工程地震勘探的地质基础

本节内容简介§1.1.3工程地震勘探的地质基础一、地震波的速度二、影响地震波速的因素1）岩石介质的密度2）岩石介质的孔隙度3）地层埋藏和地质年代4）岩性与弹性常数三、地震勘探的地震地质条件：一）浅层地震地质条件1）表层地震地质条件2）疏松层（覆盖层）3）潜水面和含水层：4）浅层地质剖面的均匀性：5)地震界面与地质界面的差异：二）深层地震地质条件1）“地震标志层”的确定：2）地震层位和地质层位一致：3）具有良好的地震波阻关系：4）具有明显的地震相特征：5）速度剖面的均匀性：§1.1.3工程地震勘探的地质基础一般来说地震勘探的地质效果会受到两方面条件的限制：一、是仪器震源等技术条件。二是岩土介质的岩性、物性、成分和结构以及所处环境构造、地表复杂条件的不同，这两个方面都会使地震波的运动学和动力学特征发生变化。在自然界中，不同类型的岩石往往具有不同的物质成分，不同的结构差异，而且即使同一类型的岩石由于存在环境的不同也会呈现出不同的弹性特征，这些都会引起地震波传播条件的变化。在不同的地区，由于所处环境的地层、岩性、地表构造及地表条件的不同，也会对地震勘探的效果产生不同的影响。例如，当地表为沙漠或丘陵山地，并且地下岩层构造又比较复杂时，则不仅测线长，施工困难，而且资料的处理和解释也会遇到很大的难度。定义：工程勘察中，地层的岩性、地质构造及地表条件等因素对地震勘探的影响问题，就是地震勘察的地震地质基础问题。一、地震波的速度我们前面已经学过，纵、横波的传播速度，与岩石土层介质的弹性模量和密度密切相关。速度V与弹性模量和介质密度ρ有下列关系式：当σ=0.25时地震波在岩石中传播，其波速值的变化能够反应岩性的弹性和弹性模量的变化，波速是表征岩层弹性性质的重要参数，不同岩性、不同时代的地层可以有不同的速度值和变化范围。因此，速度参数是把地震地质模型和物理模型联系在一起的一种重要工具。spVV;2212121)1(227321.1SpVV从上面的关系式中可以看出纵波速度VpVs横波速度，当σ=0.25时，比值等于1.7321。若已知介质的弹性模量及密度，就可以求取纵横波速度Vp、Vs值，反之若已知纵、横波的速度，也可以求出介质的弹性模量。因为岩石土层的物理性质又和介质的弹性模量相关，因此可以通过研究Vp、Vs变化的信息，提取岩性变化的各种物理参数。实际上，组成地层的介质——岩、土层并非由完全各向同性和均匀的介质组成。岩石和土壤组成的在沉积岩地区的地层，往往会出现薄层或夹层，另外由于岩石沉积环境和沉积年代的变化，即使是同样的岩性，也会使介质岩石的密度和孔隙及孔隙中的充填物等等的变化，在很多方面都会有很多的变化，这就导致某一类岩石的波速度值，可以在某一较大范围内变化。也可能产生不同类型的岩石的波速度值，可以在一定范围内重叠。如图表给出了一些基本常见的各种不同类型的岩石的Vp、Vs值的变化范围。另一表也给出了同一种岩石(片岩，灰岩和砂岩)在不同年代波速度的变化情况。现在给出四种最典型岩类的Vp变化范围：沉积岩1.6~6.0Km/S花岗岩4.5~6.5Km/S玄武岩4.5~8.0Km/s变质岩3.5~6.5Km/s二、影响地震波速的因素1）岩石介质的密度一般情况下，岩石越致密，波速值越高，沉积岩的岩石密度与速度V的关系满足下式：显然公式对于浅层的工程地震勘察中遇到的岩土介质来说是不太适应的。图1.1.41和表1.1.1给出了不同性质、不同时代的松散岩土介质对应的参数相差较大，故地表浅层介质的密度变化较大，从而使地震波的速度变化率也较大。值得注意的是在波速公式中：nPaV25.025.0PVspVV;2纵、横的速度在表面上又与岩石介质的密度成反比，这似乎有些矛盾，其实不然。在岩石岩石介质的密度的关系式中，速度与密度成正比，但是岩石的密度的增加的数量级是很有限的。以砂岩为例。各种砂岩有的密度变化范围从表1.45中可以看出仅从2.15~2.70g/cm³，波速的变化范围可以从2100~4500m/s。