工程地震勘探的地質基礎

本節(jié)內(nèi)容簡介§1.1.3工程地震勘探的地質基礎一、地震波的速度二、影響地震波速的因素1）巖石介質的密度2）巖石介質的孔隙度3）地層埋藏和地質年代4）巖性與彈性常數(shù)三、地震勘探的地震地質條件：一）淺層地震地質條件1）表層地震地質條件

2）疏松層（覆蓋層）3）潛水面和含水層：4）淺層地質剖面的均勻性：5)地震界面與地質界面的差異：二）深層地震地質條件1）“地震標志層”的確定：2）地震層位和地質層位一致：3）具有良好的地震波阻關系：4）具有明顯的地震相特征：5）速度剖面的均勻性：

§1.1.3工程地震勘探的地質基礎一般來說地震勘探的地質效果會受到兩方面條件的限制：一、是儀器震源等技術條件。二是巖土介質的巖性、物性、成分和結構以及所處環(huán)境構造、地表復雜條件的不同，這兩個方面都會使地震波的運動學和動力學特征發(fā)生變化。在自然界中，不同類型的巖石往往具有不同的物質成分，不同的結構差異，而且即使同一類型的巖石由于存在環(huán)境的不同也會呈現(xiàn)出不同的彈性特征，這些都會引起地震波傳播條件的變化。在不同的地區(qū)，由于所處環(huán)境的地層、巖性、地表構造及地表條件的不同，也會對地震勘探的效果產(chǎn)生不同的影響。例如，當?shù)乇頌樯衬蚯鹆晟降?，并且地下巖層構造又比較復雜時，則不僅測線長，施工困難，而且資料的處理和解釋也會遇到很大的難度。定義：工程勘察中，地層的巖性、地質構造及地表條件等因素對地震勘探的影響問題，就是地震勘察的地震地質基礎問題。一、地震波的速度我們前面已經(jīng)學過，縱、橫波的傳播速度，與巖石土層介質的彈性模量和密度密切相關。速度V與彈性模量和介質密度ρ有下列關系式：當σ=0.25時

地震波在巖石中傳播，其波速值的變化能夠反應巖性的彈性和彈性模量的變化，波速是表征巖層彈性性質的重要參數(shù)，不同巖性、不同時代的地層可以有不同的速度值和變化范圍。因此，速度參數(shù)是把地震地質模型和物理模型聯(lián)系在一起的一種重要工具。從上面的關系式中可以看出縱波速度Vp>Vs橫波速度，當σ=0.25時，比值等于1.7321。若已知介質的彈性模量及密度，就可以求取縱橫波速度Vp、Vs值，反之若已知縱、橫波的速度，也可以求出介質的彈性模量。因為巖石土層的物理性質又和介質的彈性模量相關，因此可以通過研究Vp、Vs變化的信息，提取巖性變化的各種物理參數(shù)。實際上，組成地層的介質——巖、土層并非由完全各向同性和均勻的介質組成。巖石和土壤組成的在沉積巖地區(qū)的地層，往往會出現(xiàn)薄層或夾層，另外由于巖石沉積環(huán)境和沉積年代的變化，即使是同樣的巖性，也會使介質巖石的密度和孔隙及孔隙中的充填物等等的變化，在很多方面都會有很多的變化，這就導致某一類巖石的波速度值，可以在某一較大范圍內(nèi)變化。也可能產(chǎn)生不同類型的巖石的波速度值，可以在一定范圍內(nèi)重疊。如圖表給出了一些基本常見的各種不同類型的巖石的Vp、Vs值的變化范圍。另一表也給出了同一種巖石(片巖，灰?guī)r和砂巖)在不同年代波速度的變化情況?，F(xiàn)在給出四種最典型巖類的Vp變化范圍：

