地震勘探的地质基础

第二章地震勘探的地质基础一个地区地震勘探工作效果的好坏，取决于两个因素：①技术装备和工作方法②地震地质条件第一节岩土介质的一般波速特征及影响因素一、岩土介质的一般波速特征不同岩土介质由于其弹性性质的差异而具有不同的传播速度和波阻抗。一般：火成岩和变质岩比沉积岩的波速大，沉积岩的波速较低而变化范围较大。下表列出了部分常见岩土介质的波速和波阻抗。从表可见，不同岩石或地层之间，存在着波速和波阻抗的差异，因而不同岩性的分界面，往往就是地震波的反射或折射界面，这是开展浅层地震勘探工作的基础。岩石速度Vp(m/s)波阻抗104g/cm2s岩石速度Vp(m/s)波阻抗104g/cm2s风化带干砂、砾石泥湿砂、砾石粘土疏松砂岩泥灰岩致密砂岩100～150100～600500～1900200～20001200～28001500～25002000～47001800～43001.2～92.8～143.8～303～4015～6527～6020～12040～116泥质片岩灰岩、白云岩硬石膏、岩盐煤空气石油水冰2700～48002000～62504500～65001600～1900310～3601300～14001430～15903100～420065～13535～180110～14020～350.00412～1514～1630～45二、影响地震波传播速度的地质因素地震勘探中，影响波传播速度的地质因素很多，除具有不同岩石成分和结构的岩性外，主要还与岩石的密度、孔隙度、孔隙充填物、地质年代、埋藏深度等因素有关。1.密度沉积岩中波速与岩石密度相关，两者关系为)1.2(015.0266.075.12VV如果岩石密度处于1.9g/cm3与2.7g/cm3之间，则V、ρ间存在线性关系，表达式为：)2.2(174.0899.1V由于自然界大多数岩、矿石的密度处于1.9g/cm3～2.7g/cm3之间，因此式(2.2)有着更重要的实用价值。图2.1表示了不同岩石的密度与速度的关系。2.孔隙度图2.1不同岩石的密度与速度的关系曲线单相介质：只有同一岩相的介质。双相介质：由两种岩相组成的介质。对于一块岩石，从结构上来说，由二部分组成：一部分：矿物颗粒本身，岩石骨架（基质）；另一部分：各种气体或液体充填的孔隙。岩石实际上是双相介质，地震波就在这种双相介质中传播。时间平均方程：计算波速和孔隙度之关系的公式lmVVV)1(1(2.3)θ——孔隙度，V——波速，Vm——骨架波速，VL——孔隙介质波速方程说明：波在岩层中传播总时间＝骨架时间＋充填物时间。一般：波在流体中传播速度＜骨架波速。因此，孔隙度大的岩石，波速减小；反之，孔隙度变小，速度增大。图2.2孔隙度和速度的关系曲线孔隙度的变化也会影响岩石密度的变化，密度和孔隙度之间成反比关系，孔隙度增大，岩石密度相对变小，反之则变大。3.孔隙充填物V气＜V油＜V水充填物不同→V·ρ不同→R不同。三者之间会形成良好的波阻抗界面。4.风化程度风化作用使岩体矿物变异、原生结构破坏导致质点间弹性联系减弱岩体波速随风化程度增加而减小。下表给出了长江三峡坝区结晶岩（闪长花岗岩）中不同风化带的波速。表2.2长江三峡坝区结晶岩中风化带的波速从上表可见，全、强风化带其波速要比新鲜岩体小得多，而微风化带与新鲜岩体几乎波速不可分。波速因岩体受风化而减小的特征是浅层地震勘探划分风化带的重要依据。风化带全风化带强风化带中风化带弱风化带微风化带与新鲜岩波速（km/s）0.5～1.51.5～3.02.5～5.04.5～5.55.0～5.855.其它因素地质年代、埋藏深度、地压力。一般：年代越久，埋藏越深→上覆地层压力时间越长，强度越大→孔隙度变小，密度增大。第二节地震介质的划分在讨论地震波传播速度与深度的关系时，把实际的岩层假设为均匀介质、均匀层状介质和连续介质。这是为了方便问题的研究。