地震波的传播
地震波分为横波和纵波。
横波传播速度慢,只能在固态介质中传播。纵波传播速度快,可以在固态液态和气态介质中传播。地震波的横波不能在地核部分传播,只能在地壳和地幔传播。地震波纵波可以在地球地幔和地核传播。
影响地震波在岩层中传播速度的地质因素有很多,主要有:
岩石本身的弹性性质:包括杨氏弹性模量、拉梅常数、泊松比、体变模量等。这些因素与岩石的成分和岩石形成时经历的热力作用、压实作用程度相关。
岩石的岩性:岩浆岩、沉积岩和变质岩当中地震波波速不同,主要与岩性有关,而这一因素根本上是与成岩环境相关的,一般来说,岩浆岩当中的地震波波速较高,深变质岩中地震波波速也较大。
岩石的密度:岩石的密度主要与岩石所经历的压缩作用有关,密度大的岩石波阻抗一般比较大,其中的地震波波速一般较高。
岩石的埋藏深度:岩石埋深增大,压缩比较强烈(对于沉积岩来说,埋深增大则压实作用增强),波速也增大。浅部的岩石随着埋深增大,地震波速度梯度增大,但是深部的岩石则没有那么大的地震波速度梯度。
岩石的构造历史与地质年代:岩石的构造历史对岩石中地震波传播是有影响的,强烈褶皱的地区,岩石中的地震波速度增大,构造抬升而遭到风化破碎的岩石,地震波速度较小。地质年代老的岩石一般具有比年轻岩石更大的地震波速度。
岩石的孔隙度、流体速度和流体饱和度:由威里时间公式可以知道,岩石孔隙度越大,密度越小,波速变小,岩石当中流体速度增大,地震波速度增大,岩石当中的流体饱和度越大,剪切波的速度越小。
压力:上覆岩层压力增大,孔隙压力不变,地震波增加,孔隙压力增加而上覆岩层压力不变,则地震波速度减小。
岩石的结构:岩石的胶结程度越高,通常地震波速度越大。岩石越疏松,孔隙度越高,波速越小。
其他因素还有温度和地震波频率等。
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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即
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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。
地震波在均匀介质中的传播规律
(一)地震波传播特点 设均匀介质中地震波的传播速度为v,由惠更斯原理可知在地面附近爆炸产生的地震波,随着传播时间的增加,波前以速度v不断向前推进,不同时刻的波前面就是以爆炸点为中心的一簇同心球面,如图1-4-9所示。随着传播距离的增加,波前面半径不断扩大,球面不断扩张。根据费马原理,在均...
地震波传播三大规律 简要说明地震波传播所遵循的三大规律
又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱.横波 是剪切波:在地壳中的传播速度为3.4.0千米\/秒,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强.面波 又称L波,是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波.其波长大、振幅强,只能沿地表面传播,是造成建筑物强烈破坏的主要因素.
地震波的分类及特点
地震波的分类及特点如下:一、地震波可以分为体波和面波。体波是从地震震源点向各个方向传播的波动。其中,纵波P波是最快速传播的波动,其传播速度较快,能够经过固体、液体和气体介质。纵波让地面沿着波的传播方向发生压缩和扩张。二、地震波的特点 1、传播速度敏坦铅:地震波在地球内部和表面传播的...
地震波的传播速度
地震波的传播速度因波的类型和经过的介质不同而有所差异。纵波的传播速度较快,横波的传播速度较慢。纵波在地壳中的传播速度大约为5-7千米\/秒,而横波的传播速度大约为3-4千米\/秒。不过,这些速度会根据地下岩层的性质和结构有所变化。更具体的速度信息需要通过地震学研究和地质调查来获得。地震波的...
地震波是横波还是纵波
形成了连续介质中的弹性波。地震学的主要内容之一就是研究地震波所带来的信息。地震波是一种机械运动的传布,产生于地球介质的弹性。它的性质和声波很接近,因此又称地声波。但普通的声波在流体中传播,而地震波是在地球介质中传播,所以要复杂得多,在计算上地震波和光波有些相似之处。
地震中“横波”和“纵波”哪个的传播速度快?
