工程物探中關(guān)于地震勘察的研究?jì)热?/h1>

文章來(lái)源：地大熱能 發(fā)布作者： 發(fā)表時(shí)間：2021-10-28 16:02:15瀏覽次數：1940

  在淺層地震勘探中主要研究人工激發(fā)的地震波在巖、土介質(zhì)中的傳播規律，來(lái)解決工程及環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的一種地球物理方法。通常把巖土介質(zhì)看成各向同性介質(zhì)，把地震波看成彈性波。

 

  波傳播特征集中于兩方面：

 

  1、波傳播的時(shí)間與空間的關(guān)系（運動(dòng)學(xué)特征）地震波對地下地質(zhì)體的構造響應

 

  2、波傳播中振幅、頻率、相位等的變化規律（動(dòng)力學(xué)特征）更多表現出地下地質(zhì)體的巖土特征研究地震波的波場(chǎng)特征來(lái)解決淺部地層和構造的分布，確定巖土力學(xué)參數等地質(zhì)問(wèn)題  1.形變：由彈性力學(xué)的理論可知，任何一種固體，當它受外力作用后，其質(zhì)點(diǎn)就會(huì )產(chǎn)生相互位置的變化，也就是說(shuō)會(huì )發(fā)生體積或形狀的變化，稱(chēng)為形變。  2.彈性：當外力取消后，該物體能迅速恢復到受力前的形態(tài)和大小，這就是所謂的彈性。

 

  3.彈性體、塑性體：外力取消后，能夠立即完全地恢復為原來(lái)狀態(tài)的物體，稱(chēng)為完全彈性體，通常稱(chēng)之為理想介質(zhì)。反之，若外力去掉后，仍保持其受外力時(shí)的形態(tài)，這種物體稱(chēng)為塑性體，亦稱(chēng)為粘彈性介質(zhì)。

 

  在外力作用下，自然界大部分物體，既可以顯示彈性也可以顯示粘彈性，這取決于物體本身的性質(zhì)和外力作用的大小及作用時(shí)間的長(cháng)短。在地震勘探中，采用人工震源激發(fā)地震波，人工震源的激發(fā)是脈沖式的，作用時(shí)間極短，且激發(fā)的能量對地下巖層和接收點(diǎn)處的介質(zhì)所產(chǎn)生的作用力較小，因此可以把它們近似地看作彈性介質(zhì)，并用彈性理論來(lái)研究地震波的傳播問(wèn)題。

 

  在彈性理論的研究中，根據介質(zhì)的不同特征可分為各向同性與各向異性?xún)深?lèi)介質(zhì)。凡是彈性性質(zhì)與空間方向無(wú)關(guān)的稱(chēng)為各向同性介質(zhì)；反之則稱(chēng)為各向異性介質(zhì)。

 

  研究表明：沉積巖大都由均勻分布的礦物質(zhì)點(diǎn)的集合體所組成，因此大多數的巖、土介質(zhì)在地震勘探中都可以看做是各向同性介質(zhì)，從而將一些基本的彈性理論引入到地震波的研究中來(lái)。

 

  拉梅模量與拉梅系數：對于各向同性的均勻介質(zhì)而言，各不同方向的彈性系數大都對應相等，可以歸結為應力與應變方向一致和互相垂直時(shí)的兩個(gè)系數l（拉梅模量）和l（切變模量），合稱(chēng)拉梅系數，  振動(dòng)與地震波  1.彈性振動(dòng)和彈性波：                                                                          彈性體在外力的作用下，其介質(zhì)內質(zhì)點(diǎn)會(huì )離開(kāi)平衡位置發(fā)生位移而產(chǎn)生形變，當外力解除以后，產(chǎn)生位移的質(zhì)點(diǎn)在應力的作用下都有一個(gè)恢復到原始平衡位置的過(guò)程，但是由于慣性力的作用，運動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)不可能立刻停止在原來(lái)的位置上，而是向平衡位置另一方向移動(dòng)，于是又產(chǎn)生新的應力，使質(zhì)點(diǎn)再向原始的平衡位置移動(dòng)，這樣應力和慣性力不斷作用的結果，使質(zhì)點(diǎn)圍繞其原來(lái)的平衡位置發(fā)生振動(dòng)。這和彈簧及琴弦的振動(dòng)過(guò)程十分相似，稱(chēng)之為彈性振動(dòng)。