沉積巖1.6~6.0Km/S花崗巖4.5~6.5Km/S玄武巖4.5~8.0Km/s變質巖3.5~6.5Km/s二、影響地震波速的因素1）巖石介質的密度一般情況下，巖石越致密，波速值越高，沉積巖的巖石密度與速度V的關系滿足下式：顯然公式對于淺層的工程地震勘察中遇到的巖土介質來說是不太適應的。圖1.1.41和表1.1.1給出了不同性質、不同時代的松散巖土介質對應的參數(shù)相差較大，故地表淺層介質的密度變化較大，從而使地震波的速度變化率也較大。值得注意的是在波速公式中：縱、橫的的速度在在表面上上又與巖巖石介質質的密度度成反比比，這似似乎有些些矛盾，，其實不不然。在在巖石巖巖石介質質的密度度的關系系式中，，速度與與密度成成正比，，但是巖巖石的密密度的增增加的數(shù)數(shù)量級是是很有限限的。以以砂巖為為例。各各種砂巖巖有的密密度變化化范圍從從表1.45中中可以看看出僅從從2.15~2.70g/cm3，波速的的變化范范圍可以以從2100~4500m/s。顯然是是不協(xié)調調的。波波速變化化的主要要原因是是：巖石石介質密密度的變變化會引引起介質質彈性模模量的變變化，仍仍然以砂砂巖為例例，密度度ρ的變化范范圍僅有有0.55是很小，，但是λ、μ單位是千千帕，拉拉梅系數(shù)數(shù)λ和剪切模模量μ是1.8××1010千帕，而這種變變化遠比比密度直直接變化化的數(shù)量級級大很多多。地球物理理基礎的的定義：：介質彈性性性質的的變化是是波速變變化的主主要因素素，這也是地地震勘探探最重要要的地球球物理基基礎。2）巖石石介質的的孔隙度度巖石從結結構的角角度來說說可以認認為是由由兩部分分組成的的，一部部分是礦礦物顆粒粒，稱為為巖石的的骨架，，另一部部分就是是由各種種氣體或或液體充充填的孔孔隙，因因此可以以人為巖巖石是雙雙相介質質，地震震波的傳傳播，就就在這種種雙相介介質中傳傳播。1956年澳大大利亞人人威利（（Wylie））等人一一個簡便便計算速速度與孔孔隙度之之間的關關系式，，簡稱時時間平均均方程：：式中中：：φ為孔孔隙隙度度；；V為為巖巖石石的的速速度度；；Vm為為巖巖石石骨骨架架的的速速度度；；Vl為孔孔隙隙中中充充填填介介質質的的速速度度。。根據(jù)據(jù)該該公公式式，，作作出出了了某某些些巖巖石石的的速速度度——密密度度變變化化的的理理論論曲曲線線，，圖圖1.1.42就就是是示示意意圖圖。。研研究究表表明明，，當當孔孔隙隙度度由由3%提提高高到到30%時時，，速速度度變變化化可可達達90%，，這這說說明明孔孔隙隙度度的的變變化化也也是是影影響響速速度度變變化化的的重重要要因因素素。。很很顯顯然然，，孔孔隙隙度度的的變變化化意意味味著著密密度度的的變變化化，，孔孔隙隙度度變變大大，，密密度度相相對對減減小小。?？煽梢娨?，，速速度度的的變變化化，，實實際際上上是是隨隨巖巖石石密密度度的的增增大大而而增增大大。。松散散的的沙沙丘丘，，縱縱波波速速度度υυp只只有有1000m/s，，若若進進行行夯夯實實處處理理后后，，υυp可可達達3500m/s~4500m/s。。沙沙粒粒間間的的空空氣氣的的υυp僅僅為為300m/s左左右右，，如如果果孔孔隙隙中中充充填填水水，，因因為為水水的的υυp≈1500m/s，，隨隨著著孔孔隙隙水水的的增增加加，，速速度度將將有有所所增增加加。?？湛障断度羧粽嬲婵湛談t則υυp可可以以高高達達5200m/s。。當當砂砂巖巖中中充充填填空空氣氣的的孔孔隙隙度度達達到到10%時時，，速速度度可可以以降降低低到到2500m/s，，孔孔隙隙度度達達到到20%時時，，速速度度變變?yōu)闉?600m/s。。在在調調查查地地下下水水的的工工程程地地震震勘勘查查中中，，如如果果未未固固結結沙沙層層中中υυp<1500m/s，，則則該該地地層層就就被被認認為為沒沒有有孔孔隙隙水水。。