地震地质条件

表层地震地质条件主要包括地表附近地质剖面的性质和地貌特点，它往往影响地震勘探的激发条件、接收条件和波的传播。大致有下列几个方面。
1.低速带的特性
地表附近的地层，由于地质风化作用变得比较疏松，地震波在该层传播的速度一般较下面未风化的“基岩”中的速度要低得多，因此称这种速度很低的近地表地层为低速带（或低速层）。低速带的存在，使从深部反射上来的地震波射线，要向垂直方向偏移（按斯奈尔定律），如图3-1-1所示。因此在地表附近，纵波的质点位移几乎垂直于地面，而横波的质点位移在地面作水平运动。为此进行纵波勘探必须设计垂直运动的检波装置，而进行横波勘探则需要采用水平运动的检波装置。
低速带的存在还会使地震波经过低速带后出现时间上的滞后。如果低速带的厚度和速度变化是均匀的，且厚度不大，如我国东部油区（低速带厚度一般在几米至几十米范围内缓慢地变化，速度基本不变），则从深处到达地面各点的反射波都滞后一个时间Δt，其相对滞后时间变化不大。反之，若低速带速度变化大，或低速带厚度变化大，即低速层和下伏高速层之间的分界面起伏很大，则从深部向上经过低速带至地面各点之间相对滞后时间的差异就大，这对地震记录的解释会带来不利影响。我国西北地区和西南地区，低速带的变化很大，厚度从十几米变至几十米，甚至有的地区厚达一百多米，速度从每秒几百米变到每秒上千米；为此，必须对低速带厚度和速度的变化规律进行专门的研究，地震资料处理时要对它作必要的校正。

图3-1-1 低速带上射线的出射

1—地面；2—低速带底界面
低速带地层的疏松性，对地震波的高频成分具有强烈的吸收作用，因此在低速带内难于激发出较强的有效波，在低速带以下激发较好。
由于低速带同下伏“基岩”之间构成一个良好的反射面，因此在这个面上极易产生多次反射波，加上激发炮井深度往往在此界面附近，在低速带底界面产生的多次波会“伴随”在一次波后面出现（见图3-1-2），地震勘探称这种多次波为伴随波（或鬼波），它对一次波是一种严重的干扰。

图3-1-2 伴随波示意图

必须指出：低速带的概念是相对的。在我国东部地区，波在低速带内传播的速度据测定大约为400～1000 m·s-1，它相对于下伏未风化的“基岩”速度（通常为 2000～5000 m·s-1）来说小了一倍以上。在我国西南四川地区，其表层速度为1200～1400 m·s-1，它底下“基岩”的速度可达3500～4000 m·s-1，因此上部表层速度为 1200～1400 m·s-1的地层也属于低速带。如果表层存在速度小于300 m·s-1的地层，则称为超低速层。
2.含水层的位置
表层含水层的位置同地震勘探有很大的关系。通常潜水面的位置往往就是上述低速带的底部，所以低速带一般指的是那些不含水的风化层。当风化层中含有饱和水后，其速度会增高，因此地震勘探中指的低速带同地质上的风化带并不完全一致。
国内外地震勘探的实践证明，在含水层中能激发出频谱成分十分丰富且能量较强的地震波，可取得较好的地质效果。例如我国东部油区，东北、华北、江汉等平原，在地面以下几米就有含水层，在这类含水层中激发能获得干扰背景小，反射层次多的地震记录。在西北地区，如鄂尔多斯地台，新疆、青海等被戈壁、沙漠覆盖的盆地，由于干旱缺水，潜水面深至几十米甚至一百多米，因此难以获得较强的反射波。
在海上进行地震勘探时，表层均为海水，因此不存在低速带，激发条件较好。
3.浅层地质剖面的均匀性
浅层地质剖面是否均匀对能否有效地开展地震工作具有很大的作用。如果在浅层有岩性差异很大的地质层位，则这种层位会是很强的反射层，这种强反射层的存在对地震勘探具有两方面不利因素：一方面强反射层的存在使地震波能量大部分都反射回地面，往下传的能量就相对减少，影响到深层地震波的能量；另一方面这种强反射返回地面后，在地表或低速带底界面处又能把一部分能量反射回去，以至于在这个强反射面和地面（或低速带底界面）之间形成多次反射，这种多次反射严重地干扰一次反射。例如在我国苏北地区，由于浅层存在着能产生良好反射的火山喷出岩（玄武岩、安山岩），所以多次反射波非常发育，严重地干扰一次反射波。