 

  另外，在振動(dòng)過(guò)程式中，由于振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)和其相鄰質(zhì)點(diǎn)間的應力作用，必然會(huì )引起相鄰質(zhì)點(diǎn)的相應振動(dòng)，這種振動(dòng)在彈性介質(zhì)中不斷地傳播和擴大，便形成了以激發(fā)點(diǎn)為中心，以一定速度傳播開(kāi)去的彈性波。因此，彈性波是振動(dòng)形式在介質(zhì)中的傳播，是能量傳播的一種形式。  地震波的形成：

 

  淺層地震勘探中所用震源一般包括錘擊、落重等機械震源，炸藥爆炸震源，及電火花等其它形式的震源。這些震源均以瞬時(shí)脈沖式激發(fā)。實(shí)踐表明，不論使用哪種震源，在激發(fā)時(shí)，激振點(diǎn)附近的一定區域內所產(chǎn)生的壓強將大大地超過(guò)其介質(zhì)的彈性極限而發(fā)生巖土大破裂與擠壓形變等，形成一個(gè)塑性與非線(xiàn)性形變帶。再向外其壓強不斷地減小，直至其周?chē)橘|(zhì)能產(chǎn)生完全的彈性形變。上述震源點(diǎn)附近的非線(xiàn)性形變區稱(chēng)之為等效空穴，等效空穴邊緣的質(zhì)點(diǎn)，在激發(fā)脈沖的擠壓下，質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生圍繞其平衡位置的振動(dòng)，形成了初始的地震子波，這種振動(dòng)是一種阻尼振動(dòng)，在介質(zhì) 中沿射線(xiàn)方向向四面八方傳播，形成地震波。又因為接收和研究地震波傳播的空間一般都遠離震源點(diǎn)，其介質(zhì)受到的力很小，介質(zhì)表現為完全彈性的性質(zhì)，故又稱(chēng)為地震彈性波。  地震子波：由震源激發(fā)、經(jīng)地下傳播并被接收的一個(gè)短脈沖振動(dòng)，稱(chēng)為該振動(dòng)的地震子波。

 

  非周期性：地震子波的一個(gè)基本屬性是振動(dòng)的非周期性。（地震子波基本屬性之一） 地震子波基本屬性之二：地震子波具有確定的起始時(shí)間和有限的能量。因此，振動(dòng)經(jīng)過(guò)很短的一段時(shí)間即衰減。  地震子波的延續時(shí)間長(cháng)度：地震子波衰減時(shí)間長(cháng)短稱(chēng)為地震子波的延續時(shí)間長(cháng)度。它決定了地震勘探的分辨率。

 

  地震的分辨能力與地震子波有關(guān)，具體地說(shuō)，地震子波的頻帶寬度、延續時(shí)間和子波形狀是影響分辨率的主要因素。當子波相位數一定時(shí)，頻率越高，子波的延續時(shí)間越短，分辨能力越高。

 

  視速度：沿任一方向測得的速度值，并不是地震波傳播的真實(shí)速度值，而是沿觀(guān)測方向，距離和波實(shí)際傳播時(shí)間的比值，這種速度稱(chēng)為視速度。

 

  地震波振動(dòng)圖：這種用坐標系統表示的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的圖形稱(chēng)為地震波的振動(dòng)圖。

 

  波剖面圖：在實(shí)際地震記錄中，每一道記錄就是一個(gè)觀(guān)測點(diǎn)的地震波振動(dòng)圖。這種描述某一時(shí)刻 t 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移 u 隨距離 x 變化的圖形稱(chēng)之為波剖面圖。   視速度：地震波的傳播方向是沿波射線(xiàn)的方向進(jìn)行的。因此在觀(guān)測地震波時(shí)，只有當觀(guān)測點(diǎn)的連線(xiàn)與波射線(xiàn)的方向一致時(shí)，才能測得傳播速度的真值V。而沿任一觀(guān)測方向測得的速度值，并不是地震波傳播的真實(shí)速度值，而是沿觀(guān)測方向，觀(guān)測點(diǎn)之間的距離和波實(shí)際傳播時(shí)間的比值。這種速度稱(chēng)之為視速度。