3））地地層層埋埋藏藏和和地地質質年年代代一般般情情況況下下巖巖石石埋埋藏藏得得越越深深，，反反映映它它的的地地質質年年代代越越老老，，承承受受上上覆覆地地層層壓壓力力的的時時間間越越長長、、壓壓強強越越大大，，這這就就是是所所謂謂的的壓壓實實作作用用。。因因此此同同樣樣巖巖性性的的巖巖石石，，埋埋藏藏深深、、時時代代老老的的要要比比埋埋藏藏淺淺、、時時代代新新的的巖巖石石波波的的傳傳播播速速度度更更大大。。圖1.1.44給給出出了了V0=1400m/s，，不不同同巖巖石石孔孔隙隙度度、、速速度度和和深深度度變變化化的的曲曲線線。。圖圖中中可可以以看看出出，，當當埋埋藏藏深深度度超超過過700米米以以后后，，地地震震波波的的傳傳播播速速度度隨隨深深度度大大致致呈呈線線性性增增加加。。h/km孔隙隙度度Φ=0.50.40.30.20.14））巖巖性性與與彈彈性性常常數(shù)數(shù)地震震波波走走不不同同巖巖性性的的地地層層中中傳傳播播，，無無論論縱縱波波或或橫橫波波，，它它們們在在地地層層中中的的傳傳播播速速度度值值可可以以歸歸結結為為巖巖層層介介質質的的兩兩類類參參數(shù)數(shù)的的貢貢獻獻，，即即巖巖土土彈彈性性參參數(shù)數(shù)和和密密度度。。即即式中中：：λλ、、μμ為為拉拉梅梅系系數(shù)數(shù)和和剪剪切切模模量量；；ρρ為為介介質質密密度度。。還還可可以以換換成成其其它它的的彈彈性性模模量量來來表表示示，，見見表表1.1.3。。由由表表中中可可知知，，當當已已知知彈彈性性模模量量和和密密度度時時，，可可以以求求取取縱縱橫橫波波的的速速度度值值，，反反之之，，由由縱縱橫橫波波的的速速度度值值也也可可以以計計算算出出彈彈性性模模量量。。的，，當當密密度度增增大大時時孔孔隙隙度度減減小小，，彈彈性性模模量量的的增增大大的的數(shù)數(shù)量量級級遠遠遠遠大大于于密密度度的的增增大大，，因因此此，，速速度度仍仍然然是是增增加加的的。。第第二二點點是是實實際際上上巖巖土土介介質質是是一一種種粘粘彈彈性性介介質質，，這這類類介介質質的的速速度度變變化化除除了了與與彈彈性性常常數(shù)數(shù)有有關關外外，，還還與與介介質質的的粘滯滯系系數(shù)數(shù)和和波波的的頻頻率率有有關關，上上述述的的表表達達式式僅僅是是一一種種近近似似的的關關系系。。巖巖性性的的不不同同，，各各類類巖巖石石介介質質的的速速度度分分布布也也不不同同，，然而而同同樣樣巖巖性性的的介介質質，由由于于其其密密度度、、孔孔隙隙度度及及充充填填物物的的不不同同，，也也會會導導致致速速度度的的不不同同。。因因此此，，不不同同巖巖性性介介質質的的速速度度值值會會在在一一定定范范圍圍內(nèi)內(nèi)重重疊疊，，如如圖圖1.1.45所所示示。。表1.1.4給給出出了了不不同同巖巖土土介介質質的的縱縱橫橫波波速速度度和和泊泊松松比比，，由由表表可可見見，，當當泊泊松松比比增增大大時時，，縱縱橫橫波波速速度度速速度度會會降降低低，，介介質質表表現(xiàn)現(xiàn)的的更更疏疏松松。。對對于于淺淺層層巖巖土土介介質質的的性性質質與與速速度度之之間間的的關關系系的的更更直直接接的的描描述述，，可可以以看看表表1.1.5。。由表表1.1.3可可知知，，已已知知巖巖土土介介質質的的縱縱橫橫波波的的速速度度和和密密度度，，也也、、我我們們可可以以求求得得完完全全彈彈性性介介質質概概念念下下的的五五個個彈彈性性模模量量。。其其巖巖性性的的變變化化，，參參見見1.1.6表表。。