勘探原理第二章

1、第二章 地震勘探的地質基礎一個地區(qū)地震勘探工作效果的好壞，取決于兩個因素： 技術裝備和工作方法 地震地質條件第一節(jié) 巖土介質的一般波速特征及影響因素一、巖土介質的一般波速特征 不同巖土介質由于其彈性性質的差異而具有不同的傳播速度和波阻抗。 一般：火成巖和變質巖比沉積巖的波速大，沉積巖的波速較低而變化范圍較大。下表列出了部分常見巖土介質的波速和波阻抗。 從表可見，不同巖石或地層之間，存在著波速和波阻抗的差異，因而不同巖性的分界面，往往就是地震波的反射或折射界面，這是開展淺層地震勘探工作的基礎。 巖石速度Vp(m/s)波阻抗104g/cm2s巖石速度Vp(m/s)波阻抗104g/cm2s風化帶干砂

2、、礫石泥濕砂、礫石粘土疏松砂巖泥灰?guī)r致密砂巖10015010060050019002002000120028001500250020004700180043001.292.8143.830340156527602012040116泥質片巖灰?guī)r、白云巖硬石膏、巖鹽煤空氣石油水冰27004800200062504500650016001900310360130014001430159031004200651353518011014020350.004121514163045二、影響地震波傳播速度的地質因素 地震勘探中，影響波傳播速度的地質因素很多，除具有不同巖石成分和結構的巖性外，主要還與巖石的密

3、度、孔隙度、孔隙充填物、地質年代、埋藏深度等因素有關。 1.密度 沉積巖中波速與巖石密度相關，兩者關系為 如果巖石密度處于1.9g/cm3與2.7g/cm3之間，則V、間存在線性關系，表達式為： 由于自然界大多數巖、礦石的密度處于1.9g/cm32.7g/cm3之間，因此式(2.2)有著更重要的實用價值。圖2.1表示了不同巖石的密度與速度的關系。 2.孔隙度圖2.1 不同巖石的密度與速度的關系曲線 單相介質：只有同一巖相的介質。雙相介質：由兩種巖相組成的介質。 對于一塊巖石，從結構上來說，由二部分組成： 一部分：礦物顆粒本身，巖石骨架（基質）； 另一部分：各種氣體或液體充填的孔隙。 巖石實際上

4、是雙相介質，地震波就在這種雙相介質中傳播。 時間平均方程：計算波速和孔隙度之關系的公式 (2.3) 孔隙度，V 波速，Vm 骨架波速，VL 孔隙介質波速方程說明：波在巖層中傳播總時間 骨架時間充填物時間。 一般：波在流體中傳播速度骨架波速。因此，孔隙度大的巖石，波速減小；反之，孔隙度變小，速度增大。 圖2.2 孔隙度和速度的關系曲線 孔隙度的變化也會影響巖石密度的變化，密度和孔隙度之間成反比關系，孔隙度增大，巖石密度相對變小，反之則變大。 3.孔隙充填物 V氣V油V水 充填物不同 V不同R不同。三者之間會形成良好的波阻抗界面。 4.風化程度 風化作用使巖體礦物變異、原生結構破壞導致質點間彈性聯(lián)

5、系減弱巖體波速隨風化程度增加而減小。下表給出了長江三峽壩區(qū)結晶巖（閃長花崗巖）中不同風化帶的波速。表2.2 長江三峽壩區(qū)結晶巖中風化帶的波速 從上表可見，全、強風化帶其波速要比新鮮巖體小得多，而微風化帶與新鮮巖體幾乎波速不可分。波速因巖體受風化而減小的特征是淺層地震勘探劃分風化帶的重要依據。 風化帶全風化帶強風化帶中風化帶弱風化帶微風化帶與新鮮巖波速（km/s）0.51.51.53.02.55.04.55.55.05.855.其它因素 地質年代、埋藏深度、地壓力。 一般：年代越久，埋藏越深 上覆地層壓力時間越長，強度越大孔隙度變小，密度增大。 第二節(jié) 地震介質的劃分 在討論地震波傳播速度與深度

