本发明涉及地震探测技术和地下層的地震成像本发明特别但不 排它地涉及水下地震探测和生成海底地质结构的地震调查报告，但 是本发明也可应用于陆地应用，尤其茬不利地形下

探测海床下面的地下层的传统地震探测方法涉及生成地震波并 测量响应。地震波可以是简单的或复杂的并可以在海平面仩、在水 面下或在海床上生成。响应通过一系列隔开的接收器检测 一系列隔 开的接收器通常位于拖在探测船后面的缆上。 一般说来接收器在检 测阶段保持静止，然后移动到不同位置并重复该过程对海底固态岩石中的地震事件的响应包括压缩波(P波)和剪切波(S波)。P波被认为楿当适合于成像结构而s波的组合相当适 合于确定岩石和液体特性。P波穿过岩石和海水而s波只穿过岩石。因此如果接收器是浮在表面戓表面下的水听器，则它们将只检测p波为了检测s波，需要使用位于海床上的地音仪当可能由于沙漠条件、多山区域、冻土地带或其它極端条件而地 形不利于部署接收器时，在陆地上也存在一些问题人们还认识到，通过利用P波和s波两者可以实现更好的地震成像。但是人们发现，除了使用水听器之外在海床上或在不利 陆地区域放置或重新放置地音仪所带来的成本高得惊人。由于为了有效地检测s波茬每个记录位置需要三个独立正交的地音仪，所以尤其如此十多年来人们已经知道，由于在水底对剪切波(s波)的高质量记录海洋应用中哋下的4C地震成像可以为探测添加更多更好的信息。不幸的是主要由于极高获取成本和回报预测的不确定性的综合影响，4C成像没有取得预期的成功成本因素与可用获取技术中的 能力问题有关。4C记录通常通过水听器和三个独立正交的地音仪进行地音仪 与海底耦合，因此咜们对地震P波和S波两者所产生的粒子速度是 敏感的。这些技术使用海底的传感器电缆或躺在海底上或植入海底中 的地音仪节点4C地震获取甴一系列移动信源和移动接收器操作组 成。在独立信源船只进行了一系列断面拍摄之后底部装备必须移动 到下一个位置。由于获取时的這种静态记录成分并由于可用接收器的 数量有限两者使这些4C获取系统变得低效。由于与沿着水底移动 笨重装备和地音仪耦合两者有关的粅理问题可靠性受到负面影响。最后人们还认识到，通过避免需要将检测装置放在海床上即， 测量来自与海床隔开的位置的S波并洇此使检测装置相对于海床得 到有效重新定位，可以极大地降低进行这种地震成像尤其是S波测 量的成本效率。这也可以应用于不利陆地哋形下的地震成像但是，如上所述S波不穿过海水，也不穿过大气使远离海床 或陆地表面的直接感测变得不可能。远程感测存在进一步的固有问 题因为检测装置经受可以使检测装置得不到有效定位的海流或大气 条件，并且将噪声带入测量结果中使对结果进行关联变嘚非常困难，发明内容因此本发明的目的是提供一种地震探测方法，其中检测P波 和S波两者但比已知技术更简单和更便宜，根据本发明嘚一个方面提供了 一种包含如下步骤的地震探测方 法生成地震亊件；将地震事件应用于地球表面；利用干涉仪来检测 对事件的响应，其Φ在地球表面与干涉仪之间存在相对运动，检测 的响应包括地球表面内的P波和S波；以及分析检测的响应；以及其 中检测步稞包括从与地浗表面隔开的位置监视和记录以地球表面 上的粒子运动形式的对地震事件的响应，检测步稞是在响应周期内执行的响应周期是地震事件之后的预定时间周期；以及分析步骤包含 分析在记录的响应周期内对地震事件的响应中地球表面上的粒子运 动；所述相对运动具有包括橫向分量Vt和纵向分量V,的总速度VtDt; 干涉仪的操作包括将相干光的对象光束引向地球表面上的测量位 置，从而在所述表面与测量位置之间存在相對运动；沿着一般在横向 上延伸的直线将检测器阵列排列在干涉仪上检测器排列成以代表不 同灵敏度方向的不同角方向来检测光线；产苼与对象光束至少部分相 干的相干光的参考光束；将参考光束与来自表面的反射对象光束组 合，以产生提供有关表面与干涉仪的相对运动嘚信息的斑紋图案中的 交叉干涉；借助于检测器来检测斑紋图案和交叉干涉图案；确定阵列 中的哪个检测器对总运动速度Vtt具有零或最小靈敏度，从而识别具 有与Vtt正交的灵敏度方向线的检测器；监视具有零或最小灵敏度的 检测器中的瞬时变化，从而查明由V,的变化引起的Vtt嘚方向随时间 的变化；以及确定V,的瞬时变化。根据本发明的另一个方面提供了一种用于进行地震探测的装 置，包含用于生成地震事件的蔀件；用于将地震事件应用于地球表 面的部件；用于检测包括地球表面内的P波和S波的对事件的响应的 干涉仪其中在地球表面与干涉仪之間存在相对运动；以及用于分析 检测的响应的部件；以及其中干涉仪被安排成在地震事件之后的预 定响应周期内，从与地球表面隔开的位置监视和记录地球表面上的 粒子运动形式的对地震事件的响应；所述相对运动具有包括横向分量 Vt和纵向分量V,的总速度Vt。t;干涉仪包含将相幹光的对象光束引 向地球表面上的测量位置从而在所述表面与测量位置之间存在相对 运动的部件；沿着一般在横向上延伸的直线排列在幹涉仪上的检测器 阵列，检测器排列成以代表不同灵敏度方向的不同角方向来检测光 线；用于产生与对象光束至少部分相干的相干光的参栲光束的部件； 将参考光束与来自表面的反射对象光束组合以产生提供有关表面与 干涉仪的相对运动的信息的斑紋图案中的交叉干涉的蔀件；借助于检 测器来检测斑紋图案和交叉干涉图案的部件；确定阵列中的哪个检测器对总运动速度Vt。t具有零或最小灵敏度从而识别具囿与Vt。t正交的灵敏度方向线的检测器的部件；监视具有零或最小灵敏度的检测器 中的瞬时变化从而查明由v,的变化引起的Vt。t的方向随时间嘚变化 的部件；以及确定V,的瞬时变化的部件本发明还可以推广到利用如上所述的方法和/或装置来生成地震 调查报告的方法，以及以这种方式生成的报告表面上的粒子将响应P波和S波两者的刺激，因此它们的运 动将代表两种波。由于这些运动是从远处检测的不需要与表媔接触， 因此不需要在重新定位检测装置之前拆除避免了现有技术的缺点。最好对象光束和参考光束从干涉仪发出。干涉仪可以在横姠上 恒速运动以及所述表面可以在除横向之外的方向上相对断续地运 动。最好相干光束是激光束。最好对象光束被扩展以照射被研究对象。测量位置可以是被研究对象表面上的点或线阵列中的每个检测 器最好由一般与横向平行或一般与横向成直角延伸的一行检测器組 成。检测器可以采取全场检测器阵列的形式最好，光束刚好在被检 测器检测之前被成像光学部件成像成像光学部件可以包含透镜系統或曲面镜o最好，每个检测器元件包含一行分立检测器以及最好，该行与 横向检测器线平行以及检测器包含全场检测器阵列。干涉仪鈳以包括在该行检测器之前的成像光学部件；成像光学部件包含成像透镜、 透镜系统或曲面镜可以存在同时用在不同位置的几个干涉仪。最好将响应变换成数字形式并以数字形式记录。最好分析步猓包含分析表面粒子位移、 和/或速度和/或加速度。海下应用中表面粒子速度的z分量类似于将借助于安装在监视 设备上的水听器测量的压力分量这种冗余测量可以用于校准系统并 使它更抗环境噪声和系统噪声。在陆地上可以使用等效布置从地球表面散射的镜面反射是许多散射子波的贡献，所述散射子 波具有由距离表面上的每个点的光路长度確定的恒定相对相位由于 来自表面的反射中光路长度不同，将反射光与相干参考光束组合产生 了复杂的干涉图案从已知参考图像中减詓干涉图案的初始成像处理步骤揭示了由地震事件引起的3D粒子位移的瞬时进程。而且通过 选择多个参考图像来降低斑紋去相关效应，可鉯提高信噪比最后成像处理步骤产生由3D粒子位移引起的光路变化的绝对强度信号。最 后使强度信号经受恢复正被讨论的地震S波信号的信号处理步骤。由于表面与干涉仪之间的相对运动光检测器看到的斑紋图案可 能在地震时间内变化。当仪器正在移动时斑紋图案移动嘚非常快， 因此必须比每隔1毫秒快得多地进行斑紋监视，以便能够每毫秒一 次地检测/识别并因此监^L相同斑紋组由于地震波长，粒子速喥在表面上的5米圆盘内可能是同相的 因此，可以使用多组空间分布仪器来提高一个地震记录信道中的信噪 比本发明尤其适用于海洋地震，其中地球表面是海床，地震事件 应用于大海或直接应用于海床以及干涉仪在海床上方与之隔开。最 好干涉仪在响应周期内位于海底上方1到15米的位置上，并另外 可以包括分开记录P波的地音仪但是，本发明也可应用于地形或主 要条件不利的陆地应用在这样的情况丅，干涉仪在陆地表面上方与 之隔开仪器可以像，例如拖缆或一系列拖缆那样拖在表面或海下船只、 陆地车辆或飞机的后面。因此鈳能存在安装在多条缆上的多个干涉 仪，每条缆上的仪器最好相互隔开小于所发送地震事件的波长的距 离以防止记录波场的空间混叠。鈳替代地仪器可以处在自推进海 下船只、陆地车辆或飞机上，在这样的布置中车辆、船只或飞机最 好是无人的，并且除了干涉仪之外最好包括rf (射频)发送器/接收 器和天线、声调制解调器、声外壳传感器、底部传感器、深度传感器 和声跟踪系统。在每一种情况中分析步驟都应该包括从检测的响应中消除代表干涉仪运动所引起的干扰的噪声。这种运动可以通过三个 独立加速度计来测量并然后从仪器测量嘚相对运动中减去。 最好检测其运动的粒子是海底或陆地上的沙粒。最好地震事件包含波长在5到100米范围内以及持续时间从2 毫秒到1000毫秒嘚地震波。取决于探测目标的深度和地震P和S速 度最好，响应周期从5到20秒地震事件可以利用海面船只上的 装置来生成。它可以在大海的表面上或表面下生成该事件可以利用 陆地震源原理，由震源在海床上生成在这种情况下，可以生成P和 S波可替代地，它也可以以任何巳知方式在陆地上生成干涉仪在发送周期内，最好以l到5米每秒的范围内的速度尤 其以3到4米每秒的速度运动。取样速率最好是1到2毫秒顯然，由于干涉仪一边记录一边在水中运动附加了不想要的动 态分量(拖曳噪声)。通过标准时间和空间滤波器可以从记录中分离 出这个噪聲的一部分在可以被除去之前，必须计算/预测落在粒子速 度的频带内的噪声通过处理来自在相同时间但从不同地方或多或少记录波前嘚相 同部分的几个干涉仪的数据，可以部分预测/消除船只/车辆/飞机/电缆 的相对运动这可以借助于小于地震波波长的仪器分离来取得。如果 记录的分辨率足够好则可以通过图像分析来导出仪器的相对定位， 因此可以预测拖曳噪声可以以与分散用于纯P波地震获取的海洋多條拖缆相似的几何 结构，但在与海底或陆地表面尽可能接近的深度拖曳OBM

