2 、地震波运动学

地震勘探的基本任务之一是确定地下的地质构造，解决该任务主要是利用波的运动学特性，即研究地震波在传播过程中波前的空间位置与其传播时间之间的几何关系，这种关系可用时间场来描述 .如果已知各种波的时间场，即可得到这些波的运动学特征的完整概念。本章主要讨论地震波运动学的正、反演问题。正演问题是给定地下界面的产状要素和速度参数等，求各种波（包括直达波、折射波和反射波等）的时间场，反演问题是根据实际获得

的时间场求取

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地下界面的几何形态和运动学参数等。

直达波即是从震源点出发不经反射或折射以地表速度直接传播到各接收点的地震波。当震源位于地表附近，并采用纵测线观测时，其时距曲线方程为：

2.1.1 直达波时距曲线


*/ vxt （1.2.1）

其中 *v 为波沿测线传播的视速度， x为传播距离。当接收点在原点（激发点）左侧时，上式取负号。

由方程可见，该时距曲线为一条过原点 O 的直线，

该直线斜率的倒数即为 *v 。即

txv /* （1.2.2）

当忽略震源深度时，一般可近似认为 *v等于表层层速

度 1v 。其时距曲线参见图 1.2.1。


显然，在一定观测范围内，直达波最先到达接收点。

1．单一水平折射层

02

tV

xt

（1.2.5）

水平层的折射波时距曲线是一条斜率为 2/1 V 的直

线，将折射波时距曲线延长到时间轴，其截距 0t 称作

交叉时（它不是自激自收时间）。

2.1.2 折射波时距曲线


交叉时与折射界面法向深度有关，对资料解释有意义。时距曲线斜率的倒数等于界面速度。

由图 1.2.1 可见，时距曲线的 D点为折射波的始点， D 点内无折射波，为折射波的盲区， D 点以外，折射波先于反射波到达接收点，且在一定范围外，也先于直达波到达接收点。


相遇时距曲线：两支时距曲线斜率不同，下倾

方向接收视速度小，时距曲线陡；上倾方向接收视

速度大，时距曲线平缓，另外，由于上倾 O1激发，

在下倾 O2接收与下倾 O2激发、上倾 O1处接收时波

的旅行路径一样，满足互换原理，旅行时间 T相等，

T称作互换时间.


V

Ht

20 为自激自收的反射时间，

2

220

2

V

xtt

（1.2.20）

2

241

x

HV

dt

dxVa

（1.2.21）

2.2 单界面反射波时距曲线

2.2.1 单一水平界面


任一观测点 P 的反射波旅行时 t 和同一反射界

面的双程垂直时间 0t 的差，定义为正常时差 t

02

2

2 tV

xt （1.2.22）


在浅层高分辨率地震反射勘探中，为解决近炮点处接收到的浅层反射波正常时差小，不易准确求取速度的问题，常采用扩展排列接收，求取地层速度。使用正常时差可判断地震记录上的同相轴是正常的反射波，还是强干扰背景条件下接收到的相干干扰波等噪声；共深度点叠加前需要消除正常时差，正常时差也是速度分析的基础。


2

220

2

V

xtt

（1.2.34）

其中

2/1

1

2

1

i

n

i

ii

n

i

t

Vt

V （1.2.35）

称为均方根速度。

2.3 水平层状介质反射波时距曲线


在水平层状介质情况下，当入射角 i 较小时，

亦即当炮检距较小时，水平多层介质的反射波时距

曲线形式上和均匀介质的相似，但要用均方根速度

V 代替上覆地层的速度。把地层介质假想成具有均

方根速度的均匀介质，当 5.0/ hx 时，这种假想引起

的误差很小，但随炮检距加大，则误差增大。

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由于浅层界面的反射波时距曲线陡，而深层的反射波时距曲线平缓，所以在远炮检距处，深、浅层的反射波时距曲线可能相交，而在近炮检距处不相交，这就决定了在浅层地震反射勘探中常采用近炮点处接收。


τ —P 变换：

实际工作中还可以在 p 域里应用射线参数 p 值（或称时距曲线的瞬时斜率）和它在时间轴上的截距

来描述波的轨迹。这样做的好处在下面的讨论中可以看到，在 xt 域内各种波互相交叉干涉构成复杂的时距关系，而在 p 域内则各自分离，这就给后来的资料处理分辨各种类型的波带来方便。

