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1中南大学《浅层地震》课程教案编写人：周竹生2005年3月第一部分教学大纲一、本课程的适应层次、专业与参考学时浅层地震方法及应用是适用于地球探测与信息、矿产普查与勘探、油气田开发工程及其它相关专业本科和研究生的一门选修课程。该课程参考学时74学时，其中实验实习10学时。二、课程的性质、目的和基本要求浅层地震方法及应用是适用于地球探测与信息、矿产普查与勘探、油气田开发工程及其它相关专业的一门选修课程。它是根据地球物理学原理来解决矿产、工程、石油、环境及国防等领域中存在的地质问题的一门学科，是地勘、工程、水文及环境勘查的重要方法之一。通过本课程的学习，要求学生了解本课程的基本原理和野外工作方法技术，特别在解决工程与环境地质问题时的抗干扰、提高分辨率的措施，提高学生应用地震新方法解决相应地质问题的实际能力。这就必须加强实验实习课的份量，跟上目前工程建设和环境地质灾害探测对人才的要求。三、本课程的基本及重点内容根据教学计划要求和课程性质，本课程的教学内容主要包括：①物探分类、浅层地震特点及发展史；②弹性波的基本理论；③地震波的时距曲线；④地震勘探野外数据采集技术及方法；⑤地震数据处理技术；⑥地震资料的解释与应用；⑦工程地震新技术。本课程的重点是地震勘探野外数据采集技术、处理技术、解释技术及工程地震新方法。地震勘探方法始于上世纪40年代处，经过半个多世纪的深入研究和运用，地震勘探技术得到了长足发展和进步。目前，它已成功应用于矿产资源勘探、石油勘察、工程地质调查、水文地质调查、环境地质调查等诸多领域。涉及到矿产、石油、交通、建筑、考古、国防等与国计民生密切相关的各个行业。通过本课程的系统学习，学生应掌握地震勘探的基本原理、数据处理技术及2解释方法，在此基础上进一步拓宽，适当了解近年来发展起来的一些新的相关技术和方法，争取做到学生走出校门后，可以独立从事施工设计并带队从事野外勘探、资料处理和成果解释的水平。为我国国民经济建设输送短缺人才。本课程的难点在于该学科涉及的范围很广，学生需要有扎实的数理基础和较好的计算机知识来理解和学习该课程。四、课程主要内容及学时分配本课程总学时74学时，其中理论教学64学时，实验实习10学时，实验、实习预计安排校内进行。学时安排如下：《浅层地震》学时分配表章次内容合计讲授学时分配实验教学实习机动绪论22一弹性波的基本理论1414二地震波的时距曲线44三地震勘探野外数据采集技术及方法16142四地震数据处理1010五地震资料的解释与应用14104六地震新技术14104合计746410注①课外作业不计入教学时数，任课教师可酌情增减。②实验课内容初步拟定为：实验课1：地震仪认识与操作实习，掌握地震仪器参数选择，和各功能键的使用实验课2：对折射波进行识别，绘制时距曲线，掌握从地震记录图上读取初至时间的方法，并进行界面速度和厚度的计算。实验课3：反射波测桩实验或瑞雷面波及折射波资料自动解五、考核办法本课程采用期末考试和平时作业成绩相结合的办法评定学生的学习成绩，其中期末考试占总成绩的70％，平时作业成绩占总成绩的30％，平时作业将在每一节课程之后布置给学生。3六、教材及参考用书1．教材：①《工程与环境地震勘探技术》王俊茹编著，地质出版社，2002年。②《浅层地震勘探应用技术》王振东编著，地质出版社，1988年。2．参考书目①《应用地球物理教程》何樵登主编，地质出版社，1991年。②《勘探地震学》[美]R.E.谢里夫[加]L.P.吉尔达特编，石油工业出版社，1999年总的来讲，所选教材是针对“工程探测”的，这与我们的培养方案是紧密相扣的。目的是要让大家对相应的、必须的、常用的方法技术有较深入的了解。在方法原理、理论、数理方面，难度不是太大，比较浅显，但希望大家认真对待。考试将安排在课表上安排的本门课程的最后两个学时，采用开卷笔试形式进行。