本发明可以以各种方式付诸实施，现在参照附图来描述本发明的 ┅些实施例在附图中困l是用在海洋应用中的整个系统的示意图；困2、 3和4是三种不同数据获取方案的示意性平面图；图5是示出本发明的一般原理的示意图；图6是接收信号可以沿着一行检测器出现的一种方式的图形描绘；图7是如图6所示的曲线的修正形式；图8是示出本发明应用於海底处的地震信号的检测、与图5类似 的图形；图9示出了使用光学元件来修正系统；图IO示出了可替代实施例；图11更具体地示出了检测器的靈敏度线；图12更具体地示出了海底处的地震信号的检测；图13示出了用在本发明中的两种可替代的透镜配置；图14示出了使用参考光束的相位調制来补偿干涉仪的运动；以及图15示出了将本发明应用于3维测量。

具体实施方式 参照图1操作由表面船只11控制。震源12位于海床13上 以及一系列移动仪器单元14 (示出其中的两个)监视海床13对信源 12所生成的地震波的响应。仪器单元14处在海床13上方大约一米的 位置仪器单元14的每一个都包括由光发送器和接收器、水听器、加 速度计和处理单元构成的干涉仪。下面将描述它的操作水听器表现为测量海底13上方的地震P波 加速喥计测量0-200赫兹范围内的仪器振荡。处理单元用于从取得的测量结果中过滤 噪声、识别和检测成像对象、测量成像对象值并将那些值转换成粒子 速度在使用时，信源12生成作为P波和S波穿过岩床15传播的具 有持续5到20秒周期的响应的地震波初始地震波在各种地层边界 上反射和/或折射，并且返回P和S波在表面包括泥土、沙子和岩石 的海底13处引起高达200赫兹范围内的振荡干涉仪14通过将光施加于底部13并以0.000001到4毫秒，但一般小於1毫秒的取样速率 记录反射光(即摄像机14拍摄底部13 )，来有效地监视海底13的 响应实际上，随着海底13的粒子响应于返回P和S波而运动这 构成叻它们的电影(这正确吗？)返回P波还穿过水16从海床13向上行进，并被水听器以1到4 毫秒的取样速率检测并且将这个数据传送到处理单元。加速度计将 与振荡相对应的噪声数据传送到处理单元处理单元分析从接收器、水听器和加速度计收集的数据，并生成 补偿了仪器运动的海底粒子的响应的记录然后，将标准原理用于结 构、地层特征、和岩石和液体参数的地震处理解释和表征可以分析 这个记录。因此对於来自源12的每个地震冲击，所有干涉仪14同时以2 到4毫秒样本记录海底13的波场响应仪器14执行包括降低噪声、 提高分辨率、和识别成像对象的預处理步骤。从样本中计算和除去摄 像机单元动态分量然后，导出Vx、 Vy和Vz (S波的三个速度分量) 和P (来自P波的压力)并存储在四条地震迹线上每2箌4毫秒重 复一次这个过程。在可替代实施例中震源未处在海床上的固定位置上，而事实上 是可以例如，处在船只ll上的运动P波源生成嘚P波穿过水16 行进并进入岩床15，在其中像如前所述的P和S波那样传播和反射/ 折射图2示出了一种布置，其中震源21是运动的并包括运动的干 涉儀22的阵列，以及运动的地震接收器23,在每个阵列中示出了四 个仪器但可以是更大数量。理想的布置包括间距50到400米的1 到3个源地震接收器23与源也相隔25到400米的距离，并以1到 4毫秒的取样速率记录5到20秒(取决于发送周期)干涉仪22和 地震接收器23以1到5毫秒的速度运动。底部的源是固定的洏浮 动、拖曳的源是运动的。地震接收器是存储所有测量结果、控制操纵、 可以从中分配能量、以及操作人员所在的中心这类似于目前拖曳震源和接收器并将记录/存储地震信息的地震船。图3示出了一种可替代布置其中，数量上1到3个最佳的源 31以1到5毫秒的速度运动而干涉儀32和地震接收器33固定。间 距类似于前一种布置中的那些图4示出了对应于图1，源41(在数量上也是1到3个最佳)固 定而干涉仪42和地震接收器43可运動的第三种布置。间距和速度 与第一种布置相同仪器通常安装在缆上并与缆连接，所述缆拖在船只的后面或通过 专用海下推进设备拖曳仪器相对于海床的位置通过声学技术来确 定，所述缆通过缆上的"翅膀"来操纵缆上的垂直力由重物或压艙物 平衡。所述缆提供仪器阵列の间的机械连接还提供能量和通信传送。 在典型布置中存在每条拖曳一个仪器阵列的几条缆。船只或拖曳设备包括导航装备和数据存儲设备仪器也具有数据 存储设备。可替代地仪器之间的连接可以是无线的，例如取代电缆或除 了电缆之外，还有无线电连接参照圖5，激光束被扩展成沿着如图5所示的直线照射被研究对 象(OUI object under investigation ) 。 OUI可以是海底或4象旋转机 器部分的表面那样的其它对象在可以是点，但这里昰OUI表面上的线的测量位置与干涉仪(光 头)之间存在相对运动所述相对运动具有如图5所示的横向速度分 量Vt以及纵向速度分量V,。在实际测量状況下可以是OUI运动， 或可以是干涉仪运动或两者。为了简单起见将这个运动描述成仿 佛只有OUI运动。假设速度分量对于沿着对象上的激咣线的所有点都 是相同或近似相同的.激光线通常具有有限长度(从毫米到米)或 在特殊应用中，它可以在大距离上保持连续本发明主要用於检测纵向速度分量V,的瞬时变化(AC电平)。 根据激光束的方向和OUI振荡(波)的方向V,可以具有在平面外和进入oui表面两者的分量。om可以是平坦或弯曲表面如图5所示， 一行检测器元件排列在基本上与横向速度分量Vt 相同的方向上每个检测器元件也可以被检测器阵列或横向检测器线 取代，对于图5中的检测器线上的每个位置这使得可以对几个检测 器元件求平均。可替代地可以使用整个全场检测器阵列。检测器元 件或检測器阵列还被一个或多个参考光束照射 一个或多个参考光束 至少部分与从OUI反射的对象光相千(在图5中未示出参考光束)。 在该行检测器的前媔存在成像透镜、透镜系统或像曲面镜那样的其 它成像光学部件。成像光学部件将OUI上的激光线成像到该行检测器 上取代对象表面上的噭光线，可以存在沿着对象上的相似线扫描的 扫描激光点最好，如果使用全场检测器阵列我们也可以照射对象 表面上的全场，以便将對象的照射部分成像到检测器阵列上照射OUI的激光束也可被会聚或发散，焦点在距离源的不同距 离上包括OUI下面或外面的点。但是最好，用于对象照射的激光 源处在图5中的透镜的孔隙中或附近这意味着，照射和观察方向是 平行的激光束可以在不同角方向指向OUI。纵向速喥分量V,的改变意味着总速度Vtt的方向将改变。借助 于本发明我们检测Vt。t方向的瞬时变化并因此检测纵向速度分量 V,的瞬时变化。位于沿著检测器线或检测器阵列中的特定位置上的干涉仪中的 每个检测器元件具有它自己的特定灵敏度方向图5中的直线SDL 代表如此的直线或方向。干涉仪和激光束沿着角方向放置和排列使 得至少一个检测器或一組检测器具有与速度Vt。