勘探原理第二章

1、第二章 地震勘探的地質(zhì)基礎(chǔ)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(shù)裝備和工作方法 地震地質(zhì)條件第一節(jié) 巖土介質(zhì)的一般波速特征及影響因素一、巖土介質(zhì)的一般波速特征 不同巖土介質(zhì)由于其彈性性質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǔ)。 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(fēng)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(zhì)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(zhì)因素 地震勘探中，影響波傳播速度的地質(zhì)因素很多，除具有不同巖石成分和結(jié)構(gòu)的巖性外，主要還與巖石的密

3、度、孔隙度、孔隙充填物、地質(zhì)年代、埋藏深度等因素有關(guān)。 1.密度 沉積巖中波速與巖石密度相關(guān)，兩者關(guān)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(guān)系，表達(dá)式為： 由于自然界大多數(shù)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(guān)系。 2.孔隙度圖2.1 不同巖石的密度與速度的關(guān)系曲線 單相介質(zhì)：只有同一巖相的介質(zhì)。雙相介質(zhì)：由兩種巖相組成的介質(zhì)。 對于一塊巖石，從結(jié)構(gòu)上來說，由二部分組成： 一部分：礦物顆粒本身，巖石骨架（基質(zhì)）； 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(zhì)，地震波就在這種雙相介質(zhì)中傳播。 時間平均方程：計算波速和孔隙度之關(guān)系的公式 (2.3) 孔隙度，V 波速，Vm 骨架波速，VL 孔隙介質(zhì)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??；反之，孔隙度變小，速度增大。 圖2.2 孔隙度和速度的關(guān)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(guān)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(fēng)化程度 風(fēng)化作用使巖體礦物變異、原生結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致質(zhì)點間彈性聯(lián)

5、系減弱巖體波速隨風(fēng)化程度增加而減小。下表給出了長江三峽壩區(qū)結(jié)晶巖（閃長花崗巖）中不同風(fēng)化帶的波速。表2.2 長江三峽壩區(qū)結(jié)晶巖中風(fēng)化帶的波速 從上表可見，全、強(qiáng)風(fēng)化帶其波速要比新鮮巖體小得多，而微風(fēng)化帶與新鮮巖體幾乎波速不可分。波速因巖體受風(fēng)化而減小的特征是淺層地震勘探劃分風(fēng)化帶的重要依據(jù)。 風(fēng)化帶全風(fēng)化帶強(qiáng)風(fēng)化帶中風(fēng)化帶弱風(fēng)化帶微風(fēng)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(zhì)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(qiáng)度越大孔隙度變小，密度增大。 第二節(jié) 地震介質(zhì)的劃分 在討論地震波傳播速度與深度

6、的關(guān)系時，把實際的巖層假設(shè)為均勻介質(zhì)、均勻?qū)訝罱橘|(zhì)和連續(xù)介質(zhì)。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(fù)雜的情況，這種由簡單到復(fù)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(xué)研究中經(jīng)常采用的。一、均勻介質(zhì)定義：波速不隨深度變化，各向同性，最理想的假設(shè)。 定義：速度隨深度成層分布，在VZ坐標(biāo)中的圖象是階梯狀的。最簡單的層狀介質(zhì)稱水平層狀介質(zhì)。二、均勻?qū)訝罱橘|(zhì) 定義：速度隨深度成層分布，在VZ坐標(biāo)中的圖象是階梯狀的。最簡單的層狀介質(zhì)稱水平層狀介質(zhì)。 層狀介質(zhì)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(zhì)具有實際意義。

7、圖2.3 (a)均勻介質(zhì) (b)層狀介質(zhì) (c)連續(xù)介質(zhì)三、連續(xù)介質(zhì) 定義：速度隨深度的增加連續(xù)緩慢地增加，在VZ坐標(biāo)中的圖象是一條平滑的曲線或斜直線。 對于連續(xù)介質(zhì)的地層，通過大量的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可近似地認(rèn)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(shù)；n 等于或大于1的整數(shù)。當(dāng)n=1時：速度隨深度呈線性增加，線性連續(xù)介質(zhì)，為一個常數(shù)當(dāng)n1時：非線性連續(xù)介質(zhì)。 線性連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)表達(dá)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(zhì)條件一、淺層地震地質(zhì)特點 淺層地震勘探一般都在近地表進(jìn)行，地表附近的地貌和地質(zhì)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(zhì)特點進(jìn)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(jié)構(gòu)比較松散，透水性較強(qiáng)，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(nèi)容：覆蓋層厚度探測，覆蓋層分層和覆蓋層彈性力學(xué)參數(shù)的測定。2.基巖風(fēng)化

9、帶 定義：據(jù)基巖風(fēng)化程度的不同，可將風(fēng)化帶分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、弱風(fēng)化和微風(fēng)化（或未風(fēng)化）五層。 各風(fēng)化層間，下層的波速、密度一般都大于上層。多數(shù)情況下基巖風(fēng)化層存在著34個速度或波阻抗界面。這些界面常與全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、弱風(fēng)化和微風(fēng)化界面相一致或相接近。通常情況下，全風(fēng)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(gòu)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(gòu)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(dāng)斷層面比較光滑且其兩側(cè)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(zhì) 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(jī)場等重要基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)行合理的施工設(shè)計。 巖溶的形成與發(fā)育，主要與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地下水的活動等因素有關(guān)。 巖溶經(jīng)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(qiáng)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(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象。工程地質(zhì)上依據(jù)滑坡體組成 物質(zhì)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(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞，產(chǎn)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(zhuǎn)現(xiàn)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(qiáng)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(dāng)它們與水源連通時，成為含水層(帶)。二、淺層地震地質(zhì)條件淺層地震地質(zhì)條件：地表附近

13、和地下淺部的地質(zhì)條件。1表層地震地質(zhì)條件 指地表附近的地貌和地質(zhì)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(fēng)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(qiáng)吸收作用，使波能量變?nèi)?，因此低速帶?nèi)難激發(fā)較強(qiáng)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(chǎn)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(jié)果的失真。因此在對地震原始資料進(jìn)行處理時要進(jìn)行必要的校

14、正，以消除低速帶對構(gòu)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(qiáng)的波阻抗界面，會產(chǎn)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(fēng)化帶。表層介質(zhì)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(qiáng)度不是太大，亦能激發(fā)較強(qiáng)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(dāng)?shù)刭|(zhì)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(qiáng)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(xiàn)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(zhì)量。2深部地震地質(zhì)條件 深部地震地質(zhì)條件同地下地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度有關(guān)，它關(guān)系到地震勘探的可行性和解決地質(zhì)問題的程度。好的深部條件一般是：(1) 地震界面質(zhì)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(zhì)界面吻合或二者相關(guān)性好，有規(guī)律可循。(2) 具有地震標(biāo)準(zhǔn)層 地震標(biāo)準(zhǔn)層：有效波能量強(qiáng)、波形穩(wěn)定且在工作區(qū)能被連