第三讲北戴河教学实习-初至折射波法[2]

1、河北河北 秦皇岛秦皇岛: 宋先海宋先海电话电话:2013年年7月月1折射波概念（形成机理）折射波概念（形成机理）u根据斯奈尔定律根据斯奈尔定律 sin/V1=sin/V2, 当当V2V1时，透射角时，透射角大于大于入射角入射角，随着入射角，随着入射角增大，透射角增大，透射角也增大，当也增大，当增大到增大到某一个角度某一个角度i时，可使透射角时，可使透射角=90，这时透射波就以，这时透射波就以V2的的速度沿界面向前滑行，形成滑行波。由于滑行波比入射波速度沿界面向前滑行，形成滑行波。由于滑行波比入射波速度大，所以滑行波比入射波首先到达分界面上的各点，速度大，所以滑行波比入

2、射波首先到达分界面上的各点，根据惠更斯原理，高速滑行波所经过的界面根据惠更斯原理，高速滑行波所经过的界面II上的任何一上的任何一点都可看作是一个新的点震源，由于界面两侧的介质质点点都可看作是一个新的点震源，由于界面两侧的介质质点间存在着弹性联系，下面介质间存在着弹性联系，下面介质II中质点的振动必然要引起中质点的振动必然要引起上面介质上面介质I中质点的振动，这样就在上面介质中质点的振动，这样就在上面介质I中形成了一中形成了一种新波，这种波在地震勘探中称为折射波，这时的入射角种新波，这种波在地震勘探中称为折射波，这时的入射角i称为临界角称为临界角(Critical Angle)，i=arcsin

3、(V1/V2)。2 折射波形成的条件折射波形成的条件对于单层介质和多层介对于单层介质和多层介质质, 形成折射波的条件：形成折射波的条件：(1)下层介质的波速要大下层介质的波速要大于上面所有层介质的波于上面所有层介质的波速。速。(2)入射角要以临界角入射角要以临界角i入入射。射。3折射波的特点折射波的特点(1)折射波的波前是一平面，它与界面的夹角为折射波的波前是一平面，它与界面的夹角为 临界角临界角i ；(2)折射波的射线是以临界角折射波的射线是以临界角i出射的一束平行直线且垂直于波出射的一束平行直线且垂直于波前面；前面；(3)折射波存在着盲区折射波存在着盲区(OM)，必须在盲区以外才可观测到折

4、，必须在盲区以外才可观测到折射波。盲区大小（炮检距）射波。盲区大小（炮检距）Xm=2htani=2h/(V2/V1)2-10.5。 盲区的大小随界面的法向深度盲区的大小随界面的法向深度h的减小和的减小和V2/V1值的增加而值的增加而减小。减小。 当当V2/V1=1.414时，盲区大小时，盲区大小Xm=2h。作为经验准则，折射。作为经验准则，折射波只有在炮检距（炮点到检波点的距离）大于两倍折射界波只有在炮检距（炮点到检波点的距离）大于两倍折射界面的法向深度面的法向深度h时才能观测到。时才能观测到。当地下存在两个分界面时，盲区大小当地下存在两个分界面时，盲区大小XM1=2OA，盲，盲区大小区大小X

5、M2= 2 (x1+x2)。(4) AM是折射波的第一条射线，也是反射波的射线，称为临是折射波的第一条射线，也是反射波的射线，称为临界射线，界射线，A点称为临界点，点称为临界点，M点是折射波的始点。在点是折射波的始点。在M点处点处可同时观测到折射波和反射波，在可同时观测到折射波和反射波，在M点以外，总是先观测到点以外，总是先观测到折射波。折射波。另外，当地震波的入射角大于临界角另外，当地震波的入射角大于临界角i时，入射波的全部能量时，入射波的全部能量都转换为反射波，即在临界点以外的分界面上没有透射波产都转换为反射波，即在临界点以外的分界面上没有透射波产生，这种现象称为波的全反射。生，这种现象称

6、为波的全反射。 折射波法的观测系统主要有单边观测系统、相遇观测系统、折射波法的观测系统主要有单边观测系统、相遇观测系统、追逐观测系统以及相遇追逐观测系统，重复相遇追逐观测系追逐观测系统以及相遇追逐观测系统，重复相遇追逐观测系统等。统等。相遇追逐观测系统图相遇追逐观测系统图 此次地震勘探实习中，采用的是相遇追逐观测系统。追此次地震勘探实习中，采用的是相遇追逐观测系统。追逐炮的作用逐炮的作用：（：（1）可以利用追逐时距曲线与相遇时距曲可以利用追逐时距曲线与相遇时距曲线的平行性延长解释区间；（线的平行性延长解释区间；（2）确定直达波与折射波的）确定直达波与折射波的交点；（交点；（3）判断有无穿透现象