t正交的灵敏度方向线 SDL如果将全场检测器阵列與全场对象照射一起使用，则存在都具 有与速度Vtt正交的灵敏度方向的跨过阵列的 一行检测器。具有与速度Vtt正交的灵敏度线SDL的检测器元件将对速度Vt。t 没有灵敏度具有其它灵敏度方向的所有其它检测器元件将获得速度 Vt。,的较小或较大部分.千涉仪中的每个检测器元件检测对潒光与参考光之间的干涉以及检测器元件上的强度由如下方程给出 其中，I是检测器元件上的总光强；Iref是参考光强；1bj是对象光强；H是0与1の间的因子，并取决于光的相干性等；是对象光与参考光之间的初始光学相差； adisp是由对象位移引起的附加光学相差 当我们具有以如图5所礻的速度Vt。t的运动时根据给定检测器元件的灵敏度方向线SDL与速度Vt。t的方向之间的角度这个检测器元件的相位Ctdisp将以相位速度(D转动。如果對于特定检测器元件这个角度等于或非常接近90°，那么，这个检测器元件的相位adisp将不转动，或将变化非常小或非常緩慢对于具有其它靈敏度方向的其它检测器元件，相位a^p将转动随着SDL线相对于速度Vt。t的方向越 来越偏离90、相位(Xdisp将转得更快从方程(2)可以看出，当相位adisp随时间轉动时检测器处的 强度I将是正弦调制的。这意味着相对于速度Vt。t的方向具有90° 或接近90°灵敏度方向(SDL)的检测器将具有与具有其它灵敏度方 向的检测器相比緩慢调制的强度在下文中，我们将相对于速度Vtt 具有卯^灵敏度方向SDL的检测器称为零检测器。通常零检测器始 终在改變位置，使得随着时间流逝沿着该行检测器或在检测器阵列 内的不同检测器将被识别为零检测器。本发明的主要原理是检测和定位零检測器也就是说，定位强度 I的变化相对緩慢的检测器位置这可以通过，例如如下方式之一来 完成1. 通过以快速取样频率取样检测器或检測器阵列，并计算与从前样本的信号的差值如果我们调用来自检测器s的电或数字信号，我们将具有S(t) = K.I(t) ( 3 )其中S是来自检测器的信号(电或数字)；K是常数；t是时间；I是检测器上的强度。 现在查看信号S的瞬时频率，我们将找到具有最低频率S的 检测器代表零检测器2. 通过使用具有相對低取样频率和每个样本相对长膝光周期的 检测器。这样具有比检测器在时间上可以分辨的更快强度起伏的检 测器将给不出、或给出相對低的信号S起伏(低幅度)，因为强度起 伏将被平均掉换句话说，信号S不能跟上强度I的快速调制图6 示出了信号如何沿着一行检测器出现的唎子。在信号S的幅度随如图 6所示的正弦函数减小的同时信号S的频率随相对于零检测器的距 离增加而增大。除了接近零检测器的检测器元件之外方程(3)对 于这种方法是无效的，因为这些检测器的强度起伏慢得足以让检测器 分辨出来可以通过沿着检测器线的空间滤波(参看图6)，和通过 分析瞬时起伏两者来识别和定位零检测器。3. 通过组合上述方法的方法其中，分析检测器的瞬时频率以 及信号幅度由于OUI的表媔粗糙性和激光的高度相干特性，从OUT反射的 对象光一般具有斑紋性质这也可以从图6的曲线中看出。当干涉仪 相对于OUI运动或反过来时作為运动的结果，斑紋将一般在空间上 去相关以及方程(3)中的I。bj和adi打两者将随时间变化这些随机 变化将给出如从方程中看到的强度起伏，泹这些随机强度起伏通常比 由相对对象运动Vtt引起的强度变化慢，至少对于远离零检测器的检 测器是这样如上所述的随机起伏可以用于獲取(参见图7)导致更平滑强度曲线的平均效应，其中我们还滤波和整流了信号平均效应 可以通过对来自几个相邻检测器元件或检测器阵列嘚信号求平均获 得，或平均效应可以通过在时域中求平均而获得平均或平滑效应可 以使检测和定位零检测器的确切位置变得更容易。如果在沿着检测器线的几个或许多点取样图7中的曲线则可以使用计算"重心，(=零 检测器)的算法。Uj和(Xdiff的去相关速度取决于激光束的形状、尺団 和焦点(参考之前专利)图8示意性地示出了本发明如何用于检测海底的地震信号。干涉 仪沿着虛线运动以及只要我们具有如图所指的幅喥的单频、稳态地 震信号，跨过海底运动的测量点的总(相对)速度在图中的向量VttA 与向量Vt。tB之间变化零检测器将在检测器线上的位置A与B之間 行走。如果横向速度Vt是1米每秒以及地震幅度在50赫兹上是100 亳微米，那么纵向速度幅度将是31.4微米每秒，以及总速度Vtt 的方向将以+M).0018G变化。通过处在海底上方5米的干涉仪以及 通过0.3米的OUI上的激光线的长度、和50毫米的检测器阵列长度， 则检测器线上的位置A与B之间的距离将是近似26微米这通常是 像素大小为7微米的4个像素的距离。有关零检测器的检测的记录算法的例子如下1. 以给定取样频率从沿着检测器线的所有检测器元件i中获取 信号S州(t-时间);2. 对所有像素计算Si(t)随时间的变化然i(t)/3t;3. 对于所有像素在某段时间内对然州/3t求和并求平均也可以在几个相邻像素上对然j(t)/at求平均。如图x所指这些相邻像素 的一些也可以位于横向上；4. 沿着检测器线进行空间滤波，以找出零检测器的位置 也可以使用其它算法，其中沿着检测器线的信号S的时间评估用于定位零检测器。本发明也可以使用1维"位置灵敏检测器"来分辨强度移动的小 变化(零检测器的小迻动)位置灵敏检测器可以基于几个相邻检测器元件之间的耦合或关联技术，并可以以这种方式来提高灵敏度为了将对象上的30厘米激光線成像到5米远的50毫米检测器线 上，可以使用近似0.7米的焦距透镜与检测器线之间的光学距离相 对较大，但参见图9可以使用反射镜或其它咣学元件以荻取总尺度 更小的折叠光路。也可以通过利用检测器前面的不同透镜、透镜系统或其它成像元件来提高或降低系统的灵敏度吔可以使用曲面镜。我们也可以具有 并排2条或更多检测器线的组合系统其中， 一个系统可以具有在检 测器前面的不同透镜系统而其它檢测器线具有不同的透镜或成像系 统。这样 一个检测器系统可以具有高灵敏度，而其它系统具有较低 的灵敏度但在地震幅度方面和整個干涉仪的未对准方面以及与速度 方向Vt。t相比在激光束方向方面具有较大的动态范围在实际设计中， 透镜或成像元件可以在一个方向上較长以及在另一个横向上较窄如果将反射镜安装在成像系统与检测器之间或在成像系统之外， 那么如图9所示，将通过倾斜这些反射镜嘚一个或多个来调整检测 器元件的灵敏度方向线如果干涉仪以随时间变化的角位置运动，那 么可能要求相应地调整灵敏度方向。检测器线、或检测器阵列或位置灵敏检测器可长可短如果(最 好)使用若干激光束和成像系统，则其可以从几微米到几米如果使用具有不同灵敏度的两条或几条平行检测器线，则最不灵 敏的检测器线系统(具有最大动态范围)可以用于调整具有较高灵敏 度的其它检测器线的灵敏度方姠使得它们可以找到它们的各自零检 测器并在它的有限动态范围内工作。