显然是不协调的。波速变化的主要原因是：岩石介质密度的变化会引起介质弹性模量的变化，仍然以砂岩为例，密度ρ的变化范围仅有0.55是很小，但是λ、μ单位是千帕，拉梅系数λ和剪切模量μ是1.8×1010千帕，而这种变化远比密度直接变化的数量级大很多。地球物理基础的定义：介质弹性性质的变化是波速变化的主要因素，这也是地震勘探最重要的地球物理基础。2）岩石介质的孔隙度岩石从结构的角度来说可以认为是由两部分组成的，一部分是矿物颗粒，称为岩石的骨架，另一部分就是由各种气体或液体充填的孔隙，因此可以人为岩石是双相介质，地震波的传播，就在这种双相介质中传播。1956年澳大利亚人威利（Wylie）等人一个简便计算速度与孔隙度之间的关系式，简称时间平均方程：式中：φ为孔隙度；V为岩石的速度；Vm为岩石骨架的速度；Vl为孔隙中充填介质的速度。ImVVV)1(1根据该公式，作出了某些岩石的速度—密度变化的理论曲线，图1.1.42就是示意图。研究表明，当孔隙度由3%提高到30%时，速度变化可达90%，这说明孔隙度的变化也是影响速度变化的重要因素。很显然，孔隙度的变化意味着密度的变化，孔隙度变大，密度相对减小。可见，速度的变化，实际上是随岩石密度的增大而增大。松散的沙丘，纵波速度υp只有1000m/s，若进行夯实处理后，υp可达3500m/s~4500m/s。沙粒间的空气的υp仅为300m/s左右，如果孔隙中充填水，因为水的υp≈1500m/s，随着孔隙水的增加，速度将有所增加。空隙若真空则υp可以高达5200m/s。当砂岩中充填空气的孔隙度达到10%时，速度可以降低到2500m/s，孔隙度达到20%时，速度变为1600m/s。在调查地下水的工程地震勘查中，如果未固结沙层中υp1500m/s，则该地层就被认为没有孔隙水。3）地层埋藏和地质年代一般情况下岩石埋藏得越深，反映它的地质年代越老，承受上覆地层压力的时间越长、压强越大，这就是所谓的压实作用。因此同样岩性的岩石，埋藏深、时代老的要比埋藏浅、时代新的岩石波的传播速度更大。图1.1.44给出了V0=1400m/s，不同岩石孔隙度、速度和深度变化的曲线。图中可以看出，当埋藏深度超过700米以后，地震波的传播速度随深度大致呈线性增加。h/km孔隙度Φ=0.50.40.30.20.14）岩性与弹性常数地震波走不同岩性的地层中传播，无论纵波或横波，它们在地层中的传播速度值可以归结为岩层介质的两类参数的贡献，即岩土弹性参数和密度。即式中：λ、μ为拉梅系数和剪切模量；ρ为介质密度。还可以换成其它的弹性模量来表示，见表1.1.3。由表中可知，当已知弹性模量和密度时，可以求取纵横波的速度值，反之，由纵横波的速度值也可以计算出弹性模量。sv2pv的，当密度增大时孔隙度减小，弹性模量的增大的数量级远远大于密度的增大，因此，速度仍然是增加的。第二点是实际上岩土介质是一种粘弹性介质，这类介质的速度变化除了与弹性常数有关外，还与介质的粘滞系数和波的频率有关，上述的表达式仅是一种近似的关系。岩性的不同，各类岩石介质的速度分布也不同，然而同样岩性的介质，由于其密度、孔隙度及充填物的不同，也会导致速度的不同。因此，不同岩性介质的速度值会在一定范围内重叠，如图1.1.45所示。表1.1.4给出了不同岩土介质的纵横波速度和泊松比，由表可见，当泊松比增大时，纵横波速度速度会降低，介质表现的更疏松。对于浅层岩土介质的性质与速度之间的关系的更直接的描述，可以看表1.1.5。由表1.1.3可知，已知岩土介质的纵横波的速度和密度，也、我们可以求得完全弹性介质概念下的五个弹性模量。其岩性的变化，参见1.1.6表。由表可知，介质越致密，泊松比越小，切变模量变大，波速值越高。二、工程地震勘探的地震地质条件：工程物探的最终目的是要有效的解决工程地质问题，在一个工区内能否使用地震勘探解决工程地质的问题，很大程度上取决于该地区的地震地质条件。