1、第一章 地震波的运动学第一节 地震波的基本概念一 地震波是在岩层中传播的弹性波 地下的岩石能传播地下的岩石能传播地震波吗地震波吗第一章 地震波的运动学几何地震学:研究地震波的波前的空间位置与其传播时间的关系 引用波前,射线等几何图形来描述波的运动过程和规律研究内容研究内容:地震波传播的基本概念和基本规律地震波传播的基本概念和基本规律讨论均匀介质讨论均匀介质,层状介质和连续介质中的反射波和折射波的层状介质和连续介质中的反射波和折射波的运动学运动学多次波的运动学多次波的运动学(chapter5)1绕射波和回转波的运动学绕射波和回转波的运动学(chapter7)第一节 地震波的基本概念一 地震波是在
2、岩层中传播的弹性波波动(wave):就是震动在介质（空气，水，岩层等）中的传播过程。弹性波(elastic wave):传播弹性波的介质 产生弹性波的条件:在介质中激发的振动2 第一章 地震波的运动学第一节 地震波的基本概念一 地震波是在岩层中传播的弹性波 弹性是物体在外力的作用下发生了形变，当外力去掉后，物体立即恢复形状，其所发生的体积或形状上的变化叫做弹性形变。人工激发地人工激发地震波震波炸药震源的爆炸过炸药震源的爆炸过程程第一节 地震波的基本概念一 地震波是在岩层中传播的弹性波 破坏圈 塑性带 弹性带破坏圈破坏圈塑性带塑性带弹弹性性带带第一节 地震波的基本概念一 地震波是在岩层中传播的弹
3、性波 地震波在地下传播地震波在地下传播地震可控震源也可地震可控震源也可以激发地震波以激发地震波海上空气枪激发地海上空气枪激发地震波震波可控震源可控震源)仪器车仪器车检波器检波器)地球的地震成像地球的地震成像 100 x100米野外露头断米野外露头断层层8kmx4km海上地震剖海上地震剖面面2D地震剖面地震剖面3D地震数据题地震数据题第一节第一节 地震波的基本概念地震波的基本概念波动：波动：振动在介质中的传播。振动在介质中的传播。一一、地震波是在岩层中传播的弹性波地震波是在岩层中传播的弹性波二、波的几个特征二、波的几个特征振动和波动的关系就是部分和整体的关系振动和波动的关系就是部分和整体的关系波
4、有一定的速率。波有一定的速率。波的频率等于震源的频率。波的频率等于震源的频率。2.波前、波后和波面波前、波后和波面波前：波前：介质中某一时刻刚刚开始振动的各点组介质中某一时刻刚刚开始振动的各点组成的面叫波前。成的面叫波前。波面：波面：介质中同时开始振动的各质点所组成的介质中同时开始振动的各质点所组成的曲面叫波面。曲面叫波面。第一节 地震波的基本概念二 波的几个特征1 波:振动在介质中的传播2 波前,波后和波面 波前波前波后波后地震波的基本概念波的几个特征 波前:把某一时刻介质中所有刚刚开 始振动的点连成曲面,这个曲面就叫 这个时刻的波前 波前波前波波前前地震波的基本概念波的几个特征 波后:把某
5、一时刻介质中所有刚刚停 止振动的点连成曲面,这个曲面就叫 这个时刻的波后 波后波后波后波后波后：波后：介质中某一时刻刚刚停止振动的各点组介质中某一时刻刚刚停止振动的各点组成的面叫波后。成的面叫波后。如图如图:在在t0时刻，波源开始振动，时刻，波源开始振动，过了一段时间到了过了一段时间到了t0 （t0 t0），），波源的振动可能停止了或暂时停顿了；波源的振动可能停止了或暂时停顿了；到了到了 t1 时刻，传播了一段距离。时刻，传播了一段距离。S:t1 时到波前，波是不时到波前，波是不 断前进的，波前、断前进的，波前、波尾是相对某一时刻的波前、波尾。介质波尾是相对某一时刻的波前、波尾。介质中的任何一
6、点都有一个波面。中的任何一点都有一个波面。在在V0区域：区域：波已经传播过去，振动已停止；波已经传播过去，振动已停止；在在V1区域：区域：介质振动正在进行；介质振动正在进行；在在V2区域：区域：波还没有传到；波还没有传到；在一定条件下，可以认为波及其能量是沿一在一定条件下，可以认为波及其能量是沿一条条“路径路径”从波源传到所考虑的一点从波源传到所考虑的一点P，然后，然后又沿那条又沿那条“路径路径”从从P点向别处传播，这样的点向别处传播，这样的理想路径就叫通过理想路径就叫通过P点的波线，又叫射线。点的波线，又叫射线。3.射线射线几何地震学几何地震学:利用波线的概念来研究地震波的传播问题。利用波线
7、的概念来研究地震波的传播问题。波前:把某一时刻介质中所有刚刚开 始振动的点连成曲面,这个曲面就叫 这个时刻的波前射线垂直与波前,指出了波的能量的传播方向are forms of anisotropy.(Compare with homogeneity.)震源震源距离距离(m)震源震源距离距离(m)波场模拟波场模拟From Tom Boyds WWW Site-http:/talus.mines.edu/fs_home/tboyd/GP311/introgp.shtmlWavefront at 65 msecsFrom Tom Boyds WWW Site-http:/talus.mines.e