7、（有穿透可能就不平行）。）判断有无穿透现象（有穿透可能就不平行）。 两相遇炮合格两相遇炮合格：（：（1）在折射段有相遇点在折射段有相遇点 ；（；（2）互换时）互换时间间T1、T2之差小于之差小于3ms。相遇追逐观测系统图相遇追逐观测系统图 如图所示：如图所示：O1是是O2的追逐的追逐炮，炮，O4是是O3的追逐炮，的追逐炮，S1和和S2两条时距曲线平行，两条时距曲线平行，S3和和S4两条时距曲线相互两条时距曲线相互平行。用两个直达波求出平行。用两个直达波求出上覆风化层波速，用追逐上覆风化层波速，用追逐炮时距曲线延长解释区间，炮时距曲线延长解释区间，用延长后的时距曲线求出用延长后的时距曲线求出折射

8、波各个检波点的折射波各个检波点的t0和和V2，最后求出折射波界面，最后求出折射波界面的法线深度。的法线深度。相遇追逐观测系统图相遇追逐观测系统图 初至折射波法内业工作的发展趋势是利用微机进行自动化解释，初至折射波法内业工作的发展趋势是利用微机进行自动化解释，但解释员必须掌握解释的方法与步聚，要求同学完成下述解释工作：但解释员必须掌握解释的方法与步聚，要求同学完成下述解释工作：（1）根据）根据水工（浅层）地震勘探规范水工（浅层）地震勘探规范对每炮（张）记录进行评对每炮（张）记录进行评价与验收。价与验收。（2）进行波的对比和初至走时的判读。除遵循波对比的一般原则外，）进行波的对比和初至走时的判读。

9、除遵循波对比的一般原则外，还应注意零偏移距互换道上的走时，还应注意零偏移距互换道上的走时，经校正后其时差不超过经校正后其时差不超过3ms，对于综合时距曲线，则时差不超过对于综合时距曲线，则时差不超过5ms。（3）各项校正处理包括相位校正、震源深度校正和地形校正。对于）各项校正处理包括相位校正、震源深度校正和地形校正。对于初至不清、无法进行初至走时判读的地震道，可利用相位进行对初至不清、无法进行初至走时判读的地震道，可利用相位进行对比先读取相应走时，然后减去相位校正值比先读取相应走时，然后减去相位校正值t，t值可取初至明值可取初至明显地震道的相位与初至走时之差的平均值，也可以取自与其相邻显地震道

10、的相位与初至走时之差的平均值，也可以取自与其相邻地震道的地震道的t值，应根据该记录初至波形的情况而定。对于追逐值，应根据该记录初至波形的情况而定。对于追逐的记录，允许对比和读取第一个振幅的走时，所读取的各道走时的记录，允许对比和读取第一个振幅的走时，所读取的各道走时t值，要写在每道的左边直线上。值，要写在每道的左边直线上。（4）时距曲线绘制。比例尺横坐标上）时距曲线绘制。比例尺横坐标上lcm2.5m（1：250）；曲线的）；曲线的两点之间用直线连接，对于可疑点，要在其上方标注两点之间用直线连接，对于可疑点，要在其上方标注“？”，如，如发现波被置换，应用符号发现波被置换，应用符号“或或”标注在置

11、换点旁，并要在每标注在置换点旁，并要在每条曲线上升端的尾部标注记录的总编号。该炮记录的震源深度值，条曲线上升端的尾部标注记录的总编号。该炮记录的震源深度值，要标注在横坐标轴相应桩号的下方。互换时间要用直线表示。如要标注在横坐标轴相应桩号的下方。互换时间要用直线表示。如互换道走时不等，应取平均值画直线，互换时间值互换道走时不等，应取平均值画直线，互换时间值T要标在互换要标在互换时间直线的中间或上方。时间直线的中间或上方。（5）确定交点、计算有效速度）确定交点、计算有效速度Ve，并延长时距曲线。利用接收段同，并延长时距曲线。利用接收段同侧不同位置激发的折射波时距曲线的平行性，可以确定交点和延侧不同

12、位置激发的折射波时距曲线的平行性，可以确定交点和延长时距曲线。设交点长时距曲线。设交点A坐标为（坐标为（XA，tA），则），则V1=XAtA，要求把，要求把Ve值标在交点与震源连接的下方。因检波点距值标在交点与震源连接的下方。因检波点距X0（即检波器（即检波器不是连续布设），所以交点不是连续布设），所以交点A的位置允许在曲线的的位置允许在曲线的“合理区间合理区间”内移动。内移动。（6）定量解释。方法有多种，可归纳成正三角形和反三角形两类，前者有）定量解释。方法有多种，可归纳成正三角形和反三角形两类，前者有t0差数时距曲线法（即差数时距曲线法（即ABC法）、延迟时间法等，法）、延迟时间法等，它们