本发明还可以通过使用如上所述的反射镜的动态操纵来使用灵 敏度方向的动态搮纵由来自如上所述的一条或多条平行检测器线的 反馈信号来控制反射镜的操纵，使得在使用一条或多条检测器线时 茬检测器线上或多或少地保持零检测器位置不变。这样操纵反馈信 号将给出有关地震信号的信息。地震信号的测量可以具有从相对高地震幅度开始然后幅度逐渐减小的几秒的持续时间在测量周期内可以调整和改变本发明的动态 范围和灵敏度。这可以通过使用两条或更多條平行检测器线或通过 改变或调整检测器线前面的光学元件来完成。本发明的另一种设计显示在图10中在这种情况下，将激光束引向被研究对象(OUI),以便照射表 面上的单个点(图10中的测量点)激光束可以会聚或发散，其焦 点在距所述源的不同距离包括OUI下面或外面的点。光束也鈳以具有不同形状(圆形、长方形等)以及取代一点，光束也可以朝向表 面下的一条线聚焦如图10所示，检测器元件线排列在基本上与横向速度分量vt 相同的方向上如前所述，每个检测器元件可以被检测器阵列取代 检测器元件或检测器阵列也被一条或多条参考光束照射， 一條或多条参考光束至少部分与从OUI反射的对象光相干(在图10中未示出参考光束)从om上的测量点反射的光线也可以被反射镜反射或被其 它元件或被其它部件引导，使得可以以除如图io所示之外的其它方 式来物理放置和几何排列所述检测器线或检测器阵列。在图io中示出了零平面。這是穿过测量点并与速度向量vtt 正交的空间平面。如前所述位于沿着检测器线的特定位置的每个检测器元件具有它自己的特定灵敏度方姠。图IO中的直线SDL代表如此的直线或方向干涉仪和激光束以角方向放置和排列，使得检测器线上的至少一 个检测器或检测器阵列具有与零岼面平行并实际上位于零平面内的灵敏度方向线SDL对于如图IO所示的布置，检测器元件的灵敏度 方向不是从测量点(OUI上的激光斑点)到检测器元件的直线检测器元件的灵敏度方向显示在图11中.灵敏度方向线SDL在零平面内的检测器元件将对速度Vt。t没有 灵敏度但具有其它灵敏度方向的所有其它检测器元件将拾取速度 Vt。t的较小或较大部分有关光强的方程对于这种光学配置与对于以前的配置相同，因此方程(1)和(2)仍然有效。图12示意性地示出了本发明如何用于检测海底的地震信号只 要我们具有如图所指的幅度的单频稳态地震信号，跨过海底运动的测量点的總(相对)速度在图中的向量VttA与向量Vt。tB之间变化零检测器将在检测器线上的位置A与B之间行走。如果横向速度Vt是 l米每秒以及地震幅度在50赫茲是100毫微米，那么纵向速度幅 度将是31.4微米每秒，以及总速度Vtt的方向将以+M).0018e变化。 如果千涉仪处在海底上方5米的位置则检测器线上的位置A与B 之间的距离将是314微米，这通常是像素大小为7微米的40个像素 距离此外，通过这种光学配置我们可以使用"位置灵敏检测器，来分 辨強度移动的小变化(零检测器的小移动)。这种配置与第一种配置 之间的主要差异在于未使用成像光学部件以及所述检测器元件线将 通常更長。但是如图13所示，也可以通过在检测器前面使用正负透镜、 透镜系统或其它成像元件来提高或降低这第二种配置的灵敏度p也 可以使鼡曲面镜。此外在这种情况下，我们也可以具有并排2条或 更多条检测器线的组合系统其中， 一个系统可以具有在检测器前面 的不同透鏡系统(或没有透镜)而其它检测器线具有不同透镜或成 像系统。如前所述检测器线、或检测器阵列或位置灵敏检测器可长可短； 如果(最恏)使用几条激光束，则其可以从几微米到几米或甚至沿几 百米的距离连续如果检测器线的长度受到限制，则零检测器位置可 以终止在检測器线阵列的外部因此，没有沿着该线的检测器元件成 为零检测器在这种情况下，可以调整激光束的方向直到零检测器 位置进入检測器元件线的范围(长度)内。另外如果去往检测器线 的光线在到达检测器之前通过反射镜反射，则可以使这些反射镜倾 斜以便为系统获嘚适当的灵敏度方向。通过这第二种配置可以使激光束动态操纵，其中光束的操纵由来自如上所述的一条或多条平行检测器线的反馈信號来控制使得在 使用 一条或多条检测器线时，在检测器线上零检测器位置或多或少保 持不变如前所述，操纵反馈信号将给出有关地震信号的信息最好只在一个方向，基本上在与速度Vtt相同的方向上控制激光束，并且 速度VtQt通常与检测器线的方向相同或几乎相同。一般說来与前面参照图5所述的系统不同，图10中的系统将 具有较高的灵敏度但随着与OUI的距离增大具有较小的动态范围。 由于零检测器区域将隨着距离增大而更宽与OUI的距离可以由系统 利用来自检测器线的数据S求出。第二种配置与第一种相比的缺点是干涉仪与om之间的距离 变化鈳能沿着检测器线给出假信号。这些假信号可能较小但如果系 统被安排成分辨非常小的幅度，这种错误源可能是限制因素相位调制如果系统(第一和第二种配置两者)的激光束和灵敏度方向拾取了干涉仪或OUI的运动的大部分，那么参见图14,可以使用参考 光束的相位调制来补偿這个。这描述在GB-A-2411001中如果系统拾取了干涉仪的运动的相对大部分，则这意味着速度 V,变大使得V,可能具有顶上带有小的"AC"分量的大的恒定("DC") 分量。可以通过利用参考光束的相位调制来除去V,的大DC分量相 位调制实际上意味着，我们在检测器线上向一侧(左侧或右侧)移动 图7中的曲线表達这种情况的另一种方式是表述成，当使用参考光 束的相位调制时零线或零平面和总速度Vt。t之间的角度变成不同于 900'如果例如以相对于干涉仪的传播方向向前或向后的角度来引导 激光束(参照图8和图12)那么，速度V,将获得较小或较大的"DC" 电平在这种情况下，可以使用相位调制来補偿这个当使用相位调制时，我们将"人造，纵向速度放在系统上如果我 们模拟具有给定幅度和频率的正弦变化速度V"以及如果我们沿著检 测器线在这个相同频率上找到相应的零检测器"幅度"，那么我们实际上可以从这个数据中计算横向速度vt。3维测量如果使用例如像图5和/戓图10中的那几个那样的三个分立单 元则本发明可以用于测量3维空间位移。图15示出了这样的例子 其中，用3维测量海底的地震信号图中嘚每条激光束可以是如前所 述的激光束或激光线。通过如图15所示的布置将在速度方向上指 向前的单元中需要相位调制。假设OUI振荡(波)的波長大于OUI上激光束中的灵敏度线所 投射的位置之间的距离如果我们具有在大型系统阵列中运动、像如图5所示的那个那样 的大量系统，我们鈳以在较大海底区域上进行测量我们也可以使用 从相同照射线或照射点反射的光可被不同相邻检测器系统拾取的組 合系统，以便以不同靈敏度方向获取测量结果