地震现场资料采集工作质量的好坏，除了与使用的仪器特点、工作方法、震源等因素有关系外，更重要的是还与施工地区的地震地质条件密切相关。一般来说，工程地震地质条件可用分为表层地震地质条件和深层地震地质条件两大类。1）表层地震地质条件表层地震地质条件工程地震勘察的效果，在很大程度上取决于工作地区是否具备工程地震勘察的的可能性，也就是说，工区场地的地震地质条件是否具备地震勘探的背景。在工程地震勘察中，这种背景指的是浅部岩土介质和地质特征，以及影响勘察的其它各种因素。2）疏松层（覆盖层）地表面的岩石和土壤层，由于长期受到风吹、日晒、雨淋等强烈的物理、化学风化作用，结果变得比较疏散。因此地震波在该层的传播速度比在其下部未经风化的岩层小得多，这类疏散层在工程地震勘察中叫“低速带”。由于这种低速带的存在，往往使地表面的覆盖层和地下的基岩的分界面就形成一个明显的速度分界面。分界面下层的基岩波速度值要大于上部覆盖表层的波速度，这是一个良好的速度界面(V2V1)。浅层折射波法就是利用分界面的这个特征，来寻找工程场地下基岩的埋藏深度h和界面的起伏。这个界面，对浅层折射法是很有利的。在深层反射波勘查寻找油气田的工作中，由深层反射回地表面的反射波由于地表低速带的存在，致使出射角α产生很大的“偏移”和走时滞后的现象，往往要进行低速带的校正工作。地表疏松层对地震波能量的高频成份吸收强烈按照胶结摩擦理论，认为在疏松带中，吸收系数与频率的平方成正比，即α=Bƒ²(B为与介质有关的系数），显然地震波的频率越高，α越大，振动能量被吸收的就越多。由于强烈的吸收作用致使反射波高频成分损失较大，主频降低。另外，由于强烈的吸收作用，在疏散层内很难激发出较强烈的有效波，使激发效率受到一定影响。试验还表明，在疏松层中由于介质各向一异性的特点比较明显，纵波的吸收系数αp比横波的吸收系数αs小，说明横波比纵波衰竭的更快。由于疏松层（有时又称作低速带），与下伏“基岩”之间形成一个良好的反射界面，因此在这个界面上很容易产生多次反射，形成了对一次波的严重干扰波，增加了浅层地震勘探的工作难度和资料解释的复杂性。必须指出：疏松层（或低速带）的概念是相对的。我国东部及沿海地区，波在疏松层（或低速带）纵波传播的速度，据测定大约为400m/s~1000m/s，它相对于未风化的“基岩”纵波的传播速度为2000m/s~5000m/s来说，小了一倍以上。在我国西南四川地区，其表层速度较高可达1200m/s~1400m/s，而下部的“基岩”波速仅有3500~4000m/s。而表层速度高达1200m/s~1400m/s的地层介质也属于低速带。而表层地层纵波速度小于300m/s的地层属于超低速层。在工程地质中，一般习惯使用横波速度，这是因为剪切波速和介质的性质有着密切的关系，很多数据如地基载荷、岩土地基分类、场地条件划分、各种模量的计算基本都是使用横波和面波的速度。但是工程地震勘探的很多方法大都使用纵波。3）潜水面和含水层：按照水文工程地质含水层形成的地质条件，当疏松层的覆盖层或风化带饱含地下水时，地震波速度将会明显的增加。因此，当潜水面位于疏松的“低速带”中时，则会形成明显得速度界面，从而改变了疏松带的性质。而一般不是疏松带地层的含水层，由于裂隙和孔隙中的含下水对波速的影响，要远比潜水层小得多。致使真正的低速带只是地下水面以上的疏松地层，而不是按地质岩性划分的低速带。地震勘探中的第一速度界面变成了疏松带中含不含水的速度分界面。由于第一速度界面到潜水下伏隔水层之间的饱和水地段是潜水含水层，因此，使用地震勘探了解地下水的分布是可行的。因此地震勘探中的“低速带”同地质上的风化带并不完全一致。实践证明，在有潜水的场地工作时，在潜水面以下激发，所产生的地震波频率成分比较丰富，具有较宽的频带，炸药的使用效率高，容易得到较好的效果。因此潜水面距离地面越近也是有利于地震激发的有利条件。实践证明，在有潜水的场地工作时，在潜水面以下激