地震勘探

地震波的基本类型及传播等

地震波的基本类型

有关这一问题的回答的逻辑参考下面这个思维导图

graph LR
    A[地震波的类型] --> B[体波]
    A --> C[面波]

    B --> D[P波]
    B --> E[S波]
    D --> D1[传播介质：固体、液体、气体]
    D --> D2[振动方向: 与传播方向一致]

    E --> E1[传播介质：固体]
    E --> E2[振动方向：与传播方向垂直]

    C --> F[Rayleigh波]
    F --> F1[在自由界面附近并沿自由界面传播]
    F --> F2[振动方向：既有垂直分量又有水平分量,沿椭圆轨迹运动]
    F --> F3[传播速度：比Love波慢]
    C --> G[Love波]
    G --> G1[在低速夹层顶底界面之间产生的平行于界面的波动]
    G --> G2[振动方向：水平面内的横向振动，实际上也是一种SH波]
    C --> H[Stoneley波]
    H --> H1[在两种均匀弹性介质的分界面上产生的沿分界面传播的瑞雷型面波]
    H --> H2[在液体固体介质分界面总是可以形成]
    H --> H3[传播速度：略小于Rayleigh波]

文字版回答：

体波：
从弹性波场知道，在外力作用下，弹性介质中存在着两种扰动（涨缩力和旋转力）。由于涨缩力的扰动，弹性介质产生体积应变，体积应变产生的波动称为纵波（P波）；由于旋转力的扰动，弹性介质产生剪切应变，剪切应变所引起的波动称为横波（S波）。这两种波动统称为体波。
- 纵波的特点：
  1. 纵波在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致，因此又称为线性极化波；
  2. 纵波的传播速度 \(V_p = \sqrt{\frac{\lambda + 2 \mu}{\rho}}\)；
  3. 振动的强度随着传播距离的增大而减弱。
- 横波的特点：
  1. 横波在介质中传播时，波的传播方向与质点的振动方向垂直；
  2. 质点振动在水平平面中的横波分量称为SH波，在垂直平面中的横波分量称为SV波；
  3. 横波的传播速度 \(V_s = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}\)；
  4. 在液体和气体中，由于剪切模量 \(\mu = 0\)，故不存在横波。
面波：

相对于体波而言，在弹性分界面附近还存在着另一类扰动。从能量上来说，它们只会分布在弹性分界面附近，故称为面波。面波又会分为瑞雷面波、勒夫面波、斯通利波。
- 三种面波：
  - 瑞雷面波：质点振动轨迹沿波传播方向成逆时针方向的椭圆轨迹运动。只分布于自由界面附近并沿自由界面传播，随据表面距离的增加增幅呈现指数衰减
  - 勒夫面波：质点在水平方向振动并垂直于波的传播方向。是一种在低速夹层顶底界面之间产生的平行于界面的波动
  - 斯通利波：在两种均匀弹性介质的分界面上形成的类似于瑞雷型的面波。沿着固-液边界传播，或者在特定条件下也沿着固-固边界传播。斯通利波的振幅在两种接触介质之间的边界处具有最大值，并在远离接触介质时呈指数衰减
  - 面波特点：
    1. 速度低，面波速度一般略低于横波速度；
    2. 能量强，在远离震源时，面波能量往往强于体波能量；
    3. 瑞雷面波振动能量沿垂直方向衰减快，而沿水平方向衰减慢；
    4. 频率低，面波主频一般在 \(10\sim 20 Hz\)；
    5. 存在频散现象，即波速是频率的函数。
  Tip
  
  面波的特点可以简单记为低频低速强振幅会频散
  叙述面波的分类时，可以按照对应质点的运动规律+这类面波存在的条件这样的逻辑记忆

地震波的传播

Note

地震波的传播是一个非常丰富的话题，下面对可能考到的话题进行逐一阐述做一布防，复习时以理解为主，考试时按照对应的内容填写
如果只是宽泛的问地震波的传播：可以按照地震波传播的理论基础（3点）+ 运动学动力学（3点）+ 地质因素（5点）回答