地震中,纵波的传播速度快。纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米\/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱。横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3.2~4.0千米\/秒,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强。地震被按传播方式分为三种类型:...
地震波属于什么波
地质物理的概述 地震波按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波。纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米\/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱。横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3.2~4.0千米\/秒,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏...
地震波是沿直线传播的吗
不是,地震波分为横波和纵波,纵波垂直向上传播,横波则波状从震中向两边传播。以上是我个人愚见,希望对你有用
地震波的传播方向是?
地震波是横波,是沿着水平方向传播的,所以我们可以在很远的地方感受到别的地方发生地震。
地震一般有几波
地震波的破坏性 地震波按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波。纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米\/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱。横波是剪切波,在地壳中的传播速度为3.2~4.0千米\/秒,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏...
薄昆胆清:[答案] 横波是横向传播,纵波是纵向传播;横波比纵波的传播速度慢,横波只能在固体中传播,而纵波能在固体和液体中传播. 地震时,在陆地上,总是先感到上下颠簸,后感到左右摇晃;在水面上则只能感到上下颠簸. 在高一的地理书上有
海林市17129956540: 地震波的传播是怎样的 - ?
薄昆胆清:[答案] 在地壳上是横波和纵波,在莫霍界面是两种波速度突然增大,到达古登堡界面时横波消失,纵波速度减小,原因是横波只能在固体中传播
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薄昆胆清: 地震波按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波. 1、纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱. 2、横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3.2~4.0千米/秒,第二个到...
海林市17129956540: 地震波的传播速度是多少 - ?
薄昆胆清:[答案] 地震波分为纵波和横波,纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱.横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3.2~4.0千米/秒,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左...
海林市17129956540: 地震波有哪些传播方法 - ?
薄昆胆清: 地震波按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波.纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱.横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3.2~4.0千米/秒,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强.面波又称L波,是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波.其波长大、振幅强,只能沿地表面传播,是造成建筑物强烈破坏的主要因素.
海林市17129956540: 地震波以什么样的形式传播 - ?
薄昆胆清:[答案] 下面的图形形象地给出了说明.以加利福尼亚北岭地震为例,1994年1月17日,震级6.8北岭是位于洛杉矶以北不远的圣费尔... 物质粒子沿与波传播方向同方向作垂直的前后运动.地震学家利用这些地震波的到达时间来测定地球的内部结构. 这是地球的一...
海林市17129956540: 地震波能在空气中传播吗?若能,是怎样传播的呢?谢谢各位,多多指教哈. - ?
薄昆胆清:[答案] 地震波是一种声波,当然能在空气中传播.
海林市17129956540: 地震波怎么传播 - ?
薄昆胆清: 地震波是如何传播的?下面的图形形象地给出了说明.以加利福尼亚北岭地震为例,1994年1月17日,震级6.8北岭是位于洛杉矶以北不远的圣费尔南多谷中的一个社区,在1994年1月17日当地时间4:31 AM受到大地震的冲击.约60人死亡,财产...
海林市17129956540: 地震波的传播形式 - ?
薄昆胆清: 地震波的传播形式有横波和纵波两种形式.地震时,从震源同时传出横波和纵波,假设某地地震的横波和纵波的传播速度分别为3000米每秒和7000米每秒.某观测站接受到两种地震波的时间差为50秒,则先传到观测站的地震波是哪一种波,震中心据观测站的距离是多少:先传到观测站的地震波是:纵波!震中心据观测站的距离是多少:3000*87.5=262500(米)!
海林市17129956540: 地震波是怎么传播的 - ?
薄昆胆清: 横波是横向传播,纵波是纵向传播;横波比纵波的传播速度慢,横波只能在固体中传播,而纵波能在固体和液体中传播.地震时,在陆地上,总是先感到上下颠簸,后感到左右摇晃;在水面上则只能感到上下