13、适用于倾角不大它们适用于倾角不大的水平或弯曲折射面（倾角小于的水平或弯曲折射面（倾角小于15度）度）；后者有椭园法（即共轭点法）、；后者有椭园法（即共轭点法）、哈雷斯法、时间场法等，这类方法解释精度较高，但工作量大，绘制解哈雷斯法、时间场法等，这类方法解释精度较高，但工作量大，绘制解释辅助线比较麻烦。释辅助线比较麻烦。 本次解释要求采用本次解释要求采用t0差数时距曲线法，差数时距曲线法，求取折射面的法线深度求取折射面的法线深度h和折射层和折射层的波速的波速V2，其基本原理和表达式为：，其基本原理和表达式为：（7）绘制折射面。把它画在时距曲线的横坐标轴下方，垂直比例尺）绘制折射面。把它画在时距曲

14、线的横坐标轴下方，垂直比例尺可根据覆盖层厚度大小而定，以检波点（测点）为圆心，以可根据覆盖层厚度大小而定，以检波点（测点）为圆心，以(1)式式计算出的计算出的h为半径画圆弧，其包络线即为待求折射面。绘出折射面为半径画圆弧，其包络线即为待求折射面。绘出折射面后，从图中读出各测点的覆盖层厚度后，从图中读出各测点的覆盖层厚度H(视深度视深度)，并把每个测点的，并把每个测点的H值标在地形的相应测点正上方，并把值标在地形的相应测点正上方，并把(2)式求出的式求出的V2值写在折射值写在折射层内。层内。（8）测线交点闭合差（）测线交点闭合差（t0与与H）的检查。要求：）的检查。要求：t03ms，H10（当（

15、当H10m时），或时），或H0.5m（当（当H10m时），如果时），如果超出上述要求，应检查在波的对比时，是否有错。在此基础上考超出上述要求，应检查在波的对比时，是否有错。在此基础上考虑在虑在“合理区间合理区间”内调整内调整V1值，直至达到上述要求，然后取不同值，直至达到上述要求，然后取不同测线在交点上的测线在交点上的H平均值。平均值。（9）平面图的绘制。把全工区测点展在图上，并标上）平面图的绘制。把全工区测点展在图上，并标上H值，就可以值，就可以勾绘覆盖层等厚度平面图，如果是绘制折射面高程图，则应把测勾绘覆盖层等厚度平面图，如果是绘制折射面高程图，则应把测点的高程减去点的高程减去H值以后，再

16、把高程数据标在测点上，然后绘图。值以后，再把高程数据标在测点上，然后绘图。 四 初至折射静校正 基准面校正需要风化层速度和厚度的信息，但是，野外测量工作有时不能准确地提供这些信息。风化层的速度低于下伏地层的速度，因此地震记录上能够记录到来自风化层底界的折射波，一般情况下，折射波先于地下反射到达地表，我们能够比较容易地从地震记录中识别折射波，进而拾取到折射波的初至时间。初至时间中包含风化层厚度和速度的信息，利用这些信息所进行的静校正，通常称为初至折射静校正。一、水平风化层的折射静校正 图5-8是水平界面折射波传播示意图，图中风化层的厚度为 ，风化层的速度为 ，下伏基岩的速度为 ，且 ，地震波在S

17、点激发，当地震波入射角达到临界角 时，产生折射波。 直达波斜率为 ，折射波斜率为 ，折射波在时间轴上的截距为 ，下面推导如何由 、 和 ，计算风化层厚度 ，进而计算基准面静校正量 。wzwvbvbwvvc1/wv1/bvobtwvbvobtwzDT折射波初至时间表达为进一步写成式中 临界角wbwSBBCCGtvvv（5-6)2 tancoscoswwcwwcbwczxzztvvv (5-7)csinwcbvv (5-8)222wbwb wbzvvxtv vv (5-9)obbxttv(5-10)我们知道，折射波时距方程是下面的线性方程将(5-8)式代入(5-7)式，整理后因此，由风化层速度 ，

18、基岩速度 和折射波的截距 ，可以计算风化层厚度 222wbwobb wzvvtv v(5-11)wvbvobtwz222bw obwbwv v tzvv(5-12)对比(5-9)式和(5-10)式，得到bcbcwcwwbbcwcwwcwwbcwcwwvxvzvzvxvzvzvzvzxvztcossin2cos2tan2cos2costan2cos1cossin22ccbwcvvsinbbwwbwbcbwwbwbcbbwwcwwvxvvvvzvxvvvvzvxvvvzvzt222222cos)(2cos2cos2bwbcvvv22cos1、试推导折射波截距时间t0b的表达式 在地表起伏的情况下，

