地震波的传播 什么行为会影响地震波的传播?

\u8bf7\u95ee\u5730\u9707\u6ce2\u5728\u4e0d\u540c\u4ecb\u8d28\u4e2d\u7684\u4f20\u64ad\u7279\u5f81\u662f\u4ec0\u4e48\uff1f

\u5730\u9707\u6ce2\u5206\u4e3a\u6a2a\u6ce2\u548c\u7eb5\u6ce2\u3002
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\u5176\u4ed6\u56e0\u7d20\u8fd8\u6709\u6e29\u5ea6\u548c\u5730\u9707\u6ce2\u9891\u7387\u7b49\u3002

地震波的传播是用射线描述的。射线恒与波阵面垂直,平面波的射线是垂直于波阵面 的平行线,均匀介质中球面波的射线是以波源为中心的径向直线。

一般情况下,地层是以介质的物理性质(密度、弹性常数以及速度等)不同而划分 的。地震波从震源向外传播过程中受到多种因素影响,其从一层介质进入另一层介质时,波速、传播方向、频谱成分和能量等都要发生变化,并在分界面产生新的扰动。下面讨论 波通过不同介质时的一些主要变化。

(一)地震波的反射、透射和折射

地震波在层状介质中传播,遇到弹性性质突变的分界面时,会发生反射、透射和折射 等现象,并遵循斯奈尔定律。

1.地震波的反射和透射

对于反射波,入射线、反射线与界面法线 在同一平面内,且反射角α′等于入射角α,如图 1-6所示。

地震勘探中用透射波描述透过界面的波。对于透射波,透射线和入射线分居界面两侧,亦与界面法线在同一平面内(图1-6),并满足 关系式

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式中:β是透射角。

入射波、反射波和透射波的关系用一个式子表示,即

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图1-6 波的反射和透射

式中:p称射线参数。

至于反射波与透射波的强度,分别由反射系数R和透射系数T体现。根据弹性物理 学中的证明,当波垂直入射到界面时(即入射角等于零),入射波的振幅Ai、反射波的振 幅Ar和透射波的振幅At具有如下关系:

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或写成

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上两式中:ρ1和v1表示入射介质的密度和速度;ρ2和v2表示界面另一侧介质的密度和速 度;Zi=ρivi,是密度与速度的乘积,称为介质的波阻抗;R称反射系数;T称透射系数。

公式(1-8)表明,反射系数R(或反射波强度)不为零的条件是

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这意味着波阻抗不相等的界面构成反射界面。于是式(1-10)可以说是地震反射波形成 的必要条件。显然,不论是ρ2v2>ρ1v1,还是ρ2v2<ρ1v1,均满足不等式(1-10)。ρ1v1与 ρ2v2之差越大,R越大,反射波越强。也应看到,反射波的强度不仅随波阻抗之差(Z2— Z1)增大而增加,还随波阻抗之和(Z2+Z1)增大而减少,情况比较复杂。

由式(1-8)可看出,ρ2v2>ρ1v1时,R为正,表示反射波与入射波的相位相同;即 如果入射纵波波前以压缩带抵界面,反射纵波波前也是压缩带,涨、缩关系一致。反之,ρ2v2<ρ1v1时,R为负,两者相位相反,即相位差180°。这种现象称为“半波损失”。

联合式(1-8)和式(1-9),有

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由式(1-9)可以看出,透射系数T总是正的。这就是说,透射波与入射波的相位 永远是一致的。

2.地震折射波的形成

在图1-7中,若波从一种介质(v1)进入速度较高一侧的介质(v2)中时,透射角β 大于入射角α。随着入射角的增大,透射角也随之增大。当波以临界角ic 入射到分界面时,透射角β达到90°,根据式(1-4),有

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图1-7 地震折射波的形成

此时透射波沿界面以v2速度滑行,这种特殊的透射波称之为滑行波,滑行波的传播 速度v2称界面速度。

根据惠更斯原理,可以把滑行波经过的各点看做是新的振动源。由于界面上、下层介 质间存在着弹性联系,透射波沿界面滑行时必然引起上层介质质点的振动,于是,在上层 介质中就产生一种新波。这种新波在地震勘探中称为折射波,也称首波。折射波射线均以 临界角ic从界面射出,且彼此平行,然后又以ic入射到地面,如图1-7中的Pn所示。由于在临界点以内不产生折射波,故地面的OS0区间观测不到折射波,这个区间称为折 射波的盲区。

可见,利用折射波进行勘探必须满足其形成的基本物理条件:界面下方介质的波速大 于上覆介质的波速。在多层介质中,欲在任一介质层顶面形成折射波,必须是该层波速大 于上覆所有各层的波速。如果上覆介质有一层的波速大于其下伏所有各层的波速,则在这 些下伏层中都不能产生折射波。与反射波的形成条件相比,在同一剖面中,折射界面的数 目总是少于反射界面。因而,用折射波划分地质剖面要比用反射波划分地质剖面的能 力差。

(二)地震波的转换

当波倾斜入射到界面上时,除同类反射波和透射波 外,还会产生与入射波类型不同的波,这称为波的 转换。

如图1-8所示,当一P波以角α入射到界面上时,在界面法线方向和切线方向均有相应的位移分量。法向 位移引起介质压缩形变产生反射纵波RP和透射纵波 TP。切向位移则引起剪切形变而产生反射横波RS(确 切说是SV波,下同)和透射横波TS。反射角(αP,αS)、透射角(βP,βS)与入射角α满足关系式