地震波传播的理论基础
- 惠更斯定律：在弹性介质中，已知t时刻的同一波前面上的各点，可以把这些点看作从此时刻产生子波的新的点振源，由它产生二次扰动，经过\(\Delta t\)时间后，这些子波的包络面就是\(t+\Delta t\)时刻新的波前面
- 惠更斯-菲涅耳原理：由波前面上各点所产生的子波，在观测点上相互干涉叠加，其叠加结果就是我们在该点观测到的总扰动。
- 费马原理：波沿走时最短的路径传播
- 视速度定理：在射线方向观测波的传播速度，就是波在介质中传播的真速度，但是地震勘探往往是在地面观测，观测到的速度小于真速度，称之为视速度。\(V_a = V / sin \alpha\),\(\alpha\)是射线与地面法线的夹角
  😡以上内容是地震波传播的理论基础
地震波传播的动力学与运动学
- 运动学特征：包括反射、透射、折射、绕射。如图所示，c为反射，d为折射，地震波里的折射多了一段滑行波的概念，就是传播到界面会沿界面滑行一段距离再折射上去
Warning

事已至此，不再赘述反射，折射透射的概念，仅作几点说明
- 下界面速度大于上界面才会出现折射
- snell 定律：\(\frac{V_1}{sin \alpha} = \frac{V_1}{sin \alpha_1} = \frac{V_2}{sin \beta}\)
- 绕射：地震波传播经过物性不连续点的时候，可以把不间断点看作震源，由这个新震源产生的扰动向四周传播，这种现象称为绕射。
- 动力学特征：包括波在弹性分界面上的波形转换和能量分配弹性波入射弹性分界面的时候会出现波形的转换，入射纵波可能会形成反射纵波、反射横波、透射纵波和透射横波。波形相同称之为同类波，不同称之为转换波。能量分配遵循佐普利兹方程（弹性分界面上各种波的振幅关系）
- 地震波传播时会产生能量衰减，主要包括：波前扩散、吸收衰减、透射损失
- 影响地震波传播的地质因素
- 密度：
  不同岩石具有不同密度，其波速也不同。通常密度大的致密岩石波速较大。
- 孔隙度：
  一般波在流体中的速度小于骨架速度，因此孔隙度大的岩石波速较小。而且孔隙度的变化也会影响密度的变化，孔隙度增大，岩石密度相对减小。
- 孔隙填充物：
  岩石孔隙中的填充物不同也会引起波速变化，\(v_{气} < v_{油} < v_{水}\)。
- 风化程度：
  风化作用使岩体矿物变异，原生结构破坏，导致质点间弹性联系减弱。岩体波速随风化程度的增大而减小。
- 其他因素:
  一般年代越久，埋藏越深，上覆地层压力时间越长，强度越大，孔隙度变小，密度变大，波速变大。

地震波时距关系

包括反射波和折射波时距方程和时距曲线，均方根速度、射线速度、平均速度等

均方根速度：把水平层状介质情况下的反射波时距曲线近似地看成双曲线时，求出的波速就是这一水平层状介质的均方根速度。 (层速度平方按照各层走时加权平均再取根号)

\[v_\sigma = \sqrt{\frac{\sum_{i= 1}^{n}t_i v_i^2}{\sum_{i= 1}^{n}t_i}}\]

射线速度：波按照射线传播的速度(总路程除以总时间)

\[ v_r = \frac{\sum_{i=1}^{n}\frac{h_i}{cos \alpha_i}}{\sum_{i=1}^{n}\frac{h_i}{v_i cos \alpha_i}}\]

平均速度：地震波垂直穿过地层的总厚度与单程传播所需的总时间之比

\[ \bar v = \frac{\sum_{i = 1}^n h_i}{\sum_{i = 1}^n t_i}\]

上图展示了三种速度的关系，

当x = 0时,\(v_r = \bar v\)，随着x的增加，\(v_r\)将大于\(\bar v\)趋近\(v_\sigma\),
当x = h时，\(v_r = v_\sigma\)，
之后\(v_r\)不断趋近介质最高层速度，\(v_\sigma\)的误差也不断增加

地震勘探的野外数据采集

包括地震仪器的原理，地震勘探观测系统，地震波速测定等

地震勘探抗干扰技术

包括地震组合检波法、多次覆盖技术，地震勘探分辨率及抗干扰技术等