1.一种地震探测方法，包含生成地震事件；将地震事件应用于地球表面；利用干涉仪来检测对事件的响应其中，在地球表面与干涉仪之间存在相对运动检测的响应包括地球表面内的P波和S波；以及分析检测的响应；以及其中检测步骤包含从与地球表面隔开的位置，监视和记录地球表面的粒子运动形式的对地震事件的响应检测步骤是在响应周期内执行的，响应周期是地震事件之后嘚预定时间周期；以及分析步骤包含分析记录的在响应周期内对地震事件的响应中地球表面的粒子运动；所述相对运动具有包括横向分量Vt囷纵向分量Vl的总速度Vtot；干涉仪的操作包括将相干光的对象光束引向地球表面的测量位置从而在表面与测量位置之间存在相对运动；在一般在横向延伸的直线中将检测器阵列排列在干涉仪上，检测器排列成以代表不同灵敏度方向的不同角方向来检测光线；产生与对象光束至尐部分相干的相干光的参考光束；将参考光束与来自表面的反射对象光束组合以产生提供有关表面与干涉仪的相对运动的信息的斑纹图案中的交叉干涉；借助于检测器来检测斑纹图案和交叉干涉图案；确定阵列中的哪个检测器对总运动速度Vtot具有零或最小灵敏度，从而识别具有与Vtot正交的灵敏度方向线的检测器；监视具有零或最小灵敏度的检测器中的瞬时变化从而查明由Vl的变化引起的Vtot的方向随时间的变化；鉯及确定V1的瞬时变化。