由由表表可可知知，，介介質質越越致致密密，，泊泊松松比比越越小小，，切切變變模模量量變變大大，，波波速速值值越越高高。。二、、工工程程地地震震勘勘探探的的地地震震地地質質條條件件：：工程程物物探探的的最最終終目目的的是是要要有有效效的的解解決決工工程程地地質質問問題題，，在在一一個個工工區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)能能否否使使用用地地震震勘勘探探解解決決工工程程地地質質的的問問題題，，很很大大程程度度上上取取決決于于該該地地區(qū)區(qū)的的地地震震地地質質條條件件。。地地震震現(xiàn)現(xiàn)場場資資料料采采集集工工作作質質量量的的好好壞壞，，除除了了與與使使用用的的儀儀器器特特點點、、工工作作方方法法、、震震源源等等因因素素有有關關系系外外，，更更重重要要的的是是還還與與施施工工地地區(qū)區(qū)的的地地震震地地質質條條件件密密切切相相關關。。一一般般來來說說，，工工程程地地震震地地質質條條件件可可用用分分為為表表層層地地震震地地質質條條件件和和深深層層地地震震地地質質條條件件兩兩大大類類。。1）表層層地震地地質條件件表層地地震地質質條件工程地震震勘察的的效果，，在很大大程度上上取決于于工作地地區(qū)是否否具備工工程地震震勘察的的的可能能性，也也就是說說，工區(qū)區(qū)場地的的地震地地質條件件是否具具備地震震勘探的的背景。。在工程地地震勘察察中，這這種背景景指的是是淺部巖巖土介質質和地質質特征，，以及影影響勘察察的其它它各種因因素。2）疏松松層（覆覆蓋層））地表面的的巖石和和土壤層層，由于于長期受受到風吹吹、日曬曬、雨淋淋等強烈烈的物物理、化化學風風化作用用，結果果變得比比較疏散散。因此此地震波波在該層層的傳播播速度度比在其其下部未未經(jīng)風化化的巖層層小得多多，這類類疏散層層在工程程地震震勘察中中叫“低低速帶””。由于于這種低低速帶的的存在，，往往使使地表面面的覆覆蓋層和和地下的的基巖的的分界面面就形成成一個明明顯的速速度分界界面。分分界面下下層的基基巖波速速度值要要大于上上部覆蓋蓋表層的的波速度度，這是是一個個良好的的速度界界面(V2>V1)。淺層層折射波波法就是是利用分分界面面的這個個特征，，來尋找找工程場場地下基基巖的埋埋藏深度度h和界界面的起起伏。。這個界界面，對對淺層折折射法是是很有利利的。在在深層反反射波勘勘查尋找找油氣田田的工作作中，由由深層反反射回地地表面的的反射波波由于地地表低速速帶的存存在，致致使出射射角α產(chǎn)產(chǎn)生很大大的“偏偏移”和和走時滯滯后的現(xiàn)現(xiàn)象，往往往要進進行低速速帶的校校正工作作。地表疏松松層對地地震波能能量的高高頻成份份吸收強強烈按照照膠結摩摩擦理論論，認為為在疏松松帶中，，吸收系系數(shù)與頻頻率的平平方成正正比，即即α=B?2(B為與與介質有有關的系系數(shù)），，顯然地地震波的的頻率越越高，α越大，振振動能量量被吸收收的就越越多。由于強烈烈的吸收收作用致使反射射波高頻成分損損失較大大，主頻頻降低。。另外，，由于強強烈的吸吸收作用用，在疏疏散層內(nèi)內(nèi)很難激激發(fā)出較較強烈的的有效波波，使激激發(fā)效率率受到一一定影響響。試驗還表表明，在在疏松層層中由于于介質各各向一異異性的特特點比較較明顯，，縱波的的吸收系系數(shù)αp比橫波波的吸收收系數(shù)ααs小，，說明橫橫波比縱縱波衰竭竭的更快快。