工程与环境物探 精品课程 课 程 负 责 人 雷 宛 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
第1篇 地震勘探 地震勘探主要是研究人工激发的地震（弹性）波在浅层岩、土介质中的传播规律。其传播的动态特征集中反映在两个方面，一是波传播的时间与空间的关系，称为运动学特征；另一是波传播中它的振幅、频率、相位等的变化规律，称为动力学特征。前者是地震波对地下地质体的构造响应，后者则更多地表现出地下地质体的岩性特征，有时亦是地质体结构特征的响应。我们把上述两种特征统称为地震波的波场特征。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
工程地震勘探的基本任务就是通过研究地震波的波场特征，以解决浅部地层和构造的分布，确定岩、土力学参数等工程和水文勘探中所涉及到的地质问题。 本篇的重点是讨论地震波场的基本理论和方法。在此基础上，引入近年来在工程勘探和检测中较新或常用的方法技术，如瑞雷波法、CT成像技术、桩基检测、PS波测井等，并结合工程实例，讨论一般性应用问题。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
1．物探及其分类 1.1 弹性理论基础 地震勘察是通过观测和研究人工激发的弹性波在岩石中的传播规律来解决工程及环境地质问题的一种地球物理方法。 由弹性力学的理论可知，任何一种固体，当它受外力作用后，其质点就会产生相互位置的变化，也就是说会发生体积或形状的变化，称为形变。外力取消后，由于阻止其大小和形状变化的 1.1.1 理想介质和粘弹性介质 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
在外力作用下，自然界大部分物体，既可以显示弹性也可以显示粘弹性，这取决于物体本身的性质和外力作用的大小及时间的长短。 内力起作用，使固体恢复到原来的状态，这就是所谓的弹性。外力取消后，能够立即完全地恢复为原来状态的物体，称为完全弹性体，通常称之为理想介质。反之，若外力去掉后，仍保持其受外力时的形态，这种物体称为塑性体，亦称为粘弹性介质。 在外力作用下，自然界大部分物体，既可以显示弹性也可以显示粘弹性，这取决于物体本身的性质和外力作用的大小及时间的长短。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
地震波传播范围内，绝大多数岩石都可以近似地看成是完全弹性体（理想介质）来研究。 1927年勒夫（Love. A. E. H）证明由于弹性能是应变的单值函数，系数和必须相等，因此36个弹性系数可以减少到21个。当我们研究的弹性体如果是各向同性介质，勒夫进一步证明这些系数可以减少到只剩二个，我们把它表示为λ和μ，称为拉梅常数。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
当μ值比较大时，值就变小，这说明常数的物理意义是阻止切应变的一个度量，因此它常常亦被称为剪切模量。对于大多数岩土介质，帕，而对于液体，，此时切变无穷大 有时为了方便起见，除了上述二个弹性常数以外，还应用其他一些弹性常数。最普通的是杨氏模量E，泊松比σ和体积压缩模量K。这三个弹性系数的定义分别是：杨氏模量E表示为当圆的或多角形柱体试件，在其一端面上受力，而侧面为自由面时，所加应力与相对伸长之比， 。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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对于各向同性的弹性介质而言，5个弹性常数中只要知道其中的2个，就可求出另外的3个。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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③横波亦为线性极化波，因为其质点是在一维空间内振动。但由于在球坐标标内同r是互为正交的，故横波的质点位移振动方向有别于纵波，它同波的传播方面r垂直。 在研究中，通常把横波看作是由两个方向的振动所组成，一个是质点振动在垂直平面内的横波分量，称为SV波，另一个是质点振动在水平平面内的横波分量，称之为SH波，如图1.1.10。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
图1.1.10 横波的传播特征 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
1.2.1 振动图和波剖面 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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图1.1.11 波的振动图形 图1.1.12 波剖面图 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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1.2.2 地震波的频谱 由震源激发、经地下传播并在地面或井中接收到的地震波通常是一个短的脉冲振动，应用信号分析领域中的广义术语，称该振动为地震子波。它可以被理解为有确定起始时间和有限能量，在很短时间内衰减的一个信号。地震子波振动的一个基本属性是振动的非周期性。因此，它的动力学参数有别于描述周期振动的振幅、频率、相位等参数，而用振幅谱、相位谱（或频谱）等概念来描述。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