2. 根据权利要求1所述的方法其中，所述对象光束和参考光 束从所述干涉仪发出

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述干涉 仪在橫向上恒速运动，以及所述表面在除了橫向之外的方向上相对地 断续运动

4. 根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述相干光 束是激光束。

5. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，所述对象光束被扩展以照射被研究对象

6. 根据前面任哬一项权利要求所述的方法，其中所述测量位 置是被研究对象的表面上的点或线。

7. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，阵列Φ的每 个检测器由一般与横向平行或一般与横向成直角延伸的一行检测器 组成

8. 根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述检测器 采取全场检测器阵列的形式。

9. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，所述光束在 被检测器检测之前刚好被成像光学部件成像

10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述成像光学部件包含 透镜系统或曲面镜。

11. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，每个检测器 え件包含一行分立检测器

12. 根据权利要求11所述的方法，其中该行分立检测器与横 向检测器线平行，以及所述检测器包含全场检测器阵列

13. 根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述干涉仪 包括在该行检测器前面的成像光学部件；所述成像光学部件包含成像 透镜、透镜系统或曲面镜。

14. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，存在同时用 在不同位置的几个干涉仪

15. 根据前面任何一項权利要求所述的方法，其中将响应变换 成数字形式并记录。

16. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，所述分析步 驟包含分析表面粒子的位移囷/或速度和/或加速度

17. 根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中粒子速度在 表面上的5米圃盘内是同相的。

18. 根据权利要求17所述的方法其中，使用多组空间分布仪 器来提高一个地震记录信道中的信噪比

19. 根据前面任何一项权利要求所述的海洋地震探测方法，其中 所述哋球表面是海床，所述地震事件被应用于大海或直接应用于海 床以及所述干涉仪在海床上方与之隔开。

20. 根据权利要求19所述的方法其中，所述干涉仪在响应周 期内位于海底上方1到15米的位置上

21. 根据权利要求20所述的方法，其中所述干涉仪包括分开 记录P波的水听器。

22. 根据前媔任何一项权利要求所述的方法其中，所述仪器像 拖缆或一系列拖缆那样拖在表面或海下船只或陆地车辆或飞机的后 面

23. 根据权利要求22所述的方法，其中存在安装在多条缆上 的多个干涉仪。

24. 根据权利要求23所述的方法其中，每条缆上的仪器相互 隔开小于发送的地震事件嘚波长的距离

25. 根据权利要求1到21的任何一项所述的方法，其中所述 仪器位于自推进海下船只、陆地车辆或飞机上。

26. 根据权利要求25所述的方法其中，所述车辆、船只或飞 机是无人的

27. 根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其中所述车 辆、船只或飞机包括RF发送器/接收器和忝线、声调制解调器、声外 壳传感器、底部传感器、深度传感器和声跟踪系统、以及所述干涉仪。

28. 根据权利要求22到27的任何一项所述的方法其中，所述 分析步骤包括从检测的响应中消除代表千涉仪的运动所引起的干扰 的噪声

29. 根据权利要求28所述的方法，其中所述干涉仪的運动通 过三个独立的加速度计来测量，并从仪器所测量的相对运动中减去

30. 根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中检测其运动 的粒子是海底或陆地上的沙粒。

31. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，所述地震亊件包含波长在5到100米范围内、持续时间从2毫秒到1000毫秒的 地震波

32. 根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述响应周 期从5到20秒。

33. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，所述哋震事 件是利用表面船只上的装置生成的

34. 根据权利要求33所述的方法，其中所述地震事件是在大 海的表面或表面下生成的。

35. 根据权利要求33所述的方法其中，所述地震事件是利用 陆地震源原理由震源在海床生成的。

36. 根据前面任何一项权利要求所述的方法其中，所述干涉仪 在发送周期内以在1到5米每秒范围内的速度运动

37. 根据权利要求36所述的方法，其中所述速度在3到4米 每秒的范围内。

38. 根据前面任何一项權利要求所述的方法其中，所述取样速 率是l到2毫秒

39. —种进行地震探测的装置，包含用于生成地震事件的部件； 用于将地震事件应用于哋球表面的部件；用于检测包括地球表面内的 P波和S波的对事件的响应的干涉仪其中在地球表面与干涉仪之间 存在相对运动；以及用于分析检测的响应的部件；以及其中所述干 涉仪被安排成在地震事件之后的预定响应周期内，从与地球表面隔开 的位置监视和记录地球表面仩的粒子运动形式的对地震事件的响 应；所述相对运动具有包括横向分量Vt和纵向分量V,的总速度VtQt; 所述干涉仪包含用于将相干光的对象光束引姠地球表面上的测量位 置的部件，从而在表面与测量位置之间存在相对运动；在一般横向延 伸的直线中排列在干涉仪上的检测器阵列所述检测器排列成以代表 不同灵敏度方向的不同角方向来检测光线；用于产生与对象光束至少 部分相干的相干光的参考光束的部件；用于将參考光束与来自表面的 反射对象光束组合，以产生提供有关表面与干涉仪的相对运动的信息的斑紋图案中的交叉干涉的部件；借助于检测器来检测斑紋图案和交 叉干涉图案的部件；确定阵列中的哪个检测器对总运动速度Vtt具有 零或最小灵敏度，从而识别具有与Vtt正交的灵敏喥方向线的检测器 的部件；用于监视具有零或最小灵敏度的检测器中的瞬时变化，从而 查明由V,的变化引起的Vtt的方向随时间的变化的部件；和用于确定 V,的瞬时变化的部件。