8、du/fs_home/tboyd/GP311/introgp.shtmlWavefront at 80 msecsFrom Tom Boyds WWW Site-http:/talus.mines.edu/fs_home/tboyd/GP311/introgp.shtmlWavefront at 110 msecsFrom Tom Boyds WWW Site-http:/talus.mines.edu/fs_home/tboyd/GP311/introgp.shtmlWavefront at 140 msecs第一节 地震波的基本概念球面波球面波柱面波柱面波平面波平面波假设地下是各向同性介质
9、假设地下是各向同性介质第一节 地震波的基本概念由人工震源激发的地震波可以看成球面波由人工震源激发的地震波可以看成球面波第一节 地震波的基本概念由地下界面反射回来的地震反射波到达地面可以看成平面波由地下界面反射回来的地震反射波到达地面可以看成平面波第一节 地震波的基本概念 假想的假想的射线射线3 射线的概念射线的概念震源震源距离距离(m)第一节 地震波的基本概念一滴一滴水珠水珠看见波前和波看见波前和波后了吗后了吗?第一节 地震波的基本概念纵波传播的计算机模拟纵波传播的计算机模拟介质中某一点的振动曲线介质中某一点的振动曲线4 振动曲线和波形曲线相当于相当于某一地某一地震道的震道的记录记录地震子波的
10、概念爆炸点尖脉冲爆炸点尖脉冲离开爆炸点离开爆炸点10米左右米左右形成地震弹性波形成地震弹性波离开爆炸点离开爆炸点100米以后米以后波形稳定波形稳定,形成形成23相位相位延续延续60100ms地震弹性波地震弹性波the loss of energy as heat during propagation.This is more extensive at high frequency,so wavelets tend to contain less high-frequency energy relative to low frequencies at longer traveltimes.Som
11、e wavelets are known by their shape and spectral content,such as the Ricker wavelet.看看一个检波器的输出看看一个检波器的输出检波器的输出检波器的输出检波器检波器振动曲线：振动曲线：4.振动曲线和波形曲线振动曲线和波形曲线某一质点在不同时刻的情况；某一质点在不同时刻的情况；为了反应各点的振动之间的关系，把同一为了反应各点的振动之间的关系，把同一时刻各点的位移画在同一个图上时刻各点的位移画在同一个图上，即描，即描述某一时刻各质点偏离平衡位置的曲线。述某一时刻各质点偏离平衡位置的曲线。波形曲线：波形曲线：不同的质点可
12、能有不同的振动曲线；不同的质点可能有不同的振动曲线；不同的时刻有不同的波形曲线；不同的时刻有不同的波形曲线；在地震勘探中，通常把沿着测线画出在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫的波形曲线叫“波剖面波剖面”。5.正弦波的几个特征：正弦波的几个特征：正弦波正弦波:如果各点的振动都是谐振动。如果各点的振动都是谐振动。对于正弦波介质中各部分振动频率等于波源对于正弦波介质中各部分振动频率等于波源频率，周期频率，周期T和频率有固定值。和频率有固定值。（1）波长波长：1212 vv在一个周期内，正弦波沿着波线前进的距在一个周期内，正弦波沿着波线前进的距离叫波长。波源每振动一次，波长前进一离叫波长。波
13、源每振动一次，波长前进一个等于波长的距离个等于波长的距离，波源每秒振动的次数，波源每秒振动的次数就是频率就是频率f，波每秒前进距离是，波每秒前进距离是f（即波速（即波速v）。）。TVTfv或4 振动曲线和波形曲线两个不同时刻的波形曲线两个不同时刻的波形曲线相当于相当于沿地震沿地震测线的测线的波形曲波形曲线线4 正旋波的几个特征波长波长 周期周期 T频率频率 f速度速度 VT=1/f非正旋波的几个特征视波长视波长 *视周期视周期 T*视频率视频率 f*视速度视速度 V*T*=1/f*波峰波峰波谷波谷FIG.W-2.Wave definitions.For sinusoids,(a)how dis
14、placement at one point varies with time;(b)how wave looks at different places at a given instant.(c)If wavefront approaches at an angle,the apparent wavelength differs from the true wavelength.For nonperiodic waves,(d)dominant period is based on the time between principal adjacent troughs(or peaks);