19、初至波不再是一条标准的直线，此时很难测量初至波的斜率和截距时间，另外，当观测系统的最小炮检距大于折射波的第一接收点 时，地震记录初至中观测不到直达波。这种情况下无法使用(5-12)式计算风化层的厚度。二、加减法折射静校正（t0差数法）0 x222bw obwbwv v tzvv(5-12) 加减法折射静校正也需要拾取折射波初至时间，但是它不需要计算初至时间的斜率和截距，图5-9是加减法折射静校正示意图，图中有三个炮点检波点对，分别是 、 和 ，现在定义两个时间变量 和 。ADDGAGttABCDDEFGABFGABCDDEFGABFGtttttttt（5-14)（5-15)tan2()2()c

20、oswwcwbwcbzzCDCHtvvvv (5-16)从图5-9可以看出由于 ，所以sinwcbvv222wbwbwzvvtv v (5-17)obtt (5-18)与(5-11)式进行比较，得到现在计算 ，从图5-9看出将(5-16)式代入(5-20)式，有t (5-19)22tan2coswwcwcbbzzxtvvv(5-20)x式中 炮点A到检波点D的距离当风化层地面水平时bbwbbwvBEvBCvABvCEvBCvABt2221、记录质量的评价及初至拾取、记录质量的评价及初至拾取(1)资料质量评价的原则资料质量评价的原则折射波野外资料采集的质量评价，首先便是地震记录道上观察初至波的起

21、折射波野外资料采集的质量评价，首先便是地震记录道上观察初至波的起 跳是否明显、清晰。其次是通过跳是否明显、清晰。其次是通过SeisImager软件读取初至时间，根据两个软件读取初至时间，根据两个零偏移距炮点的时间互换的原则，初至时间零偏移距炮点的时间互换的原则，初至时间T越接近资料采集的质量高。越接近资料采集的质量高。(2)初至的定义初至的定义初至时间是指最先到达的有效波的时间，也称波的起跳时间。波的正负起初至时间是指最先到达的有效波的时间，也称波的起跳时间。波的正负起跳取决于仪器，此时实习均为负起跳。初至时间的拾取是利用波的对比原跳取决于仪器，此时实习均为负起跳。初至时间的拾取是利用波的对比

22、原则，确定初至波（包括直达波和折射波），读取波的起跳时间。当某道上则，确定初至波（包括直达波和折射波），读取波的起跳时间。当某道上的有效波初至不清楚时，可利用相位对比，读取相位的时间，并对改道进的有效波初至不清楚时，可利用相位对比，读取相位的时间，并对改道进行相位校正。对于相遇炮的记录一定要读取初至时间，而对于追逐炮的记行相位校正。对于相遇炮的记录一定要读取初至时间，而对于追逐炮的记录，当大多数道上的初至不明显时，可读取所有道上的相位时间，而不做录，当大多数道上的初至不明显时，可读取所有道上的相位时间，而不做相位校正。相位校正。(3)初至拾取的具体方法初至拾取的具体方法通过通过SeisImag

23、er软件手动和自动结合读取初至时间，将光标点在地震记录软件手动和自动结合读取初至时间，将光标点在地震记录道上最早起跳的点上，通过软件自动和手动读取数据。道上最早起跳的点上，通过软件自动和手动读取数据。 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m

24、 sec) Source=-12.0m350. dat正追逐炮正追逐炮 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m sec) Source= 0.0m351. dat正相遇炮正相遇炮 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10

25、.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m sec) Source= 34.5m356. dat反相遇炮反相遇炮 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 19.5 21.0 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30

26、.0 31.5 33.0 34.5 36.0D i stance (m ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Ti m e (m sec) Source= 46.5m358. dat反追逐炮反追逐炮 2、相遇追逐时距曲线的绘制、相遇追逐时距曲线的绘制 3、确定交点、计算有效速度、确定交点、计算有效速度Ve (1)利用追逐炮与相遇炮平行性确定交点位置利用追逐炮与相遇炮平行性确定交点位置利用接收段同侧不同位置激发的折射波时距曲线的平行利用接收段同侧不同位置激发的折射波时距曲线的平行性，在相遇炮明显发生转折的点即为交点。因为检波点性，在相遇炮明显发生转折的点即为交点。因为检波点距不为零（即不是连续布设的），所以交点的位置在曲距不为零（即不是连续布设的），所以交点的位置在曲线的线的“合理区间合理区间”内移动。内移动。(2)