斯奈尔定律为几何光学奠定了基础，并很好地解释了地震波在地球内部存在波阻抗差异的地层界面上发生反射、折射等现象的原因。但它只是揭示了地震波传播过程中的反射和折射现象，而没有说明为什么会发生这样的反射和折射，也没有说明地震波的传播路径是什么样的，因而还不能完整地描述地震波的传播机理。
设想有一个地震波从空间中某一点传播到另一点，在人的直观意识中，该地震波应该是沿着经过这两个点的直线传播的，因为常识告诉我们两点之间直线段最短。但有时候常识可能只是一种表面现象，或者说常识所认为的现象有一定的适用条件。地震波的传播就是如此。在非均质介质或各向异性
介质条件下，地震波的传播路径不能用直线传播理论进行描述，而是遵循更复杂的规律进行传播。在光学和地球物理学中，最著名的、能够对非直线传播规律进行描述的理论是费马原理。费马原理是由法国科学家皮埃尔·德·费马（PierredeFermat，1601—1665）于1662年提出的一个关于光线传播的基础理论。该理论认为光线并不总是按照最短距离路径传播，而是按最短时间路径传播，即光线总是选择那些所花费的时间最少的路径进行传播，只有在各向同性介质中才沿直线传播（此时最短距离路径和最短时间路径重合）。与光的传播类似，费马原理同样也适用于地震波的传播，地震波沿射线传播的时间与沿其他路径传播的时间相比为最小，就像人类在走路时总是期望“抄近路”的方式节省时间或能量，或在进行某种经济活动时期望以“投机取巧”的方式获得最大的收益一样。
费马原理是物理学中最小作用原理在波动理论中的一种体现，解释了光波在均匀介质中沿直线传播，而在非均匀介质中沿曲线传播的原因。虽然费马原理似乎“暗示”了光波“知道”它应该走哪一条路径，但从空间中的某一点传播到另一点的时候，实际上每条路径都会去尝试，只不过在不满足费马原理的那些路径上的光波能量因干涉作用而消失了，只有满足费马原理的那条路径上的光波未受到影响而最终“生存”了下来。基于这一认识，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（ChristiaanHuygens，1629—1695）在前人研究的基础上于1678年提出了惠更斯原理。该原理可表述为：当光波遇到障碍物时会发生衍射，即在已知波前面（等时面）上的每一个点都可视为独立的、新的子波源；每个子波源都会产生新的子波，这些子波以一定的速度向各个方向传播，在某一时刻，所有子波的包络面被称为波前面。惠更斯原理给出了光波的直线传播与球面传播的定性解释，但并未解释为什么当光波遇到介质的边缘、孔径或狭缝时会偏离直线传播这一现象。
1818年，法国物理学家奥古斯丁·菲涅尔（Augustin－JeanFresnel，1788—1827）在惠更斯原理的基础上进一步提出了描述光波相位和振幅的定量表示式，并认为衍射现象是所有子波彼此相互干涉的结果。鉴于惠更斯和菲涅尔完美地解释了波的传播现象，后人将二者的理论统称为惠更斯－菲涅尔原理。
费马原理和惠更斯—菲涅尔原理虽然是以光波传播现象为研究对象提出的，但它们同样适用于作为波的大家族中一员的地震波，这为利用地震波进行地质调查和矿产资源勘探提供了理论基础。根据费马原理和惠更斯—菲涅尔原理，地震波在地球内部存在波阻抗差异的地层分界面或地质异常体边界上会发生反射、折射和衍射等现象，并在传播过程中遵循最小时间路径原理，形成了地震波在均匀介质中沿直线传播而在非均匀介质中沿非直线传播的现象。