工程物探

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

  1.彈性振動和彈性波:                                                                          彈性體在外力的作用下,其介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點會離開平衡位置發(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)點在應(yīng)力的作用下都有一個恢復(fù)到原始平衡位置的過程,但是由于慣性力的作用,運動的質(zhì)點不可能立刻停止在原來的位置上,而是向平衡位置另一方向移動,于是又產(chǎn)生新的應(yīng)力,使質(zhì)點再向原始的平衡位置移動,這樣應(yīng)力和慣性力不斷作用的結(jié)果,使質(zhì)點圍繞其原來的平衡位置發(fā)生振動。這和彈簧及琴弦的振動過程十分相似,稱之為彈性振動。
 
  另外,在振動過程式中,由于振動的質(zhì)點和其相鄰質(zhì)點間的應(yīng)力作用,必然會引起相鄰質(zhì)點的相應(yīng)振動,這種振動在彈性介質(zhì)中不斷地傳播和擴(kuò)大,便形成了以激發(fā)點為中心,以一定速度傳播開去的彈性波。因此,彈性波是振動形式在介質(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。這些震源均以瞬時脈沖式激發(fā)。實踐表明,不論使用哪種震源,在激發(fā)時,激振點附近的一定區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)將大大地超過其介質(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,在激發(fā)脈沖的擠壓下,質(zhì)點將產(chǎn)生圍繞其平衡位置的振動,形成了初始的地震子波,這種振動是一種阻尼振動,在介質(zhì) 中沿射線方向向四面八方傳播,形成地震波。又因為接收和研究地震波傳播的空間一般都遠(yuǎn)離震源點,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短脈沖振動,稱為該振動的地震子波。
 
  非周期性:地震子波的一個基本屬性是振動的非周期性。(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間和有限的能量。因此,振動經(jīng)過很短的一段時間即衰減。  地震子波的延續(xù)時間長度:地震子波衰減時間長短稱為地震子波的延續(xù)時間長度。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,地震子波的頻帶寬度、延續(xù)時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,頻率越高,子波的延續(xù)時間越短,分辨能力越高。
 
  視速度:沿任一方向測得的速度值,并不是地震波傳播的真實速度值,而是沿觀測方向,距離和波實際傳播時間的比值,這種速度稱為視速度。
 
  地震波振動圖:這種用坐標(biāo)系統(tǒng)表示的質(zhì)點振動位移隨時間變化的圖形稱為地震波的振動圖。   波剖面圖:在實際地震記錄中,每一道記錄就是一個觀測點的地震波振動圖。這種描述某一時刻 t 質(zhì)點振動位移 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。因此在觀測地震波時,只有當(dāng)觀測點的連線與波射線的方向一致時,才能測得傳播速度的真值V。而沿任一觀測方向測得的速度值,并不是地震波傳播的真實速度值,而是沿觀測方向,觀測點之間的距離和波實際傳播時間的比值。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)生的波動稱為縱波??v波又稱壓縮波(或P波)。特點:縱波的傳播方向和質(zhì)點的振動方向一致。
 
  2. 橫波:彈性介質(zhì)發(fā)生切變時所產(chǎn)生的波動稱為橫波,即剪切形變在介質(zhì)中的傳播,又稱為剪切波(S波)。特點:質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。
 
  質(zhì)點振動發(fā)生在垂直平面內(nèi)的橫波分量,稱為SV波;質(zhì)點振動發(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,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:
 
  ①質(zhì)點在通過傳播方向的垂直面內(nèi)沿橢圓軌跡作逆時針運動,其橢圓長軸垂直于介質(zhì)表面,長短軸之比大致為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?,這種波一般出現(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)來描述,根據(jù)頻譜分析理論, A(t)可以看著是由無限多個頻率連續(xù)變化的諧振動疊加而成的。這些諧振動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圖像(振幅隨時間變化的函數(shù)),是地震波在時間域的變示形式,而不同波是用頻率來區(qū)別的,為了研究地震波的頻譜特征,必須把時間域轉(zhuǎn)換為頻率域。這種變換過程稱為頻譜分析方法。
 
  如果所研究的對象不是地震波振幅隨時間變化的振動圖形,而是振幅隨空間距離變 化的波剖面圖,這時用傅氏分析對波剖面函數(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。