工程物探与环境地质学中关于振动与地震波的研究

  1.弹性振动和弹性波：                                                                          弹性体在外力的作用下，其介质内质点会离开平衡位置发生位移而产生形变，当外力解除以后，产生位移的质点在应力的作用下都有一个恢复到原始平衡位置的过程，但是由于惯性力的作用，运动的质点不可能立刻停止在原来的位置上，而是向平衡位置另一方向移动，于是又产生新的应力，使质点再向原始的平衡位置移动，这样应力和惯性力不断作用的结果，使质点围绕其原来的平衡位置发生振动。这和弹簧及琴弦的振动过程十分相似，称之为弹性振动。

 

  另外，在振动过程式中，由于振动的质点和其相邻质点间的应力作用，必然会引起相邻质点的相应振动，这种振动在弹性介质中不断地传播和扩大，便形成了以激发点为中心，以一定速度传播开去的弹性波。因此，弹性波是振动形式在介质中的传播，是能量传播的一种形式。

 

  地震波的形成： 浅层地震勘探中所用震源一般包括锤击、落重等机械震源，炸药爆炸震源，及电火花等其它形式的震源。这些震源均以瞬时脉冲式激发。实践表明，不论使用哪种震源，在激发时，激振点附近的一定区域内所产生的压强将大大地超过其介质的弹性极限而发生岩土大破裂与挤压形变等，形成一个塑性与非线性形变带。再向外其压强不断地减小，直至其周围介质能产生完全的弹性形变。上述震源点附近的非线性形变区称之为等效空穴，等效空穴边缘的质点，在激发脉冲的挤压下，质点将产生围绕其平衡位置的振动，形成了初始的地震子波，这种振动是一种阻尼振动，在介质 中沿射线方向向四面八方传播，形成地震波。又因为接收和研究地震波传播的空间一般都远离震源点，其介质受到的力很小，介质表现为完全弹性的性质，故又称为地震弹性波。

 

  地震子波：由震源激发、经地下传播并被接收的一个短脉冲振动，称为该振动的地震子波。

 

  非周期性：地震子波的一个基本属性是振动的非周期性。（地震子波基本属性之一） 地震子波基本属性之二：地震子波具有确定的起始时间和有限的能量。因此，振动经过很短的一段时间即衰减。  地震子波的延续时间长度：地震子波衰减时间长短称为地震子波的延续时间长度。它决定了地震勘探的分辨率。

 

  地震的分辨能力与地震子波有关，具体地说，地震子波的频带宽度、延续时间和子波形状是影响分辨率的主要因素。当子波相位数一定时，频率越高，子波的延续时间越短，分辨能力越高。

 

  视速度：沿任一方向测得的速度值，并不是地震波传播的真实速度值，而是沿观测方向，距离和波实际传播时间的比值，这种速度称为视速度。

 

  地震波振动图：这种用坐标系统表示的质点振动位移随时间变化的图形称为地震波的振动图。   波剖面图：在实际地震记录中，每一道记录就是一个观测点的地震波振动图。这种描述某一时刻 t 质点振动位移 u 随距离 x 变化的图形称之为波剖面图。

 

  视速度：地震波的传播方向是沿波射线的方向进行的。因此在观测地震波时，只有当观测点的连线与波射线的方向一致时，才能测得传播速度的真值V。而沿任一观测方向测得的速度值，并不是地震波传播的真实速度值，而是沿观测方向，观测点之间的距离和波实际传播时间的比值。这种速度称之为视速度。

 

  地震波可分为体波和面波两大类。  体波在介质的整个体积内传播，根据其传播特征的不同，又可分为纵波（又称P波）和横波（又称S波）。 面波则沿介质的自由表面或两种不同介质的分界面传播，根据其性质的不同，又可分为瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波等。

 

  1.纵波：弹性介质发生体积形变（即拉伸或压缩形变）所产生的波动称为纵波。纵波又称压缩波（或P波）。特点：纵波的传播方向和质点的振动方向一致。

 

  2. 横波：弹性介质发生切变时所产生的波动称为横波，即剪切形变在介质中的传播，又称为剪切波（S波）。特点：质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。

 

  质点振动发生在垂直平面内的横波分量，称为SV波；质点振动发生在水平面内的横波分量，称之为SH波。

 

  3、面波：是仅存在于弹性分界面附近波动，分为瑞利波与勒夫波。瑞利波是沿介质与大气层接触的自由表面传播的面波。

 

  传播特点：

 

  ①质点在通过传播方向的垂直面内沿椭圆轨迹作逆时针运动，其椭圆长轴垂直于介质表面，长短轴之比大致为3:2

 

  ②瑞利波频率低、速度接近于横波波速，强度随深度呈指数衰减，但在水平方向衰减很慢。

 

  在一般地震勘探中它是一种干扰波。但在表层介质的勘查中瑞利波具有特殊的作用。

 

  勒夫波是沿两种弹性介质分界面传播的面波，这种波一般出现在覆盖层和下伏介质的分界面，可看做是SH波的一种特殊形式。

 

  1.地震波的频谱及频谱分析：任一地震波都可用波形函数A（t）来描述，根据频谱分析理论， A（t）可以看着是由无限多个频率连续变化的谐振动叠加而成的。这些谐振动的振幅和初相位则随频率的改变而变化；振幅随频率变化的关系称为振幅谱，初相位随频率的变化关系称为相位谱，统称为地震波的频谱。

 

  频谱：就是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的的图形叫做频谱。

 

  3、采集到的地震波图像是波的振动图像（振幅随时间变化的函数），是地震波在时间域的变示形式，而不同波是用频率来区别的，为了研究地震波的频谱特征，必须把时间域转换为频率域。这种变换过程称为频谱分析方法。

 

  如果所研究的对象不是地震波振幅随时间变化的振动图形，而是振幅随空间距离变 化的波剖面图，这时用傅氏分析对波剖面函数变换得到的结果称为波数谱，其方法称之为波数分析。