地震波的动力学特征既可以用随时间而变化的波形来描写，也可以用其频谱特性来表述。前者是地震波的时间域表征，后者则是其频率域表征。由于它们具有单值对应性，因此在任何一个域内讨论地震波都是等效的。 地震子波的另一个属性是它具有确定的起始时间和有限的能量，因此经过很短的一段时间即衰减，衰减时间的长短称为地震子波的延续时间长度，以后将会讨论到，它决定了地震勘探的分辨能力，而且可以很容易地证明：地震子波的延续时间长度同它的频谱的频带宽度成反比。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
1．波的吸收衰减由于地下介质的非完全弹性和不均匀性，当地震波通过地层介质传播时，会出现波的吸收现象。此时，介质的振动粒子之间产生摩擦，地震波的一部分能量转换成热。地下介质弹性越好，能量损失就越少。这表明分选、胶结好的地层波的吸收作用也小。由此可得出以下结论：波的吸收一般随着深度的增加而减小。浅层地震勘探中，因调查的目的层大多为未胶结的第四系软土沉积层，故地震波在软土地层中传播时波的吸收作用大。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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在实际介质中传播时，由于介质的吸收衰减作用，滤去了较高的频率成分而保留较低的频率成分，岩土介质的这种作用称为大地滤波作用。高频成分的损失，改变了脉冲的频谱成分，使频谱变窄，因而使激发的短脉冲经大地滤波作用后其延续时间加长，分辨率降低。如图1.1.21所示，这种经大地滤波作用后输出的波称为地震子波。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
图1.1.21 大地滤波作用对波形的改造 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
图1.1.22 惠更斯原理示意图 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
费马原理表明，地震波沿射线传播的旅行时和沿其它任何路径传播的旅行时相比为最小，亦波是沿旅行时间最小的路径传播(最小时间原理)的。 2．费马原理 费马原理表明，地震波沿射线传播的旅行时和沿其它任何路径传播的旅行时相比为最小，亦波是沿旅行时间最小的路径传播(最小时间原理)的。 在时间场内，将时间相同的值连起来，组成等时面，等时面与射线成正交关系。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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1.3.1 平面波的反射和透射 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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1.3.2 横向分辨率 广义绕射理论说明，地面上某点O（自激自收点）的能量都是地下界面上每一绕射点对它“贡献”的结果，问题是每一个点的“贡献”都是等量的吗？理论和实践证明它们不是等量的并且有一个确定的范围。分析认为在地面O点观测到的波的能量主要是由该范围内的绕射点形成的绕射波对该观测点的“贡献”。这个带我们称为菲涅尔带。如图1.1.36所示。从O点发出一球面波，波前到达界面上时形成绕射，考虑到所有绕射对O点的贡献，要使得所有绕射 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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图1.1.37 反射波的透过损失 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
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影响地震波速度的因素： 1．岩土介质的密度 一般情况下，岩石越致密，波速越高， 2. 即同样岩性的岩土介质，当孔隙度大时，其速度值相对变小。 2. 即同样岩性的岩土介质，当孔隙度大时，其速度值相对变小。 3．地层埋深和地质年代 一般情况下岩石埋藏得越深，反映它们的年代越老，承受上覆地层压力的时间长、强度大，这就是所谓的压实作用。因此同样岩性的岩石，埋藏深、时代老的要比埋藏浅、时代新的岩石速度更大。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
当已知弹性模量及密度可求取纵横波速度值，反之，由纵横速度值可求得各种弹性模量 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
1.4.1 浅层地震地质条件 地震勘探的效果在很大程度上取决于工作地区是否具有应用地震勘探的前提，也就是工区的地震地质条件。在浅层地震勘探中，其地震地质条件主要是指浅部岩土介质的性质和地质特征，以及地表的各种影响因素。可从以下几个方面来讨论。 1．疏松覆盖层 2．潜水面和含水层 3．地质剖面的均匀性 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
对地震工程而言，从动力学的观点—--按弹性波速划分地层，应该说更为合理。 4．地震界面和地质界面的差异 地震界面是指地震波传播时与波速变化有关的波阻抗差异界面（物理界面），而地质界面是岩性不同或时代不同的界面（与波速无关，即使波速大致相同的地层，只要地质学的记述不同，也认为是属于两个地层）。 对地震工程而言，从动力学的观点—--按弹性波速划分地层，应该说更为合理。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院
对“地震标志层”的基本要求是，必须在较大范围内分布稳定，且具有较明显的地震波运动学和动力学的特征。 5．“地震标志层”的确定 对“地震标志层”的基本要求是，必须在较大范围内分布稳定，且具有较明显的地震波运动学和动力学的特征。 返回 结束 成都理工大学信息工程学院