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纵波传播速度与横波传播速度

时间:2022-10-31 百科知识 版权反馈
【摘要】:在天然地震中,瑞雷波是对建筑物危害性最大的地震波。瞬态面波勘探技术近年来得到快速发展,并取得了不错的应用效果。研究弹性波的特征和传播机制有助于发现新的勘探方法,同时也有助于根据这些波的特点研究干扰波的压制和分离方法,提高有效波的信噪比。

通过高一第二学期物理课本第四章中“机械波的产生”这一节内容的学习,我们对机械波有了初步的认识与了解。由于机械波的产生机制的不同,机械波可以有不同的分类,地震波就是其中之一。地震波是由地壳某处岩层受到挤压(严重时甚至会发生突然破裂)引起周围地壳强烈扰动而产生的。发生岩石挤压或破裂地方就是震源。一方面地震可能会带来破坏,我们要加强防范;另一方面,通过对地震波的分析,人们可以了解地壳内部的结构。因此,可以利用人为方法引发没有危害的小范围地震,通过对人造地震波的分析,勘探石油天然气以及研究地球内部构造 等。

因弹性形变而产生的机械振动,又称为弹性波。弹性波在地下介质中传播时,会出现多种类型的波。按质子振动方向,弹性波可分为体波和面波。在介质内部传播的波称为体波,在弹性分界面附近存在的波称为面波。面波又可分为瑞雷(rayleigh)波、勒夫(love)波和斯通利(stoneley)波。按振动状态,体波又可分为纵波和横波。

(1)纵波与横波

纵波(又称为P波),是由震源向外传递的压缩波,质点振动方向与传播方向一致。横波(又称为S波),是由震源向外传递的剪切波,质点振动方向与传播方向垂直。横波按振动方向不同又分为SH波和SV波。设横波沿X方向传播,Y方向的分量叫做SH波,Z方向的分量叫做SV波,两者速度相等,但远低于纵波速度。由于横波速度较低,具有更高的纵向分辨率,因而横波勘探是近地表工程勘察的一种重要方法。

图2-2 纵横波的产生机制

(2)面波

瑞雷波的存在最初是由英国学者Rayleigh在理论上确定的。它是纵波与横波在自由界面(地面)附近的复合振动。质点在波传播方向的垂直平面内振动,运动轨迹呈现与波传播方向相反的逆椭圆形,振幅随深度呈指数急剧衰减,传播速度略小于横波速度。在天然地震中,瑞雷波是对建筑物危害性最大的地震波。由于瑞雷面波的能量强且衰减慢,一方面,在反射地震勘探中是一种很强的干扰波。另一方面,由于面波的频散特性以及与横波速度的相关性,可利用面波速度反演出横波速度,进而得到动弹性参数。而动弹性参数是岩土类别划分和工程质量评价的重要指标。瞬态面波勘探技术近年来得到快速发展,并取得了不错的应用效果。

勒夫(love)波是以预测它存在的英国数学家勒夫的名字命名的。这是一种与表面存在覆盖层有关的面波。质点在垂直于波的传播方向的平面内做水平振动,没有垂直振动,并且勒夫波只存在于表层内部和下层界面附近,其速度与波长及表层厚度有关。因勒夫波速度与横波速度相差不大,故通常难以从地震记录上识别出来。斯通利(stoneley)波是以英国地震学家斯通利(robertstoneley)的名字命名的。这是在固体与流体的分界上发生的面波,在固体与固体的分界上也可能产生。在钻井中传播的振幅大、频率低的套管波,也叫斯通利波。

图2-3 面波产生机理

(3)有效波和干扰波

通常检波器接收到的波来源比较复杂,有震源激发所产生的反射波、折射波、面波和多次反射波,也有自然界的低频微动和测线附近的人为或工业干扰等。

一般来说,能够帮助解决某一特定地质任务的波称为有效波,而妨碍分辨、识别有效波的其他波则称为干扰波。有效波和干扰波的划分只是相对而言的概念。在进行折射波勘探时,折射波是有效波,但在进行反射波勘探时,浅层折射波是干扰波,需要设计最佳采集窗口以避开其发育区段。面波对反射和折射波法勘探来说是一种干扰波,但近年发展起来的面波勘探方法能提供反映岩土力学性质的重要参数——横波速度,进而得到动刚度、剪切模量等力学参数,因而在工程勘探中得到极好的应用。

研究弹性波的特征和传播机制有助于发现新的勘探方法,同时也有助于根据这些波的特点研究干扰波的压制和分离方法,提高有效波的信噪比。

(4)地震波按传播路径的不同可以分为:直达波、反射波、透射波等。直达波:是指从震源出发,没有遇到分界面直接到达接受点的地震波,图2-4为直达波的传播路径。

图2-4 直达波传播路径

根据直达波的传播路径图,联系所学的路程、时间、速度之间的关系,可以推导出直达波在地下介质中传播的速度关系式:

假设地下充满均匀介质,波在其中传播的速度为。以震源O作为坐标原点,则直达波从震源激发到接受振动所用时间可表示为:

由式(2-2)发现当震源与接受点位置不变时,即传播路程x一定,接受点接受的介质振动时间与波在介质中的传播速度有关。我们可以通过记录接受时间t,利用式(2-1)计算波在地下介质中的传播速度,从而反映地下介质的物质组成。

在初中课本中接触过光的传播规律,光在均匀的媒质中沿直线匀速传播,只有在密度不同的媒质分界面上,光线才会发生反射折射现象。地震波也相似,地震波在均匀的媒质中沿直线匀速传播,在密度不同的媒质分界面上,同一波束将分解成两波束,其中一分波束返回原来密度的媒质中,叫做反射波,如图2-5所示的反射波P 11、透射波P 12

图2-5 反射波示意图

取震源O为坐标原点,假设地面和反射界面都是水平的,震源至界面的法线深度为h,上层介质的波速为1,下层介质的波速为2,且12,我们给出反射界面的概念。

设地面下存在两种岩石,上层岩石的密度为ρ1,波在其中传播的速度为1,下部岩层的密度为ρ2,波在其中传播的速度为2。理论证明,当上、下层的波阻抗(密度与速度的乘积)ρ1×1≠ρ2×2时,入射波P1传播到两种岩层的界面Q上,就会使其中一部分能量返回原来的介质,形成反射波P 11,且入射角α1与反射角α2相等。这种具有波阻抗差异的界面称为反射界面。

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