工程物探

工程物探與環(huán)境地質(zhì)學(xué)中關(guān)于振動(dòng)與地震波的研究

  1.彈性振動(dòng)和彈性波:                                                                          彈性體在外力的作用下,其介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)會(huì)離開平衡位置發(fā)生位移而產(chǎn)生形變,當(dāng)外力解除以后,產(chǎn)生位移的質(zhì)點(diǎn)在應(yīng)力的作用下都有一個(gè)恢復(fù)到原始平衡位置的過(guò)程,但是由于慣性力的作用,運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)不可能立刻停止在原來(lái)的位置上,而是向平衡位置另一方向移動(dòng),于是又產(chǎn)生新的應(yīng)力,使質(zhì)點(diǎn)再向原始的平衡位置移動(dòng),這樣應(yīng)力和慣性力不斷作用的結(jié)果,使質(zhì)點(diǎn)圍繞其原來(lái)的平衡位置發(fā)生振動(dòng)。這和彈簧及琴弦的振動(dòng)過(guò)程十分相似,稱之為彈性振動(dòng)。
 
  另外,在振動(dòng)過(guò)程式中,由于振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)和其相鄰質(zhì)點(diǎn)間的應(yīng)力作用,必然會(huì)引起相鄰質(zhì)點(diǎn)的相應(yīng)振動(dòng),這種振動(dòng)在彈性介質(zhì)中不斷地傳播和擴(kuò)大,便形成了以激發(fā)點(diǎn)為中心,以一定速度傳播開去的彈性波。因此,彈性波是振動(dòng)形式在介質(zhì)中的傳播,是能量傳播的一種形式。
 
  地震波的形成: 淺層地震勘探中所用震源一般包括錘擊、落重等機(jī)械震源,炸藥爆炸震源,及電火花等其它形式的震源。這些震源均以瞬時(shí)脈沖式激發(fā)。實(shí)踐表明,不論使用哪種震源,在激發(fā)時(shí),激振點(diǎn)附近的一定區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)將大大地超過(guò)其介質(zhì)的彈性極限而發(fā)生巖土大破裂與擠壓形變等,形成一個(gè)塑性與非線性形變帶。再向外其壓強(qiáng)不斷地減小,直至其周圍介質(zhì)能產(chǎn)生完全的彈性形變。上述震源點(diǎn)附近的非線性形變區(qū)稱之為等效空穴,等效空穴邊緣的質(zhì)點(diǎn),在激發(fā)脈沖的擠壓下,質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生圍繞其平衡位置的振動(dòng),形成了初始的地震子波,這種振動(dòng)是一種阻尼振動(dòng),在介質(zhì) 中沿射線方向向四面八方傳播,形成地震波。又因?yàn)榻邮蘸脱芯?a href="http://www.zbqkq.com/t/地震.html" >地震波傳播的空間一般都遠(yuǎn)離震源點(diǎn),其介質(zhì)受到的力很小,介質(zhì)表現(xiàn)為完全彈性的性質(zhì),故又稱為地震彈性波。
 
  地震子波:由震源激發(fā)、經(jīng)地下傳播并被接收的一個(gè)短脈沖振動(dòng),稱為該振動(dòng)的地震子波。
 
  非周期性:地震子波的一個(gè)基本屬性是振動(dòng)的非周期性。(地震子波基本屬性之一) 地震子波基本屬性之二:地震子波具有確定的起始時(shí)間和有限的能量。因此,振動(dòng)經(jīng)過(guò)很短的一段時(shí)間即衰減。  地震子波的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度:地震子波衰減時(shí)間長(zhǎng)短稱為地震子波的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度。它決定了地震勘探的分辨率。
 
  地震的分辨能力與地震子波有關(guān),具體地說(shuō),地震子波的頻帶寬度、延續(xù)時(shí)間和子波形狀是影響分辨率的主要因素。當(dāng)子波相位數(shù)一定時(shí),頻率越高,子波的延續(xù)時(shí)間越短,分辨能力越高。
 
  視速度:沿任一方向測(cè)得的速度值,并不是地震波傳播的真實(shí)速度值,而是沿觀測(cè)方向,距離和波實(shí)際傳播時(shí)間的比值,這種速度稱為視速度。
 
