工程物探與環境地質學中關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，其介質內質點會離開平衡位置發生位移而產生形變，當外力解除以后，產生位移的質點在應力的作用下都有一個恢復到原始平衡位置的過程，但是由于慣性力的作用，運動的質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，于是又產生新的應力，使質點再向原始的平衡位置移動，這樣應力和慣性力不斷作用的結果，使質點圍繞其原來的平衡位置發生振動。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，由于振動的質點和其相鄰質點間的應力作用，必然會引起相鄰質點的相應振動，這種振動在彈性介質中不斷地傳播和擴大，便形成了以激發點為中心，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。實踐表明，不論使用哪種震源，在激發時，激振點附近的一定區域內所產生的壓強將大大地超過其介質的彈性極限而發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。再向外其壓強不斷地減小，直至其周圍介質能產生完全的彈性形變。上述震源點附近的非線性形變區稱之為等效空穴，等效空穴邊緣的質點，在激發脈沖的擠壓下，質點將產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 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離震源點，其介質受到的力很小，介質表現為完全彈性的性質，故又稱為地震彈性波。

 

  地震子波：由震源激發、經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，振動經過很短的一段時間即衰減。  地震子波的延續時間長度：地震子波衰減時間長短稱為地震子波的延續時間長度。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，具體地說，地震子波的頻帶寬度、延續時間和子波形狀是影響分辨率的主要因素。當子波相位數一定時，頻率越高，子波的延續時間越短，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：這種用坐標系統表示的質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行的。因此在觀測地震波時，只有當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。  體波在介質的整個體積內傳播，根據其傳播特征的不同，又可分為縱波（又稱P波）和橫波（又稱S波）。 面波則沿介質的自由表面或兩種不同介質的分界面傳播，根據其性質的不同，又可分為瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波等。

 

  1.縱波：彈性介質發生體積形變（即拉伸或壓縮形變）所產生的波動稱為縱波。縱波又稱壓縮波（或P波）。特點：縱波的傳播方向和質點的振動方向一致。

 

  2. 橫波：彈性介質發生切變時所產生的波動稱為橫波，即剪切形變在介質中的傳播，又稱為剪切波（S波）。特點：質點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。

 

  質點振動發生在垂直平面內的橫波分量，稱為SV波；質點振動發生在水平面內的橫波分量，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。瑞利波是沿介質與大氣層接觸的自由表面傳播的面波。

 

  傳播特點：

 

  ①質點在通過傳播方向的垂直面內沿橢圓軌跡作逆時針運動，其橢圓長軸垂直于介質表面，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，強度隨深度呈指數衰減，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分界面傳播的面波，這種波一般出現在覆蓋層和下伏介質的分界面，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A（t）來描述，根據頻譜分析理論， A（t）可以看著是由無限多個頻率連續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系稱為振幅譜，初相位隨頻率的變化關系稱為相位譜，統稱為地震波的頻譜。

 

  頻譜：就是頻率的分布曲線，復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），是地震波在時間域的變示形式，而不同波是用頻率來區別的，為了研究地震波的頻譜特征，必須把時間域轉換為頻率域。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變換得到的結果稱為波數譜，其方法稱之為波數分析。