由于疏松松層（有有時又稱稱作低速速帶），，與下伏伏“基巖巖”之間間形成一一個良好好的反射射界面，，因此在在這個界界面上很很容易產(chǎn)產(chǎn)生多次次反射，，形成了了對一次次波的嚴嚴重干擾擾波，增增加了淺淺層地震震勘探的的工作難難度和資資料解釋釋的復雜雜性。必須指出出：疏松松層（或或低速帶帶）的概概念是相相對的。。我國東東部及沿沿海地區(qū)區(qū)，波在在疏松層層（或低低速帶））縱波傳傳播的速速度，據(jù)據(jù)測定大大約為400m/s~1000m/s，它它相對于于未風化化的“基基巖”縱縱波的傳傳播速度度為2000m/s~5000m/s來說說，小了了一倍以以上。在在我國西西南四川川地區(qū)，，其表層層速度較較高可達達1200m/s~1400m/s，而下下部的““基巖””波速僅僅有3500~4000m/s。而而表層速速度高達達1200m/s~1400m/s的地層層介質也也屬于低低速帶。而表層層地層縱縱波速度度小于300m/s的的地層屬屬于超低低速層。在工程地地質中，，一般習習慣使用用橫波速速度，這這是因為為剪切波波速和介介質的性性質有著著密切的的關系，，很多數(shù)數(shù)據(jù)如地地基載荷荷、巖土土地基分分類、場場地條件件劃分、、各種模模量的計計算基本本都是使使用橫波波和面波波的速度度。但是是工程地地震勘探探的很多多方法大大都使用用縱波。。3）潛水水面和含含水層：：按照水文文工程地地質含水水層形成成的地質質條件，，當疏松松層的覆覆蓋層或或風化帶帶飽含地地下水時時，地震震波速度度將會明明顯的增增加。因因此，當當潛水面面位于疏疏松的““低速帶帶”中時時，則會會形成明明顯得速速度界面面，從而而改變了了疏松帶帶的性質質。而一一般不是是疏松帶帶地層的的含水層層，由于于裂隙和和孔隙中中的含下下水對波波速的影影響，要要遠比潛潛水層小小得多。。致使真真正的低低速帶只只是地下下水面以以上的疏疏松地層層，而不不是按地地質巖性性劃分的的低速帶帶。地震震勘探中中的第一速度度界面變變成了疏疏松帶中中含不含含水的速速度分界界面。由于第第一速度度界面到到潛水下下伏隔水水層之間間的飽和和水地段段是潛水水含水層層，因此此，使用用地震勘勘探了解解地下水水的分布布是可行行的。因因此地震震勘探中中的“低低速帶””同地質質上的風風化帶并并不完全全一致。。實踐證明明，在有有潛水的的場地工工作時，，在潛水水面以下下激發(fā)，，所產(chǎn)生生的地震震波頻率率成分比比較豐富富，具具有較寬寬的頻帶帶，炸藥藥的使用用效率高高，容易易得到較較好的效效果。因因此潛水水面距離離地面越越近也是是有利于于地震激激發(fā)的有有利條件件。實踐證明明，在有有潛水的的場地工工作時，，在潛水水面以下下激發(fā)，，所產(chǎn)生生的地震震波頻率率成分比比較豐富富，具具有較寬寬的頻帶帶，炸藥藥的使用用效率高高，容易易得到較較好的效效果。因因此潛水水面距離離地面越越近也是是有利于于地震激激發(fā)的有有利條件件。4）淺層層地質剖剖面的均均勻性：：對地震勘勘探的效效果是有有直接的的影響。。因為不不論剖面面的縱向向還是橫橫向的不不均勻性性還是不不穩(wěn)定性性（如斷斷層、溶溶洞、尖尖滅層和和人工堆堆積物的的存在）），都將將改變地地震波的的傳播方方向和旅旅行時間間，增加加了地質質資料的的處理難難度。5)地震震界面與與地質界界面的差差異：地震界面面是指利利用地震震波的運運動學和和動力學學特點，，把波速速變化和和波阻抗抗差異較較大的原原因為依依據(jù)分出出的界面面。而地地質界面面是指巖巖性不同同或時代代不同的的地層分界面。。這兩種界界面，有有時可能能是一致致的，有有時可能能卻完全全不相同同。