6、的關系時，把實際的巖層假設為均勻介質、均勻層狀介質和連續(xù)介質。這是為了方便問題的研究。 先從理想簡單的情況入手，然后再去討論實際的復雜的情況，這種由簡單到復雜、由已知到未知、由理想條件到實際條件的研究問題的方法是科學研究中經常采用的。一、均勻介質定義：波速不隨深度變化，各向同性，最理想的假設。 定義：速度隨深度成層分布，在VZ坐標中的圖象是階梯狀的。最簡單的層狀介質稱水平層狀介質。二、均勻層狀介質 定義：速度隨深度成層分布，在VZ坐標中的圖象是階梯狀的。最簡單的層狀介質稱水平層狀介質。 層狀介質模型是最常用的物理模型，因為在沉積巖地區(qū)巖層有很好的成層性，把實際地層理想化成層狀介質具有實際意義。

7、圖2.3 (a)均勻介質 (b)層狀介質 (c)連續(xù)介質三、連續(xù)介質 定義：速度隨深度的增加連續(xù)緩慢地增加，在VZ坐標中的圖象是一條平滑的曲線或斜直線。 對于連續(xù)介質的地層，通過大量的觀測數據統(tǒng)計，可近似地認為速度隨深度連續(xù)變化的規(guī)律可表示為： 式中：V0 Z=0時的速度，即地表速度； 速度增長系數；n 等于或大于1的整數。當n=1時：速度隨深度呈線性增加，線性連續(xù)介質，為一個常數當n1時：非線性連續(xù)介質。 線性連續(xù)介質數學表達式簡單，也便于問題的討論，實際工作中常把非線性簡化為線性。 第三節(jié) 地震地質條件一、淺層地震地質特點 淺層地震勘探一般都在近地表進行，地表附近的地貌和地質特征，往往會影

8、響地震波的激發(fā)、傳播和接收，因此有必要首先對淺層地震地質特點進行簡單討論。 1.覆蓋層 定義：指第四系各種不同成因類型沉積或堆積的松散地層。覆蓋層的結構比較松散，透水性較強，其中粘土層常為相對隔水層，而砂層和砂礫石層則為透水層。 覆蓋層的波速通常比基巖波速低，在覆蓋層中，地下水面以上的波速又比地下水面以下的波速低，因此，地下水面（潛水面）。通常是一個良好的速度界面。 基巖頂板一般為良好的折射界面和反射界面。土層或砂層與礫石層之間，沖積、洪積層與冰積層之間亦可能形成折射界面和反射界面。 淺層地震方法探測覆蓋層通常包括以下工作內容：覆蓋層厚度探測，覆蓋層分層和覆蓋層彈性力學參數的測定。2.基巖風化

9、帶 定義：據基巖風化程度的不同，可將風化帶分為全風化、強風化、中風化、弱風化和微風化（或未風化）五層。 各風化層間，下層的波速、密度一般都大于上層。多數情況下基巖風化層存在著34個速度或波阻抗界面。這些界面常與全風化、強風化、中風化、弱風化和微風化界面相一致或相接近。通常情況下，全風化層和其上覆蓋層在波速上差異甚小，容易造成兩者混淆。 3.隱伏構造破碎帶 定義：指覆蓋層以下的斷層破碎帶。按斷層兩盤巖性劃分，通常有以下三種情況：上、下盤為同一巖性的斷層破碎帶；上、下盤為相同巖性，但基巖面有一定高差的斷層破碎帶；上、下盤為不同巖性的斷層破碎帶。 各種構造破碎帶中大都有斷層泥、糜棱巖和破碎、充水等特

10、征，因此地震波在破碎帶中傳播時高頻成分易被吸收，且波速較低。此外，當斷層面比較光滑且其兩側巖石的波阻抗有明顯差異時，斷層面本身就是一個反射界面。 4.巖溶地質 在我國南方，尤其在沿海省份的硫酸鹽巖和碳酸鹽巖地區(qū)廣泛存在著巖溶，要在這些巖溶分布區(qū)修建大壩、橋梁、鐵路、機場等重要基礎設施，必須對巖溶的分布范圍、形狀、規(guī)模、位置及發(fā)育程度探查清楚，以便進行合理的施工設計。 巖溶的形成與發(fā)育，主要與地層巖性、地質構造和地下水的活動等因素有關。 巖溶經常形成于厚塊狀可溶性的純灰?guī)r地層，多沿巖層層面或斷層破碎帶發(fā)育成溶洞或溶蝕裂隙，地表水和地下水活動愈劇烈，水量愈大時，巖溶發(fā)育就愈強烈。 巖溶洞穴與其圍巖