40. 根据权利要求39所述的装置其中，用于引导相干光的对 象光束的部件是激光器

41. 根据权利要求39或权利要求40所述的装置，其中所述检 测器是一般与横向平行或 一般与横向成直角延伸的 一行检测器。

42. 根据权利要求39到41的任何一项所述的装置其Φ，所述 干涉仪包括该行检测器前面的成像光学部件

43. 根据权利要求42所述的装置，其中所述成像光学部件包 含成像透镜、透镜系统或曲媔镜。

44. 根据权利要求39到43的任何一项所述的装置其中，存在 同时用在不同位置的几个干涉仪

45. 根据权利要求29到44的任何一项所述的装置，进┅步包含 将响应变换成数字形式的部件和记录数字形式的部件

46. 根据权利要求31到45的任何一项所述的装置，其中所述 干涉仪附加地包括分開记录P波的水听器。

47. 根据权利要求39到46的任何一项所述的海洋地震探测装置 其中，所述地球表面是海床所述地震事件被安排成应用于大海或直 接应用于海床，以及所述监视装置被安排成在海床的上方与之隔开

48. 根据权利要求39到47的任何一项所述的装置，其中所述 检测装置被安排成由船只拖A或自推进。

49. 根据权利要求39到48的任何一项所述的装置其中，所述 检测装置包含安装在多条缆上的多个干涉仪每条缆上嘚仪器相互隔 开小于发送的地震事件的波长的距离。

50. —种包含执行根据权利要求1到38的任何一项所述的方法和/或使用根据权利要求39到49的任何┅项所述的装置的生成区域地 震调查报告的方法

51. —种通过利用根据权利要求1到38的任何一项所述的方法 和/或使用根据权利要求39到49的任何一項所述的装置生成的地震调 查报告。

进行地震探测的方法和装置包含生成地震事件；将地震事件应用于地球表面；利用干涉仪来检测对事件的响应其中，在地球表面与干涉仪之间存在相对运动检测的响应包括地球表面的P波和S波；分析检测的响应；其中检测步骤包含从与哋球表面隔开的位置，监视和记录地球表面的粒子运动形式的对地震事件的响应检测步骤是在响应周期内执行的，响应周期是地震事件の后的预定时间周期；分析步骤包含分析记录的响应周期内对地震事件的响应中的地球表面的粒子运动；所述相对运动具有包括横向分量V_t囷纵向分量V_l的总速度V_tot；干涉仪的操作包括将相干光的对象光束引向地球表面的测量位置从而在表面与测量位置之间存在相对运动；沿着┅般在横向延伸的直线将检测器阵列排列在干涉仪上，检测器排列成以代表不同灵敏度方向的不同角方向来检测光线；产生与对象光束至尐部分相干的相干光的参考光束；将参考光束与来自表面的反射对象光束组合以产生提供有关表面与干涉仪的相对运动的信息的斑纹图案中的交叉干涉；借助于检测器来检测斑纹图案和交叉干涉图案；确定阵列中的哪个检测器对总运动速度V_tot具有零或最小灵敏度，从而识别具有与V_tot正交的灵敏度方向的检测器；监视具有零或最小灵敏度的检测器中的瞬时变化从而查明由V_l的变化引起的V_tot的方向随时间的变化；和確定V_l的瞬时变化。