 

  式中l為波射線(xiàn)與地面法線(xiàn)之間的夾角（入射角），e為波前與地面法線(xiàn)之間的夾角（出射角）。上式表示了視速度和真速度之間的關(guān)系，稱(chēng)為視速度定理。 ①當α=90時(shí),V*=V,波沿測線(xiàn)傳播，視速度等于真速度。②當α=0時(shí),波垂直測線(xiàn)方向，V*→∞，此時(shí)波前同時(shí)到達地面各點(diǎn),無(wú)時(shí)間差。③當α由0°→90°,視速度V*由無(wú)限大變至真速度V，正常情況，V*≥V。④均勻各向同性介質(zhì)中,由于V值不變,視速度V*的變化反映了地震波入射角的變化。

 

  地震波可分為體波和面波兩大類(lèi)。  體波在介質(zhì)的整個(gè)體積內傳播，根據其傳播特征的不同，又可分為縱波（又稱(chēng)P波）和橫波（又稱(chēng)S波）。 面波則沿介質(zhì)的自由表面或兩種不同介質(zhì)的分界面傳播，根據其性質(zhì)的不同，又可分為瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波等。  1.縱波：彈性介質(zhì)發(fā)生體積形變（即拉伸或壓縮形變）所產(chǎn)生的波動(dòng)稱(chēng)為縱波?？v波又稱(chēng)壓縮波（或P波）。特點(diǎn)：縱波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向一致。 2. 橫波：彈性介質(zhì)發(fā)生切變時(shí)所產(chǎn)生的波動(dòng)稱(chēng)為橫波，即剪切形變在介質(zhì)中的傳播，又稱(chēng)為剪切波（S波）。特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直。

 

  質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在垂直平面內的橫波分量，稱(chēng)為SV波；質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在水平面內的橫波分量，稱(chēng)之為SH波。

 

  3、面波：是僅存在于彈性分界面附近波動(dòng)，分為瑞利波與勒夫波。瑞利波是沿介質(zhì)與大氣層接觸的自由表面傳播的面波。

 

  傳播特點(diǎn)：  ①質(zhì)點(diǎn)在通過(guò)傳播方向的垂直面內沿橢圓軌跡作逆時(shí)針運動(dòng)，其橢圓長(cháng)軸垂直于介質(zhì)表面，長(cháng)短軸之比大致為3:2  ②瑞利波頻率低、速度接近于橫波波速，強度隨深度呈指數衰減，但在水平方向衰減很慢。

 

  在一般地震勘探中它是一種干擾波。但在表層介質(zhì)的勘查中瑞利波具有特殊的作用。

 

  勒夫波是沿兩種彈性介質(zhì)分界面傳播的面波，這種波一般出現在覆蓋層和下伏介質(zhì)的分界面，可看做是SH波的一種特殊形式。

 

  1.地震波的頻譜及頻譜分析：任一地震波都可用波形函數A（t）來(lái)描述，根據頻譜分析理論， A（t）可以看著(zhù)是由無(wú)限多個(gè)頻率連續變化的諧振動(dòng)疊加而成的。這些諧振動(dòng)的振幅和初相位則隨頻率的改變而變化；振幅隨頻率變化的關(guān)系稱(chēng)為振幅譜，初相位隨頻率的變化關(guān)系稱(chēng)為相位譜，統稱(chēng)為地震波的頻譜。

 

  頻譜：就是頻率的分布曲線(xiàn)，復雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的的圖形叫做頻譜。

 

  3、采集到的地震波圖像是波的振動(dòng)圖像（振幅隨時(shí)間變化的函數），是地震波在時(shí)間域的變示形式，而不同波是用頻率來(lái)區別的，為了研究地震波的頻譜特征，必須把時(shí)間域轉換為頻率域。這種變換過(guò)程稱(chēng)為頻譜分析方法。

 

  a(t) → A(f)

 

  地震波的頻譜分析方法是以傅立葉變換為基礎的。傅立葉變換的數學(xué)表達式為：

 