15、(e)dominant wavelength is如果不是沿着波的传播方向而是沿着别的方如果不是沿着波的传播方向而是沿着别的方向来确定波速和波长时，所得结果叫做正弦向来确定波速和波长时，所得结果叫做正弦波的视速度和波长，波的视速度和波长，用用 和和 来表示。来表示。aVa（2）视速度：视速度：当涉及的波速和波长时，我们是沿着波的传当涉及的波速和波长时，我们是沿着波的传播方向来考虑问题。播方向来考虑问题。如图如图:BA 为沿着测线方向的视波长为沿着测线方向的视波长 BAaBA)()(SINaSINBABA波沿测线方向传播速波沿测线方向传播速度度 TVaaTV)(SINVVa.0;901)(aaa
16、aavvvVVSINv，地震波垂直地表传播：，地震波沿地表传播：的视速度。：称地震波沿测线方向。AB=ABsin=*sin*=/sin*V=/TV*=*/TV*=V/sinV V*体波体波横波横波纵波纵波P-wave地面地下反射界面SR反射点S-wave面波,determination of rock properties such as fracture density and orientation,Poissons ratio and rock type by crossplotting P-wave and S-wave velocities,and by other techniqu
17、es.Synonyms:shear wave,tangential waveMaking P WavesHeres how you do it:Tie one end of your Slinky to a hook on the wall or a door knob(close the door first).Holding the other end of the Slinky,walk away from the wall or door.Stop walking when the Slinky isnt sagging anymore.Dont pull the Slinky tig
18、ht;just take up the slack.Quickly jerk your end of the Slinky toward the wall then back.Dont let go of it.Youll see waves similar to P waves moving back and forth along the Slinky like in the picture below.(From Lutgens&Tarbuck,1989)Making S WavesThis is probably even easier than making P waves.Tie
19、one end of your rope to a hook on the wall or a door knob(close the door first).Holding the other end of the rope,walk away from the wall or door.Stop walking when the rope is barely sagging.Dont pull the rope tight;just take up most of the slack.Quickly jerk your end of the rope up and down once.Do
20、nt let go of it.Youll see waves similar to S waves moving along the rope like in the picture below(From Lutgens&Tarbuck,1989)面波面波瑞镭波瑞镭波勒幅波勒幅波三、地震波传播的规律三、地震波传播的规律 1、反射和透射反射和透射 当波入射到当波入射到2种介质分界面时，会发生反射种介质分界面时，会发生反射和透射。和透射。波阻抗波阻抗 Z=.VZ1=1.V1Z2=2.V2三 地震波传播的规律第二种介质第二种介质 22v（波阻抗）（波阻抗）当当 时：时：2211vv地震波才会发生反
