第2章　TRT6000超前地质预报原理及操作流程

2.1　TRT6000超前地质预报的理论基础

2.1.1　地震波及其分类

震源及其附近，震动一开始都表现为冲击式的，然后形成规则的波，向四周传播出去，这种波称为地震波。地震波是一种在岩层中传播的弹性波。岩石中各质点有规则地震动并依次传导，然后各自回到原来静止的位置。

按照波在传播过程中质点震动的方向来区分，可以分为纵波和横波。在震源造成岩石的膨胀和压缩，这种形成质点振动的方向与波传播的方向一致，即产生纵波。由于震源作用不具有球对称性以及实际的岩土不是均匀的介质，因此会产生与波传播方向垂直的振动，即产生横波。在目前的地质勘探工作中，主要利用纵波。

按照波动所能传播的空间范围来区分，地震波可以分为体波和面波。纵波和横波在介质的整个立体空间中传播，所以把它们合称为体波。由于在地下存在着许多不同岩性的分界面，除了纵波和横波外，还会产生与地面或者岩层分界面有关的特殊波，这种类型的波只有在地面或者不同介质的分界面才能观测到，且其强度随着离开界面的距离加大而迅速衰减，这种波称为面波。

按照波在传播过程中传播路径的特点来区分，可以分为直达波、反射波、透射波和折射波等，如图2.1.1所示。

由震源出发向外传播，没有遇到分界面而直接到达接收点的波叫作直达波。由图2.1.1可知，当入射角正好等于临界角(即β＝且v1＞v2时，透射波就会变成以v2速度传播的滑行波。且由于两种介质是互相密接的，滑行波在传播过程中也会反过来影响第一种介质，并在第一种介质中激发新的波。这种由滑行波引起的波叫做折射波。

按照入射波、反射波和透射波的类型是否相同来区分，地震波可分为同类波和转换波。一般来说，当一个纵波入射到反射界面时，既产生反射纵波和反射横波，也产生透射纵波和透射横波。与入射波类型相同的反射波或透射波称为同类波，改变了类型的反射波或透射波称为转换波。入射角不大时，转换波的强度很小，垂直入射时，不产生转换波，并且反射波振幅A反与入射波振幅A入和分界面两边介质的波阻抗（指介质密度与波速的乘积）有如下关系：

式中：ρ1、v1分别为波在介质1中的密度和波速；ρ2、v2分别为波在介质2中的密度和波速。

比值A反/A入称为波从介质1入射到分界面时界面的反射系数，记作R，即

式（2.2）表明：在分界面上能产生反射波的条件是分界面两边介质的波阻抗不相等。严格地说，波阻抗界面才是反射界面，速度界面不一定是反射界面。当地震波从一种低阻抗介质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软性地质体传播到硬质地质体时，回波的偏转极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，反射波就越明显，越容易被探测到。由式（2.2）中我们可以得出：当介质1很松软、破碎，甚至与接近于空气时，ρ1v1趋近于0，此时，R约等于1，发生全反射，能量无法穿过介质2；当介质2松软、破碎、接近于空气时，ρ2v2趋近于0，此时，R约等于-1，发生全透射，没有能量返回。

2.1.2　地震波的反射定律和透射定律

1.反射定律

如图2.1.2（a）所示，设地震波从点震源O沿射线OP入射到分界面上；NP垂直于分界面，是分界面在P点处的法线。入射线OP和法线NP所确定的平面垂直于分界面，这个平面叫作波的入射面。入射线和界面法线的夹角θ1叫作入射角。反射波的射线叫作反射线，反射线和界面法线的夹角θ′1叫作反射角。我们可以得出反射定律为：反射线位于入射平面内，反射角等于入射角，即θ′1＝θ1

在地震勘探中，把入射线、过入射点的界面法线、反射线三者所决定的平面称为射线平面。根据射线平面的定义可知，它是垂直于分界面的。

设在地面（假设它是水平的）上O点激发，沿测线Ox接收；又设地下的反射界面是水平的，这时，射线平面既垂直反射界面，也垂直地面。

如果地面倾斜，可分为两种情况：

（1）若地震测线垂直界面走向，则射线平面既垂直反射界面也垂直地面。

（2）若地震测线不垂直界面走向，则射线平面只垂直反射界面，不再垂直地面。

在图2.1.2（a）中，将反射线向反方向延长，同时从波源O向界面作垂线OD并延长，这两条延长线交于一点O′。该点称为虚波源（地震勘探中称虚震源），因为反射线似乎是从O′点射出来的。利用反射定律很容易证明：

2.透射定律

如图2.1.2（b）所示，当地震波沿OP入射到分界面上的P点时，除有一部分能量作为反射波的能量回到第一种介质中以外，通常还有一部分能量作为透射波的能量投入到第二种介质中。透射波的射线称为透射线；透射线和界面法线PN′之间的夹角θ2称为透射角。

由实验总结得出的透射定律为：透射线位于入射平面内，入射角的正弦与透射角的正弦之比等于第一和第二两种介质中的波速比，即

或者

若把式（2.4）改写为

则表明沿着界面，波在两种介质中传播的视速度是相等的。

必须说明的是，透射定律只确定了透射线的方向，完全没有涉及透射波的强度，从而它也是属于几何地震学的一条定律。除了与反射定律一样要求的适用条件外，透射定律还特别要求两种介质必须是各向同性的。也就是说，当在同一种介质中传播时，波的速度必须是一个不随方向而变的常量。

由图2.1.1可以看出所谓的全反射现象。如果v2＞v1，则有sinθ2＞sinθ1，即θ2＞θ1。当θ1增大到一定程度但还没有到90°时，θ2已经增大到了90°，这时透射波在第二种介质中沿界面“滑行”，出现了“全反射”现象。如果θ1再增大，就不能出现透射波了。

开始出现“全反射”时的入射角叫做临界角。因为此时θ2＝90°，sinθ2＝1，所以临界角满足下列关系式：