  如果所研究的對象不是地震波振幅隨時(shí)間變化的振動(dòng)圖形，而是振幅隨空間距離變 化的波剖面圖，這時(shí)用傅氏分析對波剖面函數變換得到的結果稱(chēng)為波數譜，其方法稱(chēng)之為波數分析。

 

  地震波的振幅及衰減規律

 

  地震波在地層介質(zhì)中傳播到被接收的過(guò)程中，影響其振幅和波形的因素主要包括三類(lèi)，第一類(lèi)是激發(fā)條件的影響，它包括激發(fā)方式、激發(fā)強度、振源與地面的偶合狀況等。

 

  第二類(lèi)是地震波在傳播過(guò)程中受到的影響，包括波前擴散、地層吸收、反射、透射、入射角大小、以及產(chǎn)生波形轉換等造成的衰減。第三類(lèi)是接收條件的影響，包括檢波器、放大器和記錄儀的頻率特性對波形的改造及檢波器的組合效應、檢波器與地面的偶合狀況等。此外，地下巖層界面的形態(tài)和平滑程度也會(huì )對地震波振幅有所影響。

 

  其中第一類(lèi)激發(fā)條件和第三類(lèi)接收條件所包含的諸因素是可以由人工控制選擇的。第二類(lèi)因素與地下地層巖性等直接有關(guān)的。  地震波在傳播過(guò)程中隨著(zhù)距離或深度的增加，高頻成分會(huì )被很快地損失掉，而且波的振幅按指數規律衰減。實(shí)際地層對波的這種改造，通常稱(chēng)為大地低通濾波器效應。

 

  （1）波前擴散：在均勻介質(zhì)中，點(diǎn)振源的波前為球面，隨著(zhù)傳播距離的增大，球面逐漸擴展，但總能量仍保持不變，而單位面積上的能量逐漸減小，振動(dòng)的振幅也隨之減小，這稱(chēng)為球面擴散（或波前擴散）。

 

  （2）吸收衰減：由于實(shí)際的巖層并非理想的彈性介質(zhì)，在地震波的傳播過(guò)程中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的相互摩擦消耗了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的能量，造成介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅（即地震波的振幅）的衰減，稱(chēng)為介質(zhì)對地震波的吸收衰減。

 

  介質(zhì)的吸收系數：

 

  （1）與該介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，對于某一種介質(zhì) ，其吸收系數為一常數。一般疏松膠結差的巖層，吸收系數較大；致密巖石，吸收系數則較小。

 

  （2）與地震波的頻率密切相關(guān)，理論研究和實(shí)驗結果表明，對于同一種介質(zhì)，吸收系數的大小與波的頻率成正比，頻率越高，則吸收越大。      因此，地震波在傳播中高頻成份損失較快，而存留了較低的頻率成分，介質(zhì)相當于一個(gè)低通濾波器。  大地巖土介質(zhì)的這種濾波作用，往往使得淺層地震波的頻率較高，深層的地震波的頻率較低。

 

  通過(guò)大地濾波的作用，地震波高頻成分損失，改變了脈沖的頻譜成分，使頻譜變窄，因而使激發(fā)的短脈沖經(jīng)大地濾波作用后其延續時(shí)間加長(cháng)，分辨率降低。這種經(jīng)大地濾波作用后輸出的波稱(chēng)為地震子波。  瑞利波的速度最低，橫波速度次之，縱波速度最高

 

  （1）由于橫波的速度比縱波的速度低，因此橫波分辨薄層的能力比縱波強。

 

  （2）當巖層富含水或油氣時(shí)，往往對縱波的速度影響較大，但對其剪切模量和橫波的速度幾乎沒(méi)有什么影響。因此可以利用縱、橫波速度的比值變化來(lái)判別巖土介質(zhì)的含水性等。

 

  （3）縱、橫波聯(lián)合的多波地震勘探是分辨巖性的重要方法之一，也是地震勘探的一個(gè)發(fā)展方向。

 

  1. 惠更斯原理： 惠更斯原理亦稱(chēng)波前原理，假設在彈性介質(zhì)中，已知某時(shí)刻t1 波前面上各點(diǎn)，則可以把這些點(diǎn)看著(zhù)是新的振動(dòng)源，從t1 時(shí)刻開(kāi)始產(chǎn)生子波向外傳播，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，這些子波的波前所構成的包絡(luò )面就是t1 +t 時(shí)刻的新的波前面。