8.7.1 地震波的传播速度及其影响因素分析
速度在地震勘探中是一个重要的参数，它也是进行地震勘探的物理基础之一。因为反射、透射和折射波的产生条件主要是弹性介质在速度上存在着差异所致。地震波在不同岩性地层中传播的速度称为层速度。无论纵波或横波，它们在地层中传播的速度决定于岩石的弹性常数和密度。其中

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式中：λ、μ为拉梅常数和剪切模量。纵、横波速度值还可以由其他的弹性模量，如杨氏模量E，泊松比σ，体积模量K等来表示，它们之间的相互关系可由表8-1给出。
由表8-1可见，弹性波的速度与诸多弹性系数有关。当岩石性质、沉积环境、沉积年代和地层埋深不同时，则弹性系数也就不同，速度随之而变化。因此，速度是一个重要的岩性参数，它可以把地质模型与地球物理模型联系起来。同时由于以上原因，速度值也有很大的变化范围，即是相同的岩石，其速度值也在很大的范围内变化。
地震波传播的速度与诸多因素有关，有必要研究影响波速的因素，分清主次，以利于对不同速度值作不同的具体分析。关于这方面的问题，不少学者对大量的岩石进行了实验室的测定和研究，对大量的测井资料进行了分析，并得到了许多有意义的结果和经验公式，引用其中一些结果以说明影响波速的主要因素。
表8-1 几个物理量之间的相互关系


8.7.1.1 孔隙率是影响速度的基本因素
大部分岩石是由颗粒状的各种矿物组成，这种颗粒状结构的岩石可以看作是由许多不同性质的小球堆积而成，小球与小球之间具有空隙。一般粗颗粒结构的岩石其孔隙度相对大些，如砂岩；而细粒结构的岩石的孔隙相对小些，如灰岩。因此，一切固体岩石从结构上说，它们基本上由二部分组成：一部分是矿物颗粒本身，称岩石骨架（或基质）；另一部分是由各种气体或液体充填的孔隙，这就是本章开始讨论的双相介质。显然地震波在这种结构的岩石中传播时，实际上相当于波在骨架本身和孔隙两种介质中传播。尽管孔隙中充填了各种气体和液体。根据一般常识，波在气体或液体中传播的速度要低于岩石骨架固体中的传播速度。因而，波在双相介质中传播的速度与孔隙度成反比，即同样岩性的岩石，当孔隙度大时，其速度值相对变小。1956年，威利（Wylie）等提出了一个较简便地计算速度与孔隙度之间的关系式，称为时间平均方程

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式中：φ为孔隙度；v为岩石的速度；vm为岩石骨架中波传播的速度；v1为孔隙中充填介质的速度。
根据该公式做出了某些岩石的理论关系曲线，示于图8-35。综合这些研究后认为，当孔隙度3%提高到30%时，速度变化可达90%，这说明孔隙是影响速度的重要因素。
上述方程只适用于流体压力与岩石压力相等的情况，特别是孔隙流体为水和盐水时，经验表明是合适的，随流体压力的减小，上述时间平均方程要修改为

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图8-35 时间平均方程曲线

式中：C是某个常数，当流体压力等于岩石压力的一半，且岩石压力相当于埋藏在深约1900 m处所承受的压力达2.56×1013 Pa（帕［斯卡］）时，C值可取0.85左右。
8.7.1.2 岩石密度对速度的影响
岩石的孔隙度φ与密度ρ通常是成反比的，即φ越大，ρ则越小。图8-36表示了φ和ρ的关系曲线。图8-35中又说明φ与v也是成反比的，则v和ρ必然应成正比。图8-37给出了不同岩性的速度和密度的关系曲线。

图8-36 孔隙度与密度关系曲线

根据经验公式，φ与ρ一般是线性关系

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式中：ρm是岩石骨架密度；ρl是岩石充填物密度。该式仍说明ρm和ρl之间按孔隙度φ分配的百分比关系。如果岩石中只充填满油、水和气水时，则密度ρ为