先从理想简单的情况入手，然后再去讨论实际的复杂的情况，这种由简单到复杂、由已知到未知、由理想条件到实际条件的研究问题的方法是科学研究中经常采用的。一、均匀介质定义：波速不随深度变化，各向同性，最理想的假设。定义：速度随深度成层分布，在V—Z坐标中的图象是阶梯状二、均匀层状介质定义：速度随深度成层分布，在V—Z坐标中的图象是阶梯状的。最简单的层状介质称水平层状介质。层状介质模型是最常用的物理模型，因为在沉积岩地区岩层有很好的成层性，把实际地层理想化成层状介质具有实际意义。图2.3(a)均匀介质(b)层状介质(c)连续介质定义：速度随深度的增加连续缓慢地增加，在V—Z坐标中的图象是一条平滑的曲线或斜直线。对于连续介质的地层，通过大量的观测数据统计，可近似地认为速度随深度连续变化的规律可表示为：式中：V0Z=0时的速度，即地表速度；β速度增长系数；n等于或大于1的整数。)4.2()1()(10nZVzV当n=1时：速度随深度呈线性增加，线性连续介质，β为一个常数当n＞1时：非线性连续介质。线性连续介质数学表达式简单，也便于问题的讨论，实际工作中常把非线性简化为线性。第三节地震地质条件浅层地震勘探一般都在近地表进行，地表附近的地貌和地质特征，往往会影响地震波的激发、传播和接收，因此有必要首先对浅层地震1.覆盖层定义：指第四系各种不同成因类型沉积或堆积的松散地层。覆盖层的结构比较松散，透水性较强，其中粘土层常为相对隔水层，而覆盖层的波速通常比基岩波速低，在覆盖层中，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（潜水面）。通常是一个良好的速度界面。基岩顶板一般为良好的折射界面和反射界面。土层或砂层与砾石层之间，冲积、洪积层与冰积层之间亦可能形成折射界面和反射界面。浅层地震方法探测覆盖层通常包括以下工作内容：覆盖层厚度探测，覆盖层分层和覆盖层弹性力学参数的测定。2.定义：据基岩风化程度的不同，可将风化带分为全风化、强风化、中风化、弱风化和微风化（或未风化）五层。各风化层间，下层的波速、密度一般都大于上层。多数情况下基岩风化层存在着3～4个速度或波阻抗界面。这些界面常与全风化、强风化、中风化、弱风化和微风化界面相一致或相接近。通常情况下，全风化层和其上覆盖层在波速上差异甚小，容易造成两者混淆。3.隐伏构造破碎带定义：指覆盖层以下的断层破碎带。按断层两盘岩性划分，通常有以下三种情况：上、下盘为同一岩性的断层破碎带；上、下盘为相同岩性，但基岩面有一定高差的断层破碎带；上、下盘为不同岩性的断层破碎带。各种构造破碎带中大都有断层泥、糜棱岩和破碎、充水等特征，因此地震波在破碎带中传播时高频成分易被吸收，且波速较低。此外，当断层面比较光滑且其两侧岩石的波阻抗有明显差异时，断层面本身就是一个反射界面。4.岩溶地质在我国南方，尤其在沿海省份的硫酸盐岩和碳酸盐岩地区广泛存在着岩溶，要在这些岩溶分布区修建大坝、桥梁、铁路、机场等重要基础设施，必须对岩溶的分布范围、形状、规模、位置及发育岩溶的形成与发育，主要与地层岩性、地质构造和地下水的活动等因素有关。岩溶经常形成于厚块状可溶性的纯灰岩地层，多沿岩层层面或断层破碎带发育成溶洞或溶蚀裂隙，地表水和地下水活动愈剧岩溶洞穴与其围岩之间，一般存在着明显的密度、波速和波阻抗差异，因此，可用地震方法来探明岩溶地区溶洞的分布和发育情况。5.图2.4滑波地貌特征示意图定义：在铁路、高速公路、大型水库等的施工或使用过程中，都可能遇到滑波这样的灾害地质现象。工程地质上依据滑坡体组成物质的不同，一般将滑坡分为土体滑坡和岩石滑坡两大类。滑坡体在滑动过程中常使其岩土结构受到不同程度的破坏，产生大小不等的裂隙，从而使滑坡体的波速降低，滑坡体的波速一般都比滑动面以下的岩(土)体低，之间会形成明显的速度界面。