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地震波的振幅

归档日期:10-13       文本归类:初振幅      文章编辑:爱尚语录

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  地震波的5261振幅是地震波的动力4102学性质之一,研究地震波振1653幅在地震勘探中具有极重要的意义。在进行地震勘探的野外工作时,首先就要考虑采用何种激发方式产生能量较强的地震波;选择一个怎样的接收方法才能利于接收地震波振幅,压制干扰波振幅。在设计地震仪时,则是考虑使地震波的振幅能真实地被记录下来;在数字处理中尽量不产生振幅的畸变。在地震资料构造解释中,进行反射层的对比追踪时,主要利用的也是反射波的振幅标志。近几年来亮点技术的发展,赋予反射波振幅以新的含义,可用作划分岩性和寻找油气藏的标志(所谓亮点指反射波振幅强的意思)。

  实践表明,地震波从激发、传播到被我们接收,其振幅随传播距离的增加而衰减。地震波振幅衰减的结果,往往造成深层反射波的振幅比浅层反射波振幅小几百倍至数万倍,有时甚至得不到深层反射波。造成地震波振幅衰减的主要因素是什么呢?这些因素又是怎样影响地震波的振幅呢?这就是我们下面要讨论的问题。

  地震波从激发、传播到被我们接收,它的振幅和波形都要发生变化。影响其变化的因素很多,如图1-5-8所示,归纳起来主要有三类。第一类是激发条件的影响,它包括激发方式(爆炸或其他),激发强度、组合激发的效应、震源与地面的耦合状况等。第二类是地震波在传播过程中受到的影响,包括波前扩散、地层吸收、反射系数大小、透射损失、入射角大小、多次反射、波型转换等造成的衰减。第三类是接收条件的影响,包括检波器、放大器及记录仪的频率特性对波的改造,检波器的组合效应,检波器与地面的耦合状况等。除此之外,反射界面的弯曲和粗糙程度也对地震波振幅有影响,地下凸界面使反射波分散,振幅减弱;而凹界面有聚焦作用,使反射振幅增强。界面的粗糙会产生散射使振幅变弱。我们主要讨论与地下地层岩性直接有关的第二类因素,其中波前扩散、地层吸收、透射损失、反射系数大小、波的散射等因素是影响地震波振幅衰减的主要地质因素。

  地震波在传播过程中,波前面随传播距离的增加,其能量分散在越来越大的波前面上。

  在均匀介质中,震源为点震源时,波前面是球面。随传播距离的增大,球面逐渐扩大;从震源发出的总能量不变时,单位面积上的能量相对减少了,振幅也就变小,这就是波的球面发散(波前扩散)。

  由上式表明,在均匀介质中,反射波的振幅与传播距离成反比,即按照1/r 规律衰减。在层状介质中,由于深层的速度大于浅层,波的射线为折射线,此时波前面比均匀介质大,故因波前扩散而衰减的速率比均匀介质快。图1-5-9中示意画出了波在均匀介质和层状介质中波前扩散的情况。

  实际的地层并非是理想的弹性介质,地震波在传播过程中的衰减要比在理想弹性介质中传播衰减大得多。这主要是由于地震波的一部分能量用于克服介质内部颗粒间的内摩擦而产生热能损耗掉了,从而使地震波的振幅产生一种附加衰减。这种由于介质非完全弹性所引起的地震波振幅的衰减,叫吸收衰减。

  根据弹性黏滞理论可知,均匀的非完全弹性介质产生的吸收作用,将使地震波的振幅随传播距离的增大呈指数规律衰减。即

  式中,A0为初始振幅,即A0为r=r0处的振幅;r为波传播距离;α(f)为地层吸收系数,它是频率的函数,它的单位为1/m,表示单位距离内振幅的衰减率,α(f)=α0f,α0是与介质的非完全弹性质有关的系数;Ar为传播距离为r时的振幅。

  (1)地震波传播距离越大,振幅衰减就越大。即随传播距离增大,其相应振幅将按指数规律迅速衰减。

  (2)地震波的频率越高,振幅衰减越大。因为α(f)=α0f,即吸收系数与频率成正比。在其他条件相同的情况下,高频成分更易被吸收;地层对波的这种作用为低通滤波作用。因此,地震波在传播过程中随传播距离增大,振幅会变小,且频谱也会变低。