21、射。地震波才会发生反射。11v第一种介质第一种介质 三 地震波传播的规律2D地震震源与检波器在一条线上地震震源与检波器在一条线上地表面地表面检波器检波器震源震源地层界面地层界面地面地下反射界面SR反射点地震勘探的基本概念地震勘探的基本概念三 地震波传播的规律三 地震波传播的规律2.反射定律和透射定律反射定律和透射定律入射面：入射面：入射线和法线入射线和法线NP所确定的平面垂所确定的平面垂直分界面叫入射面。直分界面叫入射面。11反射定律：反射定律：反射线位于入射面内，反射角等反射线位于入射面内，反射角等于入射角，于入射角，反射定律反射定律1 反射线在入射反射线在入射面内面内2 反射角等于入反射角
22、等于入射角射角虚震源虚震源震源震源透射定律：透射定律：透射线也位于入射面内，透射线也位于入射面内，而且：而且：avvvvv22112121sinsinsinsin透射定律透射定律1 透射线在入射面内透射线在入射面内2 入射角的正旋等于透入射角的正旋等于透射角的正旋之比等于第射角的正旋之比等于第一一,二介质中的波速之比二介质中的波速之比震源震源Sin1/V1=sin2/V2V1/sin1=V2/sin2表示沿着界面表示沿着界面,波在波在两种介质中传播的视两种介质中传播的视速度是相等的速度是相等的入射波入射波等时线等时线透射波透射波等时线等时线M-JL 时间时间与与FCG相同相同与与SKR相同相同
23、表示沿着界面表示沿着界面,波波在两种介质中传在两种介质中传播的视速度是相播的视速度是相等的等的而而LCK变化巨大变化巨大V1/sin1=V2/sin2表示：沿着界面，波在两种介质中传播表示：沿着界面，波在两种介质中传播的视速度是相等的。的视速度是相等的。全反射全反射:;1212 vv当当 到一定程度，但还未到到一定程度，但还未到 时，时，已增已增大到大到 ，这时透射波在第二种介质中沿界，这时透射波在第二种介质中沿界面面“滑行滑行”，出现，出现“全反射全反射”现象。现象。1。902。90开始出现开始出现“全反射全反射”时的入射角叫临界角时的入射角叫临界角 21sin,vvccV1/sin1=V2
24、/sin2当当V2V1时时 sin2 sin12=90度度-滑行波滑行波 -全反射全反射临界角临界角cSinc=V1/V2对于水平层状介质，各层的纵波，横波对于水平层状介质，各层的纵波，横波速度分别用速度分别用斯奈尔（斯奈尔（Snell）定律：）定律：表示入射波为纵波，入射角为表示入射波为纵波，入射角为 ，各层纵，各层纵横波的反射角和透射角分别用横波的反射角和透射角分别用 表示，表示，则：则：1psipi,PVSINVSINVSINVSINVSINVSINsisipipissppsspp)()(.)()()()(22221111P：射线系数iispspvvvv,11 3、费马（费马（Ferma
25、t)原理：原理：波在各种介质中的传播路线满足所用时间为波在各种介质中的传播路线满足所用时间为最短的条件。最短的条件。射线参数P=sinp1/Vp1=sinsv/Vsv=sins1/Vs1=sinpi/VpiPtPiPrSrStirfrtfta1,b1a2,b2Sini Sinr Sint Sinfr Sinft a1 a1 a2 b1 b2惠更斯惠更斯(Huygens)原理原理介质中波所传到的各点介质中波所传到的各点,都可以看成是新的波源都可以看成是新的波源,叫叫作子波源作子波源.可以认为每个子波源都向各方向发出微可以认为每个子波源都向各方向发出微弱的波弱的波,叫子波叫子波.子波是以所在点处的
26、波速传播的子波是以所在点处的波速传播的.Huygens PrincipleChristian Huygens-Dutch mathematician/physicist in 1600sdescribed light as wave energy,vs.particleshis observations apply to ANY kind of wave behaviorall pts on wavefront are pt sources of secondary spherical wavesthe tangent to these waves defines position of wa
27、vefrontfor near-field this tangent is curvedFurthermore.downgoing energy creates secondary pt sources at reflectorsthese pts generate upgoing energy that travels as wavefrontsthis far-field upgoing energy is also composed of planar tangents.while at far-field this wavefront is planarReflected energy