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式中：Sn是含水饱和度，ρn是水的密度。由（8.7-4）式或（8.7-5）式可找出ρ和φ的关系，而ρ和v一般又成正比关系，则就可导出v和φ的关系了。

图8-37 不同岩性的速度与密度的关系曲线

8.7.1.3 孔隙中充填物性质的影响
岩石中孔隙的空间不是被水、油等液体所充填就是被气体或气态碳氢化合物充填。实验测定证明，当孔隙中的水被液态的碳氢化合物所代替且达到饱和时，速度就可以降低15%～20%，而孔隙中如果被气态碳氢化合物充填时，则速度值会大大降低。它已可能提供人们对油、气、水的预测，因为这些岩石，特别是砂岩，由于孔隙内充填的油、气、水介质不同，引起速度上的差异，必然使油、气、水之间，以及它们同上下围岩之间形成良好的分界面，它们是具有较大反射系数的波阻抗面。通常在沉积岩地区，一般岩性界面的反射系数是比较小的，在±0.1以下，甚至更小，只有个别强反射面的反射系数可达0.2左右。然而，对含气和不含气的砂岩来说，当它同页岩组成分界面时，如果页岩密度为2.25 g/cm3，速度为5 200 m/s，可求得φ=10%～20%时含气砂岩的密度值以及它们同页岩构成反射面的反射系数，见表8-2。
表8-2 砂、页岩界面的反射系数


由表中所得结果表明：①含气和不含气砂岩，在速度上有很大差异，由此而引起页岩与含气砂岩构成的分界面上的反射系数要比与不含气砂岩构成的反射系数大得多。②当孔隙度只增加10%时，速度值可以大大降低，反射系数变化更为灵敏。这些结果说明利用较灵敏的反射系数代替速度的变化有可能预测油、气、水的分界面以及直接找油气。这些原理应用于“亮点”处理技术及岩性研究。
8.7.1.4 速度与地层埋藏深度的关系
一般岩石埋藏得越深则它的地质年代越老，承受上覆地层的压力强度大、时间长。因此，相同岩性的岩石若埋得深，时代老的则比埋得浅、时代新的岩石的速度要大。福斯特曾对测井曲线进行了大量分析和总结，得出以下关系式：

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式中：z是埋藏深度，t是地质年代。a、c为比例常数，一般a=46.5（z取米，t取1/年）。R为地层的电阻率，c=2×103。
加斯曼在1951年提出了速度、深度和孔隙度之间的经验公式

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式中：v0、ρ0是指已规定的Z=0时的起始深度和密度；ν是泊松比。E是杨氏模量；a1、a2是固体颗粒和液体体积之比例常数。
如果令E=5.1，ν=0.25，ρ1=2.7，ρ0=1，则（8.7-7）式可变为

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式中：φ是孔隙度。

图8-38 北美地区不同地质年代岩层的 vP和 z 的关系图

（根据测井结果）
图8-38是取自北美地区不同地质年代岩石的纵波速度vP和埋藏深度z的关系曲线图。该曲线是根据测井数据分析总结而获得。由图中可知v是随z增加而增大，老地层的速度一般比新地层大。需要注意的是一般地层埋藏越深温度越高，由高温、高压超声波物理模型实验证明，超声波速度随温度增加而下降，若将压力和温度同时考虑则有时会出现速度倒转的现象。
8.7.2 地震地质条件
在一个地区利用地震勘探方法能否取得好的地质（勘探）效果，在很大的程度上是取决于地震地质条件。地震地质条件一般分为两类：①表层地震地质条件；②深部地震地质条件。
不同盆地的地震地质条件通常是不相同的，就是同一个盆地的不同地段，其地震地质条件也常常是不同的。掌握、分析和解决复杂的地震地质条件问题是地震勘探中的基础工作。
8.7.2.1 表层地震地质条件
表层地震地质条件包括地形、地表风化层的性质等因素。它不仅影响地震勘探的激发和接收，而且影响地震波的运动学和动力学特点，严重影响地震剖面的精度。
1）低速带的影响。地壳的风化壳也称为低速带。它是由于受到长期风吹、日晒、雨淋等地质风化作用而形成，其岩石变得十分疏松。低速带的特点是：①低速带一般是指不含水的风化层，当风化层含饱和水后，其速度会增高，就不属于低速带范围。这也是地质风化层与低速带的差别。②低速带的速度 v0 是极低的，一般小于1 500m/s，而且速度横向变化较大。③低速带的厚度常常是不均匀的。④由于 v0≪v（下覆岩石速度），根据斯奈尔定律出射角β是很小的