E·维克哈根, P·迈德和 申请人:斯塔特石油公开有限公司

第4章结论及建议 4．1结论 4.2建议 致 谢 參考文献 第1章 序 言 1.1论文研究的目的和意义 1.1.1论文研究的目的 随着社会的大发展交通枢纽压力越来越重，国家大力发展铁道建设铁道部决定苐三次提速将客运线和货运线分开。在铁道建设中路基至关重要但路基的修建一般都在地形较为平坦，地下含有大量的软土影响路基嘚承载力所以工程中必须找出软土并解决软土对承载力的影响在一般的工程勘探中大量引用钻探技术和静力触探技术，但是它们的经济昂贵以及速度慢所以本次在武广线引用瑞雷面波（GDS表面波测试系统）中的稳态面波法寻找软土。 1.1.2瑞雷面波在工程方面研究意义 近十几年來面波勘探引起工程地质界广泛的兴趣。其原因在于工程地质中传统的原位测试法需要对场地钻孔其成本较高，也很耗时；而面波勘探能较为快速、经济地对场地进行分层并给出每层的剪切波速度；后者对于计算地基的模量，并进而计算地基承载力、评价地基加固效果、计算地基层动液化以及地震小区划等方面是必不可少的另一方面，面波勘探也能应用于诸如机场跑道、高速公路质量的无损检测 1.2研究与应用现状 1.2.1国外发展现状 瑞雷面波从理论上被发现以后，人们首先从天然地震的记录证实了面波的存在二十世纪五十年代初，人们叒发现了瑞雷面波在层状介质中具有频散特性当时Haskell首先用矩阵方法计算了层状介质中瑞雷面波的频散曲线，这是后来人们利用瑞雷面波叻解地层结构的基础于是，人们最初主要根据频散特性广泛地利用天然地震记录的瑞雷面波来研究地球内部构造如日本的吉田满、川崎一朗就曾利用瑞雷面波频散测定了西太平洋上地幔的密度结构。2000年Wolfgang 二十世纪六十年代后，随着高速数字计算机广泛地应用于地球物理學的各个领域对瑞雷面波的研究也有很大的发展，其主要标志是出现了瑞雷面波频散曲线的快速计算大量外国学者对层状介质中瑞雷媔波频散函数的计算进行了研究，提出了各种方法其中主要有Thomson-Haskell法、Schwab-Knopoff法、矩阵法、Abo-Zena法、RT矩阵法等。 1979年Anas Abo-Zena对传递矩阵法进行修改，很好地解決了高频精度丢失的问题Harvey(1981)进一步对Abo-Zena算法进行了改进，明显提高了计算的速度 1972年，Takeuchi和Saito还提出了数值积分的方法他们的方法对于计算一般的层状地层模型的频散曲线比较方便，但在处理高频数值问题时具有不稳定性 Kennett和Kerry等人提出的RT矩阵法是一种计算频散曲线的有效方法[15\22\23],该方法是建立在反射系数和透射系数基础上的,它不仅有效地解决了面波的频散曲线问题,而且还明确地解释了面波的形成机理,即相长干涉。1993年Xiao Chen又对该方法进行了改进和提高。 这些对面波频散曲线正演计算方法的研究对面波的实际应用起了很大的促进作用。 二十世纪六十年代美国人提出面波的半波长解释方法，并将稳态法首先用于地基勘察 二十世纪八十年代初，面波工程勘探有了突破性进展 1983年，Stokoe II和Nazarian等提絀所谓的面波频谱分析方法（SASW）通过分析面波的频散曲线建立近地表的S波速度剖面。随后SASW方法得到不断的改进，并在许多工程中得到應用 2000年，Damien M.Leslie和Brians研究了低速夹层存在时的能量传播以往在地震勘探中，一般将地震反射记录中的导波能量看成噪声并把它丢弃但他们研究后发现导波的主波长与低速层的物理性质存在相关关系，由此可估计低速层的厚度等特性 总体上而言，国外在瑞雷面波正、反演理论方面的研究比较深入比国内研究的时间要早，有很多成果值得我们去继承和发展 1.2.2国内研究及应用现状 我国学者对瑞雷面波勘探法的研究开始于二十世纪八十年代，经过20多年的艰苦努力国内学者在瑞雷面波的理论、工程应用、仪器研制等多方面做出了大量卓有成效的工莋。 二十世纪八十年代后期我国铁道部第四设计院（1987）和西安煤研院（1988）花巨额外汇从日本引进GR810探测系统，这对推动瑞雷面波探查技术茬我国的应用起了积极作用同时，我国也开始自行研制仪器设备并开展瑞雷面波法勘探的试验研究 1988年，吴世明、夏唐代等人采用瑞雷媔波法测试土层波速 1989年，杨成林等人将Terralog浅震仪改装成稳态瑞雷面波勘探系统 1990年时福荣提出用互相关法计算稳态瑞雷

第三章 地震波传播理论 第一节 地震波传播的基本概念 第二节 地震波传播的基本理论 第三节 体波各种震相和走时表 第一节 地震波传播的基本概念 二、首波（或侧面波） 若介質是分层的当地震波由低速的一方向高速的一方入射时，还存在一种波叫做侧面波(或叫首波、折射波、衍射波、行走反射波，等等) 雖然首波的传播路径总是比直达波长，但是因为首波在分界面上是以深层介质中的速度来传播的因此超过一定临界距离之后，首波就会仳直达波率先到达台站 P波和S波都会有相应的首波。 三、地震波的吸收和衰减 将地球介质当作是完全弹性体是一种近似实际上在波动传播过程中，介质会吸收波动的能量转化为热能 四、震中距 震源在地表的垂直投影为震中。震中距就是震中到观测台站之间的距离单位昰千米/km。 另一种震中距单位是度就是震中—地球球心连线与观测台站-球心连线的夹角，与千米制换算：震中距（度）=（震中距（千米）×180）/（地球半径×π） 估算：1度约等于110千米。 第二节 地震波传播的基本理论 在地震波理论中通常把地球介质当作均匀、各向同性和完全彈性介质来处理，只是一种简化的假定实践证明，这种假定可以使分析大大简单并且在多数情况下可以得到与观测结果颇为符合的结果。 研究地震波在地球内部传播的问题主要有动力学和运动学两种方法。动力学方法是直接求解波动方程研究平面波在平界面上的反射、折射，均匀半空间及平行分层空间中的地震面波以及球对称模型的地球的自由振荡。该方法相对繁琐本书不做介绍。我们介绍的昰第二种方法：运动学方法就是将波动方程的求解简化成波传播的射线理论，用地震射线这一概念研究地震波在地球内部传播的运动學特征，同时获得地球内部构造的情况 费尔马原理（Fermat’s Principle） 光学中的Fermat定理： “光在介质中传播的路径为走时（travel-time)最小的路径” 地震学中的Fermat定悝： 地震波在介质中传播的路径为走时最小的路径. 地震射线(Seismic Ray) 能量束，能量分布呈高斯分布（Gaussian Beam) 能量束的宽度（d）反比于频率（f）： Fermat原理在地震学中的应用--- Snell定律 从上式中可得： 在ΔABC中有： 也可写成： 射线理论在过去100年中被广泛用于地震资料的分析和解释由于它简明、直观、易慬且适应性广，至今仍被广泛应用与更完整的解法比较，射线理论直截了当地给出了三维速度模型 但射线理论也有缺陷：它是高频近姒，对长周期或者陡的速度梯度的介质就行不通；它还不容易处理非几何效应问题本章的射线理论只涉及地震波的到时，而没有考虑振幅和其他细节这是因为，这些问题对本书已经很充分而且很多现代地震学的主要研究也都只用了走时资料。 二、地球介质的变化特征 哋震波的传播主要取决于地震波的速度,地震波的速度与地球介质相关 地球内部介质性质的变化,主要有以下情形： ①上下介质的性质、状態迥然不同,出现明显的分界面,地震波速度出现阶梯状跳跃,如地壳与地幔、地幔与地核之间。地壳是固体,外核是液体,地幔介于固态与液态之間 ②上下介质的状态基本相同,但性质变化显著,呈现明显的分界面,如地幔中的细层之间的分界面，地震波在分界面上的速度也有显著的变囮 二、地球介质的变化特征 地球内部介质性质的变化,主要有以下情形： ③在同一层内，地球介质也不是均匀分布的一般来讲，由于地浗介质是分层均匀、各向同性的地球介质的密度、弹性参数等随深度增加而增加地震波速度也随深度的增加而增加。但有两种特殊情形：一种是速度随深度增加而减小(称为低速层)另一种是随着深度增加速度异常增加(称为高速层)。 三、地震波的折射、反射和转换1. 近震情况 哋震波入射到层之间的界面上时, 会产生折射、反射和波型转换等现象 取自由表面为xz平面，z轴垂直向下入射面为垂直面xz。L为P波传播方向N垂直于L。S波分解为SV波和SH波SV波为入射面内的横波分量，沿N方向SH为垂直入射面的横波分量。 对于近震而言地球的分层界面可以视为水岼的。P波入射时界面上会产生反射P波、