11、之間，一般存在著明顯的密度、波速和波阻抗差異，因此，可用地震方法來探明巖溶地區(qū)溶洞的分布和發(fā)育情況。5.滑坡 圖2.4 滑波地貌特征示意圖 定義：在鐵路、高速公路、大型水庫等的施工或使用過程中，都可能遇到滑波這樣的災害地質現象。工程地質上依據滑坡體組成 物質的不同，一般將滑坡分為土體滑坡和巖石滑坡兩大類。 滑坡體在滑動過程中常使其巖土結構受到不同程度的破壞，產生 大小不等的裂隙，從而使滑坡體的波速降低，滑坡體的波速一般 都比滑動面以下的巖(土)體低，之間會形成明顯的速度界面。因此， 可以用淺層地震方法來探測滑坡體的分布范圍和厚度。 如圖2.4所示為滑波地貌特征示意圖。6.沉積層中的軟弱夾層 特

12、點：軟弱夾層往往具有滲透性差、波速低和密度小。因此，可用淺層地震反射方法來探測砂礫石層中所夾的土層（如淤泥、粘土層）和基巖中的泥化夾層等的位置及其厚度。由于軟弱夾層有速度倒轉現象，因此一般不適合用折射波法來探測。7.含水層和滲漏帶含水層一般可分為兩類： 一類：是第四系地層中的含水層，主要是孔隙度大、透水性強的砂層和砂礫石層，它們與透水性弱的粘土層之間會形成一個良好的波阻抗界面； 二類：基巖中的裂隙帶、巖溶發(fā)育帶、斷層破碎帶等含水層(帶)。會形成良好的速度界面和波阻抗界面。 滲漏帶：具備良好地下水活動條件的地帶，當它們與水源連通時，成為含水層(帶)。二、淺層地震地質條件淺層地震地質條件：地表附近

13、和地下淺部的地質條件。1表層地震地質條件 指地表附近的地貌和地質特點，影響地震勘探的激發(fā)、傳播和接收。包括： (1) 低速帶 定義：地表附近的巖層，由于長期遭受風化而變得比較疏松，地震波在其中的傳播速度較基巖低得多。 低速帶對高頻有很強吸收作用，使波能量變弱，因此低速帶內難激發(fā)較強的地震波。如低速帶厚度太大，則傳到深層巖石界面上的能量大大削弱，以致不能接收到返回地面的有效波，從而大大降低勘探深度。如沙漠、戈壁地區(qū)。 如果低速帶厚度變化大，或橫向上變化不均勻，會使反射波返回地表時產生時間上的滯后，從而造成時間剖面資料解釋的困難，甚至造成解釋結果的失真。因此在對地震原始資料進行處理時要進行必要的校

14、正，以消除低速帶對構造失真的影響。這種校正通常稱為低速帶校正或靜校正。 低速帶與基巖往往形成一個明顯的速度界面，是良好的折射界面，淺層折射波法就是利用這一特性來探測基巖起伏的。這也是一個很強的波阻抗界面，會產生多次反射波。(2) 潛水面 潛水面常常就是低速帶的底部，所以低速帶一般是指不含水的風化帶。表層介質中的含水率對波速影響很大，實踐證明，在水中激發(fā)時，即使振源強度不是太大，亦能激發(fā)較強的地震波，且頻譜十分豐富，因此潛水面高是工作的有利條件。由于潛水面上、下界面的波速差異明顯，因此，地震上追蹤的第一個界面往往就是潛水面。(3) 高速夾層 當地質層位中存在著高速夾層（厚層）時，它與頂、底板的巖

15、層形成很強的反射界面，使下傳的地震波遇此界面能量大部分被反射回地表，透射波能量很小，限制了地震波的穿透能力，影響對下部地層的勘探，地震勘探把此現象稱作“高速層的屏蔽”。(4) 地形、地貌和植被 測區(qū)地形平坦、地貌簡單、植被和建筑物稀少，不僅施工方便，而且人文引起的微震干擾也少，否則地形起伏、水系縱橫、植被茂盛、建筑物林立，不僅施工困難，而且影響記錄質量。2深部地震地質條件 深部地震地質條件同地下地質構造的復雜程度有關，它關系到地震勘探的可行性和解決地質問題的程度。好的深部條件一般是：(1) 地震界面質量好 存在形成反射波的波阻抗界面或形成折射波的速度分界面；界面連續(xù)，上下地層波速穩(wěn)定，界面傾角小于3040；地震界面與地質界面吻合或二者相關性好，有規(guī)律可循。(2) 具有地震標準層 地震標準層：有效波能量強、波形穩(wěn)定且在工作區(qū)能被連