第二部分课程具体讲授内容绪论一、学习意义热门课程：这是由国家经济建设的需要决定的。由于国家经济建设和社会持续发展的需要，蓬勃发展起来的工程与环境地震勘探技术与国民经济的方方面面密切相关，使之成为热门研究课题致意。如：高层建筑、重型厂房、桥梁、隧道、机场、水坝、电站、港口、码头、高速公路、铁路及其它巨型工程建设项目的地质基础资料的调查。勘探目标包括：岩溶塌陷、表层软泥层、地面沉降、地裂缝、岩体滑坡、泥石流等，甚至于煤层储量、采矿及隧道掘进过程中的超前探测等。另外，由于人们环保意识的加强及重视，如对地下隐蔽污染源、地质灾害、考古等方面的探测不能靠传统的挖掘或钻探取样方法来解决，而应发展新型的无损探测技术，地震勘探就是其中的重要技术之一。总的来说，一门课程必须有需求，才有设计的必要，才有生源，才能有所为，才能有发展。二战时，很多从事‘海军声纳’技术的专家，由于战争停止4而转向石油勘探，从而发展了地震勘探技术。现在，它已发展为与国民经济的众多领域密切相关的一门学科。是重要的物探方法之一：对于地质或物探专业的学生来讲，地震方法是常用的、也是行之有效的方法之一。近年来，高分辨率地震勘探、VSP（VerticalSeismicProfile，垂直地震剖面）、瞬态瑞雷波法、反射波测桩技术、横波勘探技术及常时微动观测技术等迅猛发展，自会有它们发展的必然性。另外，从国家对物探工作的总体投入来看，地震占到了95%，也可以说明问题。因此，希望在坐的各位有必要掌握好这们方法技术。二、地震勘探方法概述1.地球物理勘探（简称物探）方法是以物理学原理为基础，利用电子学、计算机数字处理技术、信息论等科学领域中的新技术，所建立起来的一整套勘探地下矿产或结构的方法。借助于各种物探仪器，根据地质任务，采用相应的观测方法（装置或系统）来观测地下岩石的各种物理响应，从而推断和解释地下岩石的构造特点、岩石性质等等，以达到勘察地下矿产或结构的目的。物探方法主要有：①重力勘探──利用岩石的密度差异；②磁法勘探──利用岩石的磁性差异；③电法勘探──利用岩石的电性差异；④放射性勘探──利用岩石的放射性差异；⑤地震勘探──利用岩石的弹性差异。【注意：①～④占5%的投入；⑤占95%的投入】2.地震勘探是物探方法中的重要方法之一。它是以地质介质的弹性为基础，利用地震仪器观测地震波信号，结合测区的地质、钻探以及其它已知的物探资料，对观测记录进行处理、解释，并作出地质推断的一门学科。①应用范围：在油气、煤田勘探、工程地质勘察等领域发挥着重要作用，已成为最为有效的勘探方法。一般来讲，地震勘探较其它物探方法的勘探精度高。缺点是：野外作业及室内资料处理工作复杂，工作量大，因而成本高。5②方法分类：③观测系统（以反射波法为例）：④激发方式：炸药、锤击、震源枪、电火花等。⑤波型：纵波（P波、压缩波、胀缩波）横波（S波、剪切波，分为SH波和SV波）面波（Rayleigh波、Love波）3.浅层地震①主要方法：反射波法：不受速度场限制；主要应用于中、深层；分辨能力高。石油地震浅层地震人工地震天然地震）（CT像透射波法或跨孔层析成法面波法折射波法反射波法6折射波法：条件是下部地层波速大于上部地层波速；主要用于表层；分辨能力相对较低。面波法：条件是自由表面附近介质非均匀；主要用于表层分层及计算表层介质的横波速度；分辨能力较强。②应用：在工程地质勘察中，工程地震勘探的工作量已占工程物探总量的65%以上，主要用于：地矿、能源、水利、铁道、交通、城建、考古、环境、国防等。③主要解决的常见地质问题：A.目的层埋深、厚度（包括风化层）；B.断层、破碎带、洞穴、地下埋设物（包括考古、城市地下管网等）；C.矿产资源（煤、砂体、石油、…）；D.地质灾害（由波速→地压或地应力的变化）；E.地基、桩基、坝体质量评估（面波或频率探测）。三、地震勘探方法的发展历程1.地震勘探历史A.采集记录方面：模拟信号→数字信号（提高动态范围，室内可处理）B.