由 xt 域变换到 p 域，从数学上相当于做了一次坐标变换，其关系如下

pxt (1.2.43)


在 xt 域内为双曲线的反射波，在 p 域内变

为椭圆，其长半轴为V

1，短半轴为 0t 。如图 1.2.12

所示。

图 1. 2. 12 －p域内各种波的分布


直达波与反射波在 p轴上共点。而面波时距曲线因

斜率大于直达波时距曲线，故 p值大， “ ”面波的点位

于椭圆以外。折射波时距曲线由于与同一界面的反射波

时距曲线相切， “ ”折射波的点位于椭圆上与临界角对

应的 p值处。

因此，在 xt 域内相互干涉的时距曲线，经变换至 p

域后都相互分离。


常用于浅层及中浅层地震勘探和工程检测的仪器性能指标见表 1.3.1

3.1 常用仪器及性能指标


型号生产厂家道数增益

(最大值)

A/D

位数低切截频高切截频采样率动态范围

MCSEIS-1500B系列 TR8 日本 OYO公司 24 固定

94dB 8 5Hz

200Hz

700Hz 50s-1ms 42dB

MCSEIS-1600 日本 OYO公司 24-96 固定

90dB 12(8)

12Hz 24Hz

48Hz

70Hz 140Hz

280Hz 10s-5ms

66dB

(42dB)

9012 美国 Bison公司 12 浮点

130dB 16 4-1020Hz

125, 250, 500,

1000, 2000(Hz) 50s-2ms 大于 130dB

Bison series * 9000

9024 美国 Bison公司 24 浮点 130dB 16 4-1020Hz 同上同上大于 130dB

ES-1210F 美国 E G & G 公司 12 固定 96dB 10 30-300Hz

通频带内可调

30-300Hz

通频带内可调 50-2ms 54dB

ES-2415F 美国 E G & G 公司 24 固定 102dB 8 10-290Hz 10-990Hz 1/8-4ms 42dB

AGC 80dB

ES-2420 美国 E G & G 公司 24至 512 浮点 100dB 15 5-320Hz 45-1440Hz 1/4, 1/2, 1, 2, 4ms 大于 100dB

R24* 美国 E G & G 公司 12, 24

48 浮点 138dB 18 10-400Hz

根据t

自动设定 31s-2ms 大于 138dB

MARK6* 瑞典 A B E M 公司 24,48 浮点

126dB

18+3位浮点

放大 12-240Hz

根据t

自动设定 25s-2ms 大于 126dB

DHR-2400 美国 I/O公司 24 固定

122dB 12 90Hz等 300Hz等

1/4, 1/2,

1, 2, 4ms 66dB

SWS-2* 北京水电物探

研究所 1-48 浮点大于138dB 20

0.5-4000Hz

通频带内可调

0.5-4000Hz

通频带内可调 30s-2ms 大于 138dB

检波器是安置在地面、水中或井下以拾取大地振动的地震探测器或接收器，它实质是将机械振动转换为电信号的一种传感器。现代地震检波器几乎完全是动圈电磁式 ( 用于陆地工作）和压电式 ( 用于海洋和沼泽工作 ) 的。这里只介绍接收纵波的垂直检波器。

3.2 检波器


自然角频率 0 ，又称为固有频率。

3.3.1 炸药震源

1．锤击震源

2．落重法震源

3．电火花震源：

4．横向击板法震源

5．电磁式激振器

3.3 震源


在数据采集中，埋置于地面的检波器可接收到来自于地下多种波的扰动，其中只有可用于解决所提出的地质任务的波才称为有效波，所有妨碍有效波识别和追踪的其它波称为干扰波。由此可见，在反射纵波法勘探中，一般只有反射纵波是有效波，其它波属于干扰范畴．在反射波法勘探中，根据各种环境、激发以及传播因素产生的干扰的动力学和运动学特点，将干扰波分为两类，其一是规则干扰波，其二是不规则干扰波。