28、consider downward-traveling sound encountering a second layerfor now ignore energy transmitted into the second layerHuygenss Principle proves angle of incidence 1=angle of reflection 2 consider triangles ABY and AXYthese triangles share side AYside AX is defined as the same length as BYangles ABY an
29、d AXY are both 90therefore sin 1 and sin 2 are the same.and therefore 1 and 2 must be equalsin 1=length XY/length AY=tv1/AY andsin 2=length AB/length AY=tv2/AYrearranging-AY=tv1/sin 1 andAY=tv2/sin 2therefore-tv1/sin 1=tv2/sin 2 orv1/sin 1=v2/sin 2 orv1/v2=sin 1/sin 2Refracted energynow consider ene
30、rgy transmitted into second layerHuygens proves relation between ray angles+layer velocitiesconsider 3 downgoing rays encountering the v1-v2 interfacethe preceding is Snells Law solving for the refracted angle.sin 2=sin 1*(v2/v1)or2=arcsin(sin 1*(v2/v1)v1v2sin 1 1sin 2 2=think about limits.if v1=v2,
31、then 1=2(no refraction)if v1 v2,then 1 v2,then 1 2(rays dive towards vertical)Critical refraction-valid only when v1 v2as 1 increases,2 approaches horizontaleventually the“critical angle c”is reachedno energy is transmitted into lower layerenergy travels along boundaryHuygens explains upgoing energy
32、=“head wave”2=90sin 2=sin 90=1 and c=arcsin(v1/v2)beyond the critical angle,energy is totally reflected=principle of fiber optic transmissionDiffractionHuygens principle explains reflections from non-planar reflectorsif curve of reflector curvature of secondary wave,odd things resulteach pt of curve
33、d reflector=secondary pt sourcewaves appear to go around cornersreflections give misleading info about reflector geometryor if reflector has gap 1 wavelength of sound sourcethen near-field wave generation becomes important费马费马(Fermat)原理原理波在各种介质中的传播波在各种介质中的传播路线路线,满足所用时间最短满足所用时间最短的条件的条件.实实际际传传播播路路线线思考
34、题目思考题目用费马原用费马原理推导反理推导反射定律和射定律和透射定律透射定律3、费马（费马（Fermat)原理：原理：波在各种介质中的传播路线满足所用时间为波在各种介质中的传播路线满足所用时间为最短的条件。最短的条件。介质中波所传到的各点，都可以看成新的波源介质中波所传到的各点，都可以看成新的波源叫子波源，可以认为每个子波源都向各方向发叫子波源，可以认为每个子波源都向各方向发出微弱的波，叫子波。子波是以所在点处的波出微弱的波，叫子波。子波是以所在点处的波速传播的。利用惠更斯原理导出反射定律。速传播的。利用惠更斯原理导出反射定律。4、惠更斯（惠更斯（Huyaens)原理：原理：波速为330m/s,那么它的视频率和视波长各是多少?