  地震波振動(dòng)圖:這種用坐標(biāo)系統(tǒng)表示的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的圖形稱為地震波的振動(dòng)圖。   波剖面圖:在實(shí)際地震記錄中,每一道記錄就是一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地震波振動(dòng)圖。這種描述某一時(shí)刻 t 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移 u 隨距離 x 變化的圖形稱之為波剖面圖。
 
  視速度:地震波的傳播方向是沿波射線的方向進(jìn)行的。因此在觀測(cè)地震波時(shí),只有當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)的連線與波射線的方向一致時(shí),才能測(cè)得傳播速度的真值V。而沿任一觀測(cè)方向測(cè)得的速度值,并不是地震波傳播的真實(shí)速度值,而是沿觀測(cè)方向,觀測(cè)點(diǎn)之間的距離和波實(shí)際傳播時(shí)間的比值。這種速度稱之為視速度。
 
  地震波可分為體波和面波兩大類。  體波在介質(zhì)的整個(gè)體積內(nèi)傳播,根據(jù)其傳播特征的不同,又可分為縱波(又稱P波)和橫波(又稱S波)。 面波則沿介質(zhì)的自由表面或兩種不同介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑?,根?jù)其性質(zhì)的不同,又可分為瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波等。
 
  1.縱波:彈性介質(zhì)發(fā)生體積形變(即拉伸或壓縮形變)所產(chǎn)生的波動(dòng)稱為縱波。縱波又稱壓縮波(或P波)。特點(diǎn):縱波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向一致。
 
  2. 橫波:彈性介質(zhì)發(fā)生切變時(shí)所產(chǎn)生的波動(dòng)稱為橫波,即剪切形變?cè)诮橘|(zhì)中的傳播,又稱為剪切波(S波)。特點(diǎn):質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直。
 
  質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在垂直平面內(nèi)的橫波分量,稱為SV波;質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在水平面內(nèi)的橫波分量,稱之為SH波。
 
  3、面波:是僅存在于彈性分界面附近波動(dòng),分為瑞利波與勒夫波。瑞利波是沿介質(zhì)與大氣層接觸的自由表面?zhèn)鞑サ拿娌ā?/div>
 
  傳播特點(diǎn):
 
  ①質(zhì)點(diǎn)在通過(guò)傳播方向的垂直面內(nèi)沿橢圓軌跡作逆時(shí)針運(yùn)動(dòng),其橢圓長(zhǎng)軸垂直于介質(zhì)表面,長(zhǎng)短軸之比大致為3:2
 
  ②瑞利波頻率低、速度接近于橫波波速,強(qiáng)度隨深度呈指數(shù)衰減,但在水平方向衰減很慢。
 
  在一般地震勘探中它是一種干擾波。但在表層介質(zhì)的勘查中瑞利波具有特殊的作用。
 
  勒夫波是沿兩種彈性介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ@種波一般出現(xiàn)在覆蓋層和下伏介質(zhì)的分界面,可看做是SH波的一種特殊形式。
 
  1.地震波的頻譜及頻譜分析:任一地震波都可用波形函數(shù)A(t)來(lái)描述,根據(jù)頻譜分析理論, A(t)可以看著是由無(wú)限多個(gè)頻率連續(xù)變化的諧振動(dòng)疊加而成的。這些諧振動(dòng)的振幅和初相位則隨頻率的改變而變化;振幅隨頻率變化的關(guān)系稱為振幅譜,初相位隨頻率的變化關(guān)系稱為相位譜,統(tǒng)稱為地震波的頻譜。
 
  頻譜:就是頻率的分布曲線,復(fù)雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩,這些諧振蕩的幅值按頻率排列的的圖形叫做頻譜。
 
  3、采集到的地震波圖像是波的振動(dòng)圖像(振幅隨時(shí)間變化的函數(shù)),是地震波在時(shí)間域的變示形式,而不同波是用頻率來(lái)區(qū)別的,為了研究地震波的頻譜特征,必須把時(shí)間域轉(zhuǎn)換為頻率域。這種變換過(guò)程稱為頻譜分析方法。
 
  如果所研究的對(duì)象不是地震波振幅隨時(shí)間變化的振動(dòng)圖形,而是振幅隨空間距離變 化的波剖面圖,這時(shí)用傅氏分析對(duì)波剖面函數(shù)變換得到的結(jié)果稱為波數(shù)譜,其方法稱之為波數(shù)分析。