  (3)波在坚固而致密的岩石中传播时,吸收作用较弱;但在疏松的低速层中传播时,吸收作用就很明显。这主要是由于坚固、致密岩石的吸收系数α(f)值大的缘故,实际观测结果也证明了这点。

  可以把地层当成一个滤波器,脉冲波在其中传播时,随传播距离的增加,波谱不断变化,低频成分相对增加;视周期增大,波形发生变化。利用吸收现象可以研究介质的吸收性质和结构。

  地震波在传播过程中,当遇到地下岩层分界面时,一部分发生反射,一部分发生透射。根据能量守恒定律,入射波总能量等于反射波能量和透射波能量之和。透射能量与入射能量相比就减少了,这种能量衰减叫中间界面的透射损失。

  设地下存在二个水平界面,反射系数分别为R1和R2,如图1-5-10所示。当入射波的振幅A0近法线入射到第一个界面时,产生透射波,透射系数T=1-R1;波继续向下传播遇到第二个界面时,发生反射,并由下向上第二次透过第一个界面,这时R1变为负值,透过界面,T′=1-(-R1)=1+R1。波两次透过R1界面,把T与T′的乘积叫做双程透射系数Td,写为

  其取值范围为(0,1)之间。正因为双程透射系数Td总小于1,表示反射波振幅因透射损失而减弱。下面我们看一下经过R1界面透射,再由R2界面反射,最后透过R1界面返回到地面的地震波振幅A2是多少?

  同理可得,当地震波透过n个界面时,在n+1个界面上反射回地面的反射波振幅An+1应为:

  由上分析可知,透射损失,即为地震波传播时透过界面所发生的能量损耗,它与透过界面的反射系数大小和反射界面的数目有关。一般界面反射系数越大,反射界面越多,则透射损失就越大。因此对于单个反射层来说,即使反射系数较大的强反射层,其透射损失也不会很大;但透过多个界面时,即使反射系数较小,其透射损失还是很大的。例如,通过反射系数为0.2的反射层时,透射损失,衰减后的振幅是原来振幅的96%。透过100个反射系数仅为0.06的反射界面时,透射损失后的振幅为原来振幅的69.72%。可见透射损失是很大的。

  波在传播过程中,遇到粗糙界面或小于等于地震波波长的不均匀体时,波在不均匀体表面产生漫散射或绕射,形成向各个方向传播的波,这种现象叫波的散射现象(图1-5-11)。

  由于波的散射现象使地震波能量分散,振幅衰减,高频成分减少。在地震记录上则会形成没有规则的杂乱反射。

  反射系数是影响地震波能量的主要地质因素。在前面我们比较详细地讨论了当平面波垂直入射到两种介质的分界面时,反射系数的大小定义为

  。即当入射波振幅一定时,则反射波振幅的大小,完全取决于反射系数R的大小;R绝对值越大,则反射波振幅就越大,表明被反射回去的反射波能量就越强。

  如果地下实际介质存在几个反射界面的话,地面可以接收到每一个界面上的反射波。每个界面反射波的形态决定于激发波形态和介质对它们的“滤波”改造作用,每一个界面反射波的振幅则由波前扩散、介质吸收、透射损失及反射系数诸因素所决定。如果用A0表示入射波振幅,α表示吸收系数,r表示波的传播距离,则在地面上接收到第n个界面反射波的振幅:

  由公式(1-4-3)或式(1-4-4)可知,反射系数的大小与界面两侧岩石的波阻抗Z=ρ·v有关,即与界面两侧的岩层有关。因此由反射系数的变化引起的地震波振幅的变化,实际上反映了界面两侧岩性的变化。在我们的实际工作中,如果对接收到的反射波振幅做波前扩散、透射损失、吸收衰减、波的散射等方面的补偿工作,即消除上述各因素对地震波形和振幅的影响,使我们接收到的地震波振幅波形的变化只与界面的反射系数有关(即An=A0·Rn),这种剖面我们称为“真振幅”剖面。利用这种资料可以达到岩性解释的目的。

  利用波的动力学性质来研究地层岩性是地震勘探发展的重要方向,它是岩性地震学的重要组成部分。目前国内外已做了许多研究工作,有的研究工作已成功用于生产。

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