仪器方面：①单道→多道；②信号有线传输→无线传输（采集站）；③仪器功放→检波器集成功放+仪器功放。C.数字处理方面：①单道→水平叠加→叠前处理力度加大(多道滤波)(AVO)(偏移技术)(叠前偏移)②弹性介质模型→双向介质→粘弹性介质→各向异性介质研究③构造功能→构造+岩性功能（油藏描述）2.勘探方法A.针对应用领域：石油地震煤田地震（煤层储量、断层、瓦斯超前预报）工程地震（表层结构、承载力）B．采集方面：单道→二维（2D）→三维（3D）→四维（4D）7C．针对波型：D．针对观测系统：①地面观测：反射、折射、面波②井中观测：透射波法（CT）③VSP：零偏→非零偏→WalkAway第一章弹性波理论基础地震勘探是研究人工激发的弹性波在岩石中的传播规律，以探测地下地质构造或地质赋存状态的地球物理勘探方法。因此，可将弹性力学的基本理论引入到地震勘探中来。第一节弹性理论概述一、基本概念弹性：物体在外力作用下会发生形变。当外力消失时，由于物体具有阻止形变的内力，它会使物体恢复原状，物体的这种属性被称为弹性。塑性：如果外力超过物体的弹性极限，或外力作用时间太长，当外力消失时，物体不能恢复原状，物体的这种性质被称为塑性。观点1：弹性与塑性是两个极限概念，是为了解决或讨论问题的方便常常要作的假设。多数情形下，介质的性质介于二者之间，没有绝对的弹性和塑性。观点2：一种材料或物体的弹、塑性与内因和外因两方面的因素有关。）SV（SH）（P、波波及转换横波波纵波体波面波）（）（全波场波形法初至射线法8内因：材料本身的性质；外因：作用力的大小，作用时间的长短。弹性介质：产生弹性形变的介质。地震弹性波：在弹性介质中传播的地震波。弹性介质的几种类型：①根据弹性性质与空间方向的变化关系分：A.各向同性介质：弹性体的弹性性质与空间方向无关。B.各向异性介质：弹性体的弹性性质与空间方向相关。②根据地震波速与空间位置的变化关系分：A．均匀介质：地震波速不随空间坐标变化而变化。B．非均匀介质：地震波速随空间坐标变化而变化。C．连续介质：地震波速在介质中连续变化。D．层状介质：在非均匀介质中，介质的地震波速变化表现出成层性。（显然，当层状介质的层厚趋于零时就是连续介质）实际地下介质多表现出各向异性，但当横向变化非常缓慢时，可以忽略，同时，也是为了讨论问题的方便，可将其假设为各向同性介质。同样，实际介质多表现为非均匀介质，对于沉积岩来讲，同时，也为了讨论问题的方便，我们可将介质看成层状介质，且往往假设层内为均匀介质，当沉积旋迴非常发育时，层数增多，层厚变薄，此时的层状介质就过渡到连续介质。二、弹性系数弹性性质用弹性系数（或弹性模量）来度量。对于各向同性介质，弹性性质可由K、E、、、等5个弹性系数来确定，而其中独立的参数只有2个，即已知其中的2个，就可计算出另外3个，一般通常用拉梅（emLa）常数和剪切模量这两个系数来表述。对于各向异性介质，描述其弹性性质的弹性常数有21个。（一）杨氏模量（E）9定义：E表示物体抗拉伸或挤压的力学参数。E越大，抗拉伸或挤压的阻力越大。（二）剪切模量（）定义：是表示物体阻止剪切应变的力学参数，单位与应力相同。越大，切应变越小。液体中=0。（三）泊松比（）定义：反映的是物体的横向拉伸（或压缩）对纵向的压缩（或拉伸）的影响，越大，影响越小。●一般未胶结的砂土较高，而坚硬岩石的较小。●自然界中，值的取值范围]5.0,0[，当=0.25时的介质被称为泊松固体。●流体的=0.5。（四）体变模量或体积模量（K）定义：K表示物体的抗压性质，所以又称为抗压缩系数。（五）拉梅常数（）定义：我们知道，在《弹性力学》中，对于弹性介质，应力与应变e满足虎克(Hook)定律：(条件：均匀各向同性介质)LLSFE//应变应力为切变角剪切形变剪切力SF/LLdd//)()(或拉伸纵向压缩或压缩横向拉伸VVPK/体积相对变化静压力纵向应变横向应力HE2110式中：此时，上述5个弹性模量的数学意义可表示为：5个参数之间的关系：三、波动方程