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在同一介质中,由于P波速度大于S波速度,因而始终有

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图1-8 波的转换

横波SV入射与P波入射情况类似,SH波入射时只有反射SH波和透射SH波产生,而无转换波。

不论是P波入射,还是S波入射,通常把反射和透射后产生的与入射波性质相同的 波称为同类波,与入射波性质不同的波(如P波产生的S波,或S波产生的P波)称为 转换波。

在弹性分界面上,这四种波的能量分配,不仅与入射角有关,还与界面上下介质中P 波、S波的速度及密度等参数有关,情况比较复杂。

不仅如此,地震波在地层介质中传播遇到强反射界面时,除产生一次反射波外,还会 产生各种类型的多次反射波(图1-9),甚至于反射—折射波和折射—反射波等。因其多 次往返于界面间,传播路径长,能量弱,所以有时记录清楚有时不清楚。

在地震勘探中,多次波对一次反射波或折射波是严重的干扰。同时,如果将记录到的 多次波误认为一次波,则会导致解释界面深度的错误。因此在实际工作中,总是设法消 除之。

图1-9 不同类型的多次反射波

(三)视速度定理

如图1-10所示,设一平面波波前在t和t+△t时刻分别抵达地面上的x1和x2点,此时波前的传播距离差为△l,时间差为△t,于是有

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图1-10 真速度v与视速度v*的关系

式中v称真速度。但由于地震观测是在地面进行 的,这样就好像波沿测线以某一速度v*经△t时 间由x1传播到x2点,行进了△x距离。该速度 称视速度,即

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从图1-10可看出

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于是有

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式中:α为波射线与地面法线之间的夹角(称入射角)。

关系式(1-14)表示视速度v*和真速度v之间的关系,此称视速度定理。由该定理 可得出视速度的下列变化特征:

(1)当α=90°时,即波在地面沿测线方向传播,此时,v*=v;

(2)当α=0°时,即波在地下垂直地面传播,波前同时到达地面测线上的各点,此时,v*=∞;

(3)当波的入射角α由0°增大至90°时,视速度v*值则由无限大变至真速度v,因此 一般情况下有v*≥v的关系;

(4)在均匀各向同性介质中,由于真速度v不变,此时视速度v*的变化反映了地震 波入射角的变化。

(四)地震波的衰减

地震波在传播过程中,表征波特征的波形要被改造,其中最明显的是振幅衰减。下面 就波的扩散、吸收及散射等现象对波形的影响做以讨论。

1.地震波的扩散

地震波由震源向外传播时,随着距离的增加,散布的面积越来越大。因波的总能量不 变,故单位面积上的能量越来越少,波的振幅逐渐变小。

图1-11 表示从球心O向周围扩散的球面波。在 t1时刻传至半径为r1的位置,在t2时刻传至半径为 r2处。如果只考察波在t1和t2时刻扩散的部分球面 S1和S2(其能量密度分别为I1和I2),于是单位时间 流过面积S1的能量等于流过面积S2的能量,即

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因此

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图1-11球面波能量扩散示意图

从立体角dΩ的定义出发,有

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所以

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代入式(1-15),得

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因为能流强度I与振幅A的平方成正比,所以

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由此可见,几何扩散使球面波的能量强度随距离平方成反比衰减。这种现象称为球面 扩散。

实际的地球介质并非均匀介质,尤其是存在各向异性情况下,波的传播将不遵循球面 扩散的规律。

2.地震波的吸收

实践表明,地震波的弹性能量在传播过程中,不断被介质吸收,最后都转换成热能而 消失。弹性能转换成热能的过程称为吸收。

地震波的吸收,除与波的频率有关外,其振幅还随传播距离的增大按负指数规律变 化,即

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式中:A为地震波振幅;A0为地震波的初始振幅;r为传播距离;α(f)为与频率有关的 吸收系数,表示单位距离振幅的衰减率,有时亦用每一波长距离振幅衰减的分贝数(dB/λ)表示。

介质的吸收系数与该介质的性质有关,一般疏松胶结差的岩石吸收系数较大,坚硬致 密的岩石吸收系数较小。

此外,吸收系数还与波的频率密切相关。理论研究和实验结果表明,对于同一介质,吸收系数大小与波的频率成正比,频率越高,吸收越大。因此,地震波在传播中,高频成 分损失较快。

综合上述,地震波由于受波前扩散和吸收衰减,在介质中传播的振幅变化规律可用下 式表示:

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该式说明地震波随传播距离的增大,其频率逐渐变低,振幅越来越小。式中各符号含 义与式(1-19)中的相同。

3.地震波的散射

地震波在传播过程中,遇到不均质体或凸凹不平的面使反射波的传播方向变得没有规 律,这种现象称为散射。散射的结果使得地震波的能量分散。在地震记录图上表现为局部 波形畸变、不规则的到达时间和振幅衰减。

引起散射的不均质体有交互层、小断块、小礁块以及岩脉等。

研究地震波传播过程中的能量特征,是动力学地震勘探的重要内容,也是目前岩性地 震勘探的重要组成部分。



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