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由于炮检距（OS）相对于勘探深度z是较小的，通常α也不太大，则β就更小。因此，在地表附近纵波的位移几乎是垂直于地面，横波的位移则近似于平行于地面。由于这个原因，在纵波勘探中，接收系统必须为垂直运动的检波器。横波勘探则应设计水平运动的检波器。
由于低速带存在，要影响地震波的运动学和动力学特征：一是影响波的传播时间，甚至影响到最后地震剖面成像和地质构造形态；二是影响地震波的频带和能量，改造地震波的动力学特征；三是容易产生多次波，增加地震反射记录的复杂性。因此，地震勘探中的低速带校正和补偿已成为地震数字处理中难度较大的，但又是极为重要的问题。
8.7.2.2 深层地震地质条件
它通常是指地下地质构造的复杂程度。在一些复杂的断、陡构造地区，常常得不到好的地震资料，也无法弄清楚地下的真实形态。所以，地下构造的复杂程度不仅影响地震勘探工作方法的选择，而且影响地震资料的处理和解释。
一般而言，要取得好的勘探效果，地下具备以下几方面的地震地质条件对提高勘探质量是有利的。
①具有地震层位和地质层位的一致性；
②具有较好的标准层；
③具有良好的地层波组关系；
④具有明显的地震相特征；
⑤速度变化具有一定的稳定性。

在一个地区利用地震勘探方法能否取得好的地质(勘探)效果，在很大的程度上是取决于地震地质条件。地震地质条件一般分为两类：①表层地震地质条件；②深部地震地质条件。

不同盆地的地震地质条件通常是不相同的，就是同一个盆地的不同地段，其地震地质条件也常常是不同的。掌握、分析和解决复杂的地震地质条件问题是地震勘探中的基础工作。

1.7.3.1 表层地震地质条件

表层地震地质条件包括地形、地表风化层的性质等因素。它不仅影响地震勘探的激发和接收，而且影响地震波的运动学和动力学特点，严重影响地震剖面的精度。

地壳的风化壳也称为低速带。它是由于受到长期风吹、日晒、雨淋等地质风化作用而形成的，其岩石变得十分疏松。所以低速带的特点是：①低速带一般是指不含水的风化层，当风化层含饱和水后，其速度会增高，就不属于低速带范围，这也是地质风化层与低速带的差别；②低速带的速度V₀是极低的，一般小于1 500m/s，而且速度横向变化较大；③低速带的厚度常常是不均匀的；④由于V₀＜＜V(下覆岩石速度)，根据Snell定律出射角β是很小的

地震勘探原理、方法及解释

↓V＞＞ V₀

β＜＜α

由于炮检距(OS)相对于勘探深度z是较小的，通常α也不太大，则β就更小。因此，在地表附近纵波的位移几乎是垂直于地面，横波的位移则近似于平行于地面。由于这个原因，在纵波勘探中，接收系统必须为垂直运动的检波器。横波勘探则应设计水平运动的检波器。

由于低速带存在，要影响地震波的运动学和动力学特征；一是影响波的传播时间，甚至影响到最后地震剖面成像和地质构造形态；二是影响地震波的频带和能量，改造地震波的动力学特征；三是容易产生多次波，增加地震反射记录的复杂性。因此，地震勘探中的低速带校正和补偿已成为地震数字处理中难度较大的，但又是极为重要的问题。

1.7.3.2 深层地震地质条件

它通常是指地下地质构造的复杂程度。在一些复杂的断、陡构造地区，常常得不到好的地震资料，也无法弄清楚地下的真实形态。所以，地下构造的复杂程度不仅影响地震勘探工作方法的选择，而且影响地震资料的处理和解释。

一般而言，要取得好的勘探效果，地下具备以下几方面的地震地质条件对提高勘探质量是有利的：①具有地震层位和地质层位的一致性；②具有较好的标准层；③具有良好的地层波组关系；④具有明显的地震相特征；⑤速度变化具有一定的稳定性。