工程物探與環(huán)境地質(zhì)學(xué)中關(guān)于振動(dòng)與地震波的研究

  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。

 

  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。

 

  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。