KT ──透射系数; AR ──反射波振幅; AT ──透射波振幅;
AI ──入射波振幅;
?1、?2──上、下介质的密度;
V1、V2 ──上、下介质的速度。
从上式可以看出:
?AI?AR?AT??KT?KR?1即入射波在经过弹性分界面时,能量只分解为反射波和透射波。另外,还可看出:
① KT?0;
② KR可>0,也可<0,与上、下介质的弹性参数有关:若?2V2??1V1,则
KR?0,此时,反射波的质点振动与入射波的质点振动有相位延迟,延迟量为?,
这种现象称为半波损失。
我们把:① ??V?Z叫做波阻抗;
② 具有波阻抗差异的分界面称为反射界面或反射面。
因此,反射波形成的条件是:界面上、下介质必须存在波阻抗差异。 讨论:
① 若?1V1??2V2,则即使存在地质界面,也无法通过反射地震波法观测到反射信息。这就是往往地质界面与地震相(或地震界面)有时不一致的客观原因。
② 若?2V2???1V1,则将产生强反射。但此时,KT?0,表明透射能量非常弱,这种现象不利于利用反射地震波法观测其下部介质的信息。此时,我们称该层为高阻屏蔽层。
(三)非法向入射时波的反射和透射
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sin?1sin?1sin?2sin?2???Vp1Vp2Vs1Vs2将产生四种波型:反射纵波P11、反射横波P12、透射横波P1S2。1S1、透射纵波P其射线仍满足斯奈尔定律,即:
① 设App为P11的反射系数;
Aps为P1S1的反射系数; Bpp为P12的透射系数; Bps为P1S2的透射系数。
则其能量分配满足以下方程(在法向入射时提出的前提条件下得到的):
?Appsin?1?Apscos?2?Bppsin?1?Bpscos?2??sin?1?Acos??Asin??Bcos??Bsin??cos?1ps2pp1ps21?pp2Vp1?2Vs2Vp1?2Vp1Vs2?cos2?2?Bppsin2?1?Bpscos2?2?sin2?1?Appsin2?1?Aps22V?VV?Vs11s1p21s1??2Vp2?Vs1?2Vs2Acos2??Asin2??Bcos2??Bsin2?2??cos2?1?pp1ps2pp1psV?V?Vp11p11p1?写称矩阵方程:
?sin?1cos?2?cos??sin?21?Vp1?sin2?cos2?21?Vs1?Vs1?cos2?sin2?21?Vp1??sin?1cos?1?2Vs22Vp121s1p2?VV?2Vp2?cos2?1?1Vp1sin2?1?cos?2?sin?2?2Vp1Vs2???A???sin??1??pp?????Aps??cos?1?cos2?2??2???1Vs1B????pp??sin2?1??2Vs2??Bps????cos2?1?sin2?2???1Vp1?这就是著名的Zoepritz方程。
若令?1?0,则根据斯奈尔定律有?2??1??2?0,我们便可得到前述法向入射时纵波的反射系数和透射系数的表达式,而且有Aps?Bps?0。因此,如果纵波法向入射,则只产生反射纵波和透射纵波,它们是同类波。若非法向入射,则除产生反射、透射纵波以外,还将产生反射、透射横波。因为它们与P波类型不同,所以又叫转换波(又称P-SV波)。
若已知介质弹性参数?1、Vp1、Vs1、?2、Vp2、Vs2及入射角?1,则可根据上述Zoepritz方程计算出P、S波的反射系数App、Aps及透射系数Bpp、Bps。
同时,我们可以看出,当地下介质弹性参数一定时,随着入射角?1发生变化,反射波的能量也将发生变化,即反射强度将随入射角?1的变化而变化。下图分别是对应Vp1?Vp2和Vp1?Vp2两种情形的反射、透射波之间的能量分配曲线。
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Vp1?Vp2Vp1?Vp2根据能量守恒原则有:App?Aps?Bpp?Bps?1
由于入射角?1的变化实际上是由于地面上炮检距的变化造成的,因此,反射强度的变化又称AVO(Amplitude Versus Offset, 振幅随炮检距变化而变化)。由此发展了所谓的AVO技术:即如果我们能从观测记录中找出反射波振幅随炮检距的变化关系曲线,那么,我们便可根据Zoepritz方程反演出地下介质的弹性参数?、Vp、Vs等,从而得到所谓的“P波剖面”、“密度剖面”、“速度比剖面”、“泊松比剖面”、“横波剖面”、“振幅比剖面”等。
通过大量的模型计算可以发现:上、下介质的速度差异对反射强度变化的影响明显,而密度的变化对反射波强度变化的影响相对较小。 (四)折射波的形成与传播 1. 折射波的形成条件:V2>V1
sin?sin??根据斯奈尔定律:
V1V2
若V2?V1,则一定有一个入射角??90?,使得
??90?。令??90?,则:
sin??V1Vsin??1V2V2???sin?1(V1
)V2 此时的入射角?称为临界角。当入射角达到临界角时,透射波将沿界面滑行,产生滑行波。
当入射角??i(临界角)时,透射波转化为滑行波。滑行波沿界面滑行时,界面上的每个质点都相当于新的扰动源(根据惠更斯原理),新的扰动源产生的波再到达地面,被布置在地面上的检波器检测到,此时记录下的波即为折射波。由于折射波沿界面滑行时,是以下伏介质中的波速传播的,当炮检距比较大时,它可能先于直达波到达检波器,所以有时又叫“初至”。 2.折射波的接收条件:x>xm
只有当x?xm时,才能接收到折射波。对于水平层状介质,xm?2htgi,式
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中:i?sin?1(V1/V2)。
在x?(0,xm)区域内,无法接收到折射波,因此该区域被称为“折射波盲区”。 影响折射波盲区大小的因素:
A. 界面上、下介质的速度比,V1/V2越大,盲区越大; B. 折射面的埋深h,h越大,盲区越大;
C. 折射面的倾角(如下图),显然,xm上?xm下。即在折射面的上倾方向接收折射波比在折射面的下倾方向接收折射波,其盲区范围要小。当折射面倾角?增大到90??i时,xm下??,即在下倾方向就再也无法接收到折射波了。
三、地震波的绕射和散射
地震波的绕射与光学、声学中的衍射现象雷同。 地震 绕射 透射 光学、声学 衍射 折射 当地震波遇到几何尺寸与其波长基本相当的不均匀地质体时,如断层错位造成的棱、角点(简称断点)、地层尖灭点、洞穴等往往都能满足绕射波的形成条
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