 

  2.費馬原理： 費馬原理又稱(chēng)射線(xiàn)原理或最小時(shí)間原理，它給出地震波總是沿地震射線(xiàn)傳播，以保證波到達某點(diǎn)時(shí)所用的旅行時(shí)間最少。  在均勻各向同性介質(zhì)中，顯然，地震射線(xiàn)應當是從震源O出發(fā)的直射線(xiàn) ，因為地震波只有沿這樣的地震射線(xiàn)方向傳播到達觀(guān)測點(diǎn)，旅行時(shí)間才是最少的。 在各向同性的均勻介質(zhì)中，從一個(gè)等時(shí)面到另一個(gè)等時(shí)面，只有垂直距離最短，因此波沿垂直于等時(shí)面方向傳播所用旅行時(shí)間最少，故地震射線(xiàn)和等時(shí)面總是互相垂直的。用波前和波射線(xiàn)的概念來(lái)描述波動(dòng)景觀(guān)是一種簡(jiǎn)便而清晰的方法。  在同一個(gè)界面上的入射波反射波以及透射波都具有相同的射線(xiàn)常數，并且入射角等于反射角；透射角的大小則決定于介質(zhì)W2的波速V2。 這一關(guān)系式稱(chēng)為斯奈爾定律 ，也稱(chēng)為

 

  反射和折射定律。

 

  2. 地震波的折射及其特征

 

  地震波在傳播過(guò)程中，當遇到波速不同的介質(zhì)分界面，且其界面以下的速度 V2 大 于界面以上的速度V1  時(shí)，根據斯奈爾定律，則波的透射角必大于其入射角，且隨著(zhù)入射角l的增加而加大，當入射角l增大至某一角度 i 時(shí)，將會(huì )使透射角=90°，  滑行波相應的入射點(diǎn)稱(chēng)為臨界點(diǎn)，入射角稱(chēng)為 i 稱(chēng)為臨界角 。

 

  當滑行波沿著(zhù)界面傳播時(shí)，必然引起界面上各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，根據惠更斯原理，滑行波所經(jīng)歷的界面上各點(diǎn)，都可看作是一個(gè)新的振動(dòng)源。由于界面兩側介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)存在著(zhù)彈性聯(lián)系，因此滑行波沿界面傳播時(shí)，在上覆介質(zhì)中將產(chǎn)生新波，返回到地面被儀器所接收，這種由滑行波引起的波在地震勘探中稱(chēng)為折射波。

 

  折射波特點(diǎn)：

 

  （1）以臨界角i 從界面射出。

 

  （2）在臨界點(diǎn)折射波射線(xiàn)與反射波射線(xiàn)重合。在臨界點(diǎn)后以臨界角i 向地表射出。

 

  （3）臨界點(diǎn)以?xún)炔划a(chǎn)生折射波，因此折射波勘探中存在盲區，BB’即為盲區的范圍，當地面與界面平行時(shí)，盲區應該是一個(gè)圓 。

 

  折射波的形成條件：下覆層波速V2大于上覆層速度V1；入射角需達到臨界角。 直達波：由振源出發(fā)向外傳播，沒(méi)有遇到分界面直接到達接收點(diǎn)的波叫直達波。

 

  轉換波：一個(gè)縱波入射到反射面時(shí)，既產(chǎn)生反射縱波和反射橫波，也產(chǎn)生透射縱波和透射橫波。與入射波類(lèi)型相同的反射波或透射波稱(chēng)為同類(lèi)波。改變了類(lèi)型的反射波或透射波稱(chēng)為轉換波。入射角不大，轉換波很小，垂直入射不產(chǎn)生轉換波。

 

  初至波：由于各種地震波的傳播速度不同，傳播到觀(guān)測點(diǎn)的時(shí)間也就有先后。地震發(fā)生后，地震觀(guān)測點(diǎn)最先接收到的波稱(chēng)初至波。  地震界面是指地震波傳播時(shí)波速變化的界面或波阻抗不同的界面，而地質(zhì)界面是指巖性不同的界面（有時(shí)一致，有時(shí)不一致）