譬如如，前面面說的覆覆蓋層中中的第一一速度界界面，從從地震記記錄上可可以識別別這個界界面形成成的同相相軸而且且比較清清晰，可可以認定定為界面面。但是是這個界界面是一一個速度度界面而而不是地地質巖性性不同的的界面。。再譬如如有些地地層地質質年代不不同，但但是波速速差異很很小，地地震波是是很難識識別它們們的。折折射波法法在使用用中，可可能會出出現(xiàn)隱伏伏層、薄薄層、低低速層，，這些都都是地質質分界面面，但是是利用地地震勘探探的方法法有時很很難識別別它們的的存在。。沉積巖巖有時在在同一個個時代地地層形成成過程中中如果出出現(xiàn)了沉沉積環(huán)境境變化，，就可能能出現(xiàn)出出現(xiàn)較大大的垂直直方向的的巖性變變化，此此時在同同一地層層中就可可能出現(xiàn)現(xiàn)多個速速度、波波阻抗界界面，但但這些界界面不是是地質年年代界面面。凡此此種種，，一個地地層中，，也可能能出現(xiàn)不不同的波波速層，，也可能能真正的的地質界界面沒有有速度差差異而區(qū)區(qū)分不出出界面。。（二）深深層地震震地質條條件深層的地地震地質質條件與與地下地地質構造造的復雜雜程度有有關。由由于目前前地震勘勘探在石石油、天天然氣的的勘探中中主要的的任務是是研究與與含油含含氣有關關的地質質構造，，如背斜斜、穹窿窿、斷層層、間滅滅、超覆覆及角度度不整合合等等，，深層地地震地質質條件如如下：1）“地地震標志志層”的的確定：：如果在較較大的場場地進行行地震考考察，或或者地震震測線比比較長時時，為了了連接整整個測線線的剖面面地層，，需要確確定一個個全區(qū)普普遍都存存在、比比較穩(wěn)定定而且具具有一定定波阻抗抗的地質質層位為為“地震震標志層層”，來來進行識識別巖性性地層和和查明構構造形態(tài)態(tài)的變化化。如果果這個標標志層具具備速度度和地質質層一致致，該標標準層就就有地質質時代和和地層巖巖性的含含義。就就可以成成為更有有意義的的層位。。在大面面積的地地震勘探探這種標標準層更更為重要要。一一般工程程地震勘勘察中，，場地比比較小，，介質性性質不會會有較大大變化，，往往就就不太注注意這種種標志層層。所謂地震震標志層層（應該該是指反反射界面面），是是地震波波的能量量較強，，且在比比較大的的地區(qū)范范圍內(nèi)，，在地震震圖上具具有連續(xù)續(xù)、穩(wěn)定定可以追追蹤的具具有明顯顯運動學學和動力力學特征征的地震震層位。。譬如在在長江以以南的碳碳酸鹽比比較發(fā)育育的地區(qū)區(qū)，在整整個碳酸酸鹽地區(qū)區(qū)中工作作就缺乏乏良好的的標準層層。我國國東部地地區(qū)的一一些盆地地內(nèi)，構構造復雜雜、斷層層十分發(fā)發(fā)育有時時斷塊很很破碎也也很難找找到地震震標準層層。但是是在找尋尋覆蓋層層的起伏伏和厚度度時，如如果覆蓋蓋層下面面的基巖巖分布穩(wěn)穩(wěn)定和完完整時，，則可以以把這個個界面作作為地震震標志層層”。2）地震震層位和和地質層層位一致致：地震界面面一般是是指波阻阻抗界面面和速度度界面，，而地質質界面一一般是巖巖性界面面，前者者是地球球物理場場界面，，后者是是地質界界面，兩兩者通常常是一致致的，不不同的地地質層位位往往具具有不同同的巖性性，但有有時也并并非完全全一致。。例如在在一個地地質層內(nèi)內(nèi)存在上覆、下下伏物性性具有明明顯差異異的地層層，則與與之相關關的那些些反射變變化只是是某一組組地質層層為中的的某一具具體層的的變化。。同地質質層位一一致的地地震層位位對于