了波的传播方向，但是不能反映地震波的能量变化，射线形状也取决于地下岩层的性质

         在水平层状介质中，各层的地震波的速度不同，则地震波的传播不再是直线，而是折线；在复杂介质情况下，地震射线是曲线。

        已知地下岩层的弹性参数，计算和追踪地震波传播过程中的射线路径被称为射线追踪。

        4 惠更斯原理：对于任何一种波，其波前上的任何一点都可以作为子波的波源，波各个子波波源前的暴露面就是下一个新的波前——该原理只给出了波传播的空间几何位置，而不能给出波传播的物理状态，如能量变化等

        利用惠更斯原理可以证明折射波的传播路径

        5 惠更斯—菲涅尔原理：波传播时，任意一点处质点的新扰动相当于上一时刻波前上全部新震源所产生的的子波在该点处相互干涉叠加形成的合成波

        6 费马原理（可以说明地震波的传播路径）：波所走的两点之间的实际路径是传播时间最短的那一条

        地震波在传播过程中走的不是最短路径的那一条，而是最短时间路径。

        利用费马原理可以证明反射定律和透射定律

2.4 地震波是如何反射、透射和折射的

        1 利用费马原理证明反射定律：关键要求传播时间的极小值

        2 反射定律：是指地震波入射到两种不同介质的分界面上，反射线、入射线与界面法线在同一平面内，反射线与入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角

        归纳为——三线共面、两线分居、两角相等

        当地震波垂直入射时，入射角与反射角都是0度，法线、入射线和反射线合为一线，根据波动方程求解可以求出垂直入射下的反射系数R

        在地震勘探中产生反射波需要有一个重要的条件：反射界面上下岩层必须有弹性差异，也就是波阻抗的差异，地震反射系数的大小与地层界面上下地层波阻抗差异有关

        地震波是反射波是寻找石油的有用工具，反射波地震勘探是寻找石油的主要工具

        激发纵波，接收反射纵波信息——纵波反射地震勘探

        激发横波，接收反射横波信息——横波反射地震勘探

        纵波激发，接收转换反射横波——转换反射地震勘探

        3 透射定律（Snell定律）：地震波入射到两种不同介质的分界面上，会以一定的角度产生透射，反射线、透射线、界面法线在同一平面内，入射角的正弦和入射介质中波的速度之比等于透射角的正弦和透射介质中波的速度之比

        已知界面上下介质的波速和入射角，可以根据透射定律求出投射角

        当地震波垂直入射，入射角和投射角都是0°，法线、入射线、透射线同为一线，通过解地震波动方程可以求出垂直入射情况透射系数T，从透射系数公式中可以看出在地震勘探中产生透射波不需要有弹性差异，如果入射角达到某一个临界角的情况下，投射角等于90度，透射波沿着界面下浮地层产生滑行波。

         根据惠更斯原理，滑行波在滑行过程中，下浮介质中质点产生振动形成新的震源，并在上覆介质中产生新的波称为折射波，折射线以界面临界角为夹角

        产生折射波的条件：下伏介质的速度大于上覆介质的速度，若不满足则不会产生，不能反映到隐伏层。

        4 折射波盲区：离开震源一定的距离才能接收到折射波，这段距离叫做折射波盲区。与界面埋藏深度h、临界角。

         最初大多使用折射波法——后来逐渐被反射波法取代

         产生折射波的条件苛刻——因此通过地震折射波法勘探所获得的折射界面远比地震反射波法获得的反射界面少（折射界面少于反射界面）——折射波勘探深度比地震反射波法的勘探深度深

         折射波法可以用于勘探沉积盆地的基底形态、岩盐、盐丘等挤入沉积层中的形态

         常用浅层折射波法探测近地表结构，为地震静校正提供基础数据

        5 入射角大于临界角也可以产生入射波和透射波，此时的反射波称为广角反射

        在复杂情况下，反射定律和透射定律同样可以进行射线追踪

        6 转换波：若地震纵波入射到两个均匀介质的分界面上，会产生反射纵波、透射纵波、反射横波与透射横波，这种波的性质发生改变的波称为转换波。在海上地震勘探中，海底电缆OBC勘探可以接收到这种转换波的信息。