因此，可以用浅层地震方法来探测滑坡体的分布范围和厚度。如图2.4所示为滑波地貌特征示意图。6.沉积层中的软弱夹层特点：软弱夹层往往具有渗透性差、波速低和密度小。因此，可用浅层地震反射方法来探测砂砾石层中所夹的土层（如淤泥、粘土层）和基岩中的泥化夹层等的位置及其厚度。由于软弱夹层有速度倒转现象，因此一般不适合用折射波法来探测。7.含水层和渗漏带含水层一般可分为两类：一类：是第四系地层中的含水层，主要是孔隙度大、透水性强的砂层和砂砾石层，它们与透水性弱的粘土层之间会形成一个良好的波阻抗界面；二类：基岩中的裂隙带、岩溶发育带、断层破碎带等含水层(带)。会形成良好的速度界面和波阻抗界面。渗漏带：具备良好地下水活动条件的地带，当它们与水源连通时，成为含水层(带)。二、浅层地震地质条件浅层地震地质条件：地表附近和地下浅部的地质条件。1．表层地震地质条件指地表附近的地貌和地质特点，影响地震勘探的激发、传播和接收。包括：(1)低速带定义：地表附近的岩层，由于长期遭受风化而变得比较疏松，地震波在其中的传播速度较基岩低得多。低速带对高频有很强吸收作用，使波能量变弱，因此低速带内难激发较强的地震波。如低速带厚度太大，则传到深层岩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，从而大大降低勘探深度。如沙漠、戈壁地区。如果低速带厚度变化大，或横向上变化不均匀，会使反射波返回地表时产生时间上的滞后，从而造成时间剖面资料解释的困难，甚至造成解释结果的失真。因此在对地震原始资料进行处理时要进行必要的校正，以消除低速带对构造失真的影响。这种校正通常称为低速带校正或静校正。低速带与基岩往往形成一个明显的速度界面，是良好的折射界面，浅层折射波法就是利用这一特性来探测基岩起伏的。这也是一个很强的波阻抗界面，会产生多次反射波。(2)潜水面潜水面常常就是低速带的底部，所以低速带一般是指不含水的风化带。表层介质中的含水率对波速影响很大，实践证明，在水中激发时，即使振源强度不是太大，亦能激发较强的地震波，且频谱十分丰富，因此潜水面高是工作的有利条件。由于潜水面上、下界面的波速差异明显，因此，地震上追踪的第一个界面往往就是潜水面。(3)高速夹层当地质层位中存在着高速夹层（厚层）时，它与顶、底板的岩层形成很强的反射界面，使下传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，影响对下部地层的勘探，地震勘探把此现象称作“高速层的屏蔽”。(4)地形、地貌和植被测区地形平坦、地貌简单、植被和建筑物稀少，不仅施工方便，而且人文引起的微震干扰也少，否则地形起伏、水系纵横、植被茂盛、建筑物林立，不仅施工困难，而且影响记录质量。2．深部地震地质条件深部地震地质条件同地下地质构造的复杂程度有关，它关系到地震勘探的可行性和解决地质问题的程度。好的深部条件一般是：(1)地震界面质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；界面连续，上下地层波速稳定，界面倾角小于30°～40°；地震界面与地质界面吻合或二者相关性好，有规律可循。(2)具有地震标准层地震标准层：有效波能量强、波形稳定且在工作区能被连续追踪的地震层位。地震标准层和地质标准层一样，具有重要意义，它是层位对比、连接以及控制构造的重要依据。所以当工作区存在一个或多个标准层时，对工作十分有利。绝对理想的地震地质条件几乎是不存在的，但只要存在勘探对象与围岩有弹性差异，那么其它不利条件，随着仪器设备和勘探技术的不断改进，都能得到克服。例如，70年代以前，用反射波法还无法对第四系地层进行划分，而到80年代以后，由于解决了浅层反射的技术难题，困难已被克服，这当中浅层地震仪器的更新换代和应用水平叠加技术起着决定的作用。