4.1.1 有效波与干扰波


干扰波，下面分述其主要特点：

1．规则干扰波

规则干扰波主要有：声波、面波、工业电干扰、多次反射波、侧面波以及绕射波等。其主要特点为在时间或空间上表现出一定的规律性，能量一般较强。与有效波的差异主要表现在频率、视速度和到达时间三个方面，并且大部分干扰主要表现出视速度和到达时间二个方面与有效波存在差异。如面波、声波和多次反射波等。其波谱特征见图 1.4.2 。


2．不规则干扰波

它主要包括微震（即与激发震源无关的地面扰动），低频和高频背景等。其主要特点是在时间和空间上表现出无规律性，即是一种随机的能量较强、频率不定的干扰。


图 1.4.4 用综合平面图表示观测系统

在对一条测线进行观测时，为提高效率，通常都是每放一炮，多个观测点进行观测，每次激发时所安置的多道检波器的观测地段称为地震排列。我们把激发点与接收排列的相对空间位置关系称为观测系统。显然可见，观测系统的选择和设计与勘探地质目的、干扰波与有效波的特点、地表施工条件等诸因素有直接关系．下面我们就常用的几种观测系统的图示和设计进行论述。

4.1.2 观测系统


1．综合平面图示法

如图 1.4.4 所示，它是目前生产中最常用的观测系从分布在测线上的各激发点出发，向两侧作与测线成 45角的直线坐标网，将测线上对应的接收排列投影到该 45角的斜线上，并用颜色或加粗线标出对应线段。

图 1.4.4 用综合平面图表示观测系统


2．简单连续观测系统

由于在排列两端分别激发，所以又称双边放炮观测系统。又因该观测系统对地下反射界面仅一次采样，所以又称为单次覆盖观测系统。所得的地震剖面为单次剖面。

如果震源固定在排列的一端激发。每激发一次，排列沿测线方向向前移动一次 (半个排列长度 ) 。那么这种观测系统叫做单边激发 ( 或叫单边放炮 ) 简单连续观测系统，如图 1.4.5（ b ）。


如果震源位于排列中间，也就是在激发点的两边安置数目相等的检波器同时接收，这种观测形式叫做中间激发观测系统 ( 或叫中间放炮观测系统 ) ，如图 1.4.5（ c ）所示。


图 1.4.5 简单连续观测系统

a-双边激发； b- 单边激发； c- 中间激发； d- 间隔单次覆盖


4．多次覆盖观测系统

为了压制多次反射波之类的特殊干扰波，提高地震记录信噪比，采取有规律地同时移动激发点与接收排列，对地下界面反射点多次重复采样的观测形式叫多次覆盖观测系统。


xn

NSv

2 （1.4.1）

其中 N为仪器接收道数，n是覆盖次数，S为系数，单边放炮

时取 1，双边放炮时取 2。计算可得本例中的 xv 2 。观测

系统的绘制方法为：在方格纸上按比例尺画一条水

平直线，代表地震测线，将所有炮点按其沿测线的

设计位置标上，过各炮点作 45角斜线即为共炮点

线，其长度由排列的投影决定。过共反射点在测线

上的投影点作垂线，此垂线称为共反射点线，凡与

其相交的共炮点线上的道号组成共反射点道集。


1．采样率

2．滤波档

3．前放固定增益

4.1.3 观测参数选择

4.1.3.1 仪器因素


1 ．道间距 x

选择 x 大小的总原则为：经过处理后能在地震

剖面的相邻道上可靠地追踪波的同一相位并且不出

现空间假频，根据采样定理有

*max

**min

22 f

Vx

（ 1 . 4 . 3 ）

2 ．偏移距 — 激发点至排列中第一个接收点之间的距

离（最小炮检距）

4.1.3.2 道间距和偏移距


最佳接收地段又称为“最佳时窗”。在最佳时窗内接收，可避开面波和折射波的干扰，此外，其反射波振幅随炮检距的增大而减小，相位随炮检距的增大而基本保持不变。可见。最佳时窗的选取关键在于选取接收排列的两个端点。即选择偏移距和最大炮检距。

4.1.3.3 最佳接收段问题


从高分辨率地震勘探的角度考虑，激发和接收的总原则为：小药量激发，宽频带接收，观测系统采用小道距、小偏移距、无组合检波、合适的覆盖次数观测。

地震资料数字处理是指用计算机对采集的原始资料进行以压制干扰，提高信噪比和分辨率，提取地震参数为目的的一整套处理方法和技术。它可为资料解释提供反映地下结构和岩性等的地震剖面和参数。

4.2 资料处理


图 1.4.19 二维反射纵波多次覆盖资料处理流程图


所谓预处理，是在对数据作实质性处理之前为满足一定的计算机结构要求以及处理方法要求，对输入的原始数据所必须完成的一些准备工作。

1．数据重排（解编）

目前常用的地震仪的记录格式一般是SEG-B格式、 SEG-D格式或 SEG—2格式等。 2．不正常道、炮处理

3．抽道集

4.2.1 预处理


数字滤波的特殊性

1 ）伪门现象

2 ）吉普斯现象

4.2.2 频谱分析

4.2.3 数字滤波处理


1．反滤波的基本概念

所谓反滤波仍然是一个滤波过程，这种滤波过程的作用恰好与某个其他滤波过程的作用相反。

2.静校正

表层因素的校正，即静校正。

静校正一般分为野外 ( 一次 )静校正和剩余静校正等 .

4.2.4 反滤波


在水平迭加中，动校正处理是针对共反射点道集进行的。它把炮检距不同的各道上来自同一界面同一点的反射波到达时间按正常时差规律校正为共中心点处的回声时间。以保证实现同相迭加，使得迭加后的记录道变为自激自收的记录道，从而直观反映地下构造形态。

4.2.5 动校正处理


常规叠加是将道集中经过动、静校正后的各道上序号相同的采样值取算术平均值，组成叠加道输出。

速度扫描的基本原理：

4.2.6 速度分析


试验速度中有一个恰好等于真实速度 )( 0RtV ，则由它确

定的所 Nttt ,,, 21 连成的曲线与实际反射双曲线同相轴一致，

能保证同相叠加，叠加值 1A和 2A获最大；用其他试验速度算出

的叠加值都较小。这种改变试验速度，计算到达时，取值叠

加的过程相当于改变双曲线形状、按不同双曲线拾取信号叠

加（图 1.4.45(b))的过程。只要在速度谱线上找出最大值，即

可确定 Rt0 时刻的速度。以上是对一个固定的 0t 而言。改变 0t

值，重复上述计算，就可以把整张记录上所有实际存在的同

相轴所对应的速度全部找出来，从而确定速度随 0t 时间的变

化规律（图 1.4.45 (d)）。


1．各种速度的概念及计算

1 ）真速度：

2 ）层速度：

4.2.7 各种速度的概念及相互关系


我们还可利用速度谱求得的均方根速度 V 或等效速

度 eV 用 Dix公式求得，即，对于水平层状介质，速度

谱求得的迭加速度 aV 等于均方根速度 V ，此时

2/1

1,0,0

21,1,0

2,,0

nn

nnnnn tt

VtVtV

（1.4.56）

3）平均速度：

n

iiiiii

n

i

t

ttVtVt

nV,0

2/11,0,0

21,1,0

2,,0

1

)])(,[(

)(

（1.4.58）


4）均方根速度：

2．各种速度之间的关系。

iii ttVH 000 )(2

1 （1.4.60）

4.2.8 时深转换


1．速度分析

常规速度谱分析不考虑频率因素。它所得到的叠加速度是对应于反射信号的主频的。即按速度分析得到的速度进行动校正，只能使反射波的主频分量同相叠加，而不能保证高频分量同相叠加。另外，速度分析的精度受信噪比和静校正的影响很大。不具备一定优势信噪比带宽的资料无法做速度分析。

4.2.9 常规处理中影响分辨率的有关环节


2．动校正

动校正使 CDP道集中来自同一反射点的反射波同相对齐，以便同相叠加。因此，动校正的精度直接影响到叠加效果。动校正除受动校正速度的精度影响外，还存在动校拉伸问题。

3．静校正

常规静校正不考虑频率因素，不能保证高频成分对静校正的精度要求。


4．水平叠加

水平叠加使高频信号受到损害。


2 、 地震波运动学

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