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1-3工程勘察的地震地质条件

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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本节内容简介§ 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:§ 、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 有下列关系式:当σ= 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 。 V ;2212121)1(227  p> σ =比值等于 已知介质的弹性模量及密度,就可以求取纵横波速度 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 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 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 积岩 花岗岩 玄武岩 Km/s 变质岩 Km/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 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 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: V V ;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 g/波速的变化范围可以从 2100~4500 m/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 是 λ、 μ 单位是千帕,拉梅系数 λ和剪切模量 μ 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( 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; m  )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 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 υ000m/s ,若进行夯实 处理后, υ500m/s~4500m/s 。沙粒间的空气的 υs 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 υs。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υ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 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 = (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 α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/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/而表层地层纵波速度小于 300m/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。4)浅层地质剖面的均匀性:对地震勘探的效果是有直接的影响。因为不论剖面的纵向还是横向的不均匀性还是不稳定性(如断层、溶洞、尖灭层和人工堆积物的存在),都将改变地震波的传播方向和旅行时间,增加了地质资料的处理难度。5)地震界面与地质界面的差异:地震界面是指利用地震波的运动学和动力学特点,把波速变化和波阻抗差异较大的原因为依据分出的界面。而地质界面是指岩性不同或时代不同的地层 分界面。这两种界面,有时可能是一致的,有时可能却完全不相同。譬如,前面说的覆盖层中的第一速度界面,从地震记录上可以识别这个界面形成的同相轴而且比较清晰,可以认定为界面。但是这个界面是一个速度界面而不是地质岩性不同的界面。再譬如有些地层地质年代不同,但是波速差异很小,地震波是很难识别它们的。折射波法在使用中,可能会出现隐伏层、薄层、低速层,这些都是地质分界面,但是利用地震勘探的方法有时很难识别它们的存在。沉积岩有时在同一个时代地层形成过程中如果出现了沉积环境变化,就可能出现出现较大的垂直方向的岩性变化,此时在同一地层中就可能出现多个速度、波阻抗界面,但这些界面不是地质年代界面。凡此种种,一个地层中,也可能出现不同的波速层,也可能真正的地质界面没有速度差异而区分不出界面。(二)深层地震地质条件深层的地震地质条件与地下地质构造的复杂程度有关。由于目前地震勘探在石油、天然气的勘探中主要的任务是研究与含油含气有关的地质构造,如背斜、穹窿、断层、间灭、超覆及角度不整合等等,深层地震地质条件如下:1)“地震标志层”的确定:如果在较大的场地进行地震考察,或者地震测线比较长时,为了连接整个测线的剖面地层,需要确定一个全区普遍都存在、比较稳定而且具有一定波阻抗的地质层位为“地震标志层”,来进行识别岩性地层和查明构造形态的变化。如果这个标志层具备速度和地质层一致,该标准层就有地质时代和地层岩性的含义。就可以成为更有意义的层位。在大面积的地震勘探这种标准层更为重要。 一般工程地震勘察中,场地比较小,介质性质不会有较大变化,往往就不太注意这种标志层。所谓地震标志层(应该是指反射界面),是地震波的能量较强,且在比较大的地区范围内,在地震图上具有连续、稳定可以追踪的具有明显运动学和动力学特征的地震层位。譬如在长江以南的碳酸盐比较发育的地区,在整个碳酸盐地区中工作就缺乏良好的标准层。我国东部地区的一些盆地内,构造复杂、断层十分发育有时断块很破碎也很难找到地震标准层。但是在找寻覆盖层的起伏和厚度时,如果覆盖层下面的基岩分布稳定和完整时,则可以把这个界面作为地震标志层”。2)地震层位和地质层位一致:地震界面一般是指波阻抗界面和速度界面,而地质界面一般是岩性界面,前者是地球物理场界面,后者是地质界面,两者通常是一致的,不同的地质层位往往具有不同的岩性,但有时也并非完全一致。例如在一个地质层内存在上覆、下伏物性具有明显差异的地层,则与之相关的那些反射变化只是某一组地质层为中的某一具体层的变化。同地质层位一致的地震层位对于我们用来解释地震剖面的沉积关系、构造形成的时代、发展史都是十分有利的。例如在寻找天然气和石油时,希望含油、气构造都是地震层位,这对于解决目的层的寻找具有重大的意义。3)具有良好的地震波阻关系:当深层地质剖面上具有明显的几套地层时,若它们之间具有典型的不整合或超覆的接触关系时,那么地质记录上反映出的波阻关系特征也相应的表现为超顶、削蚀、上超、下超等地震波组的接触关系,这些波组有利于地震层序的划分。4)具有明显的地震相特征:在现代的高分辨率和高信噪比的地震数字处理的剖面中,能够相应反映出深层地质剖面上岩性特征的反射波运动学和动力学特征,这些特征包括反射层的振幅、频率、连续性、丰度、结构、外形等等。我们一般把反射波相同特征的集合体叫做震相,它可以同地质剖面中的岩性特征和沉积结构作一一对应,解释,如果能够获得具有明显的地震相特征的地震剖面,(目前在海上的勘探已经可以)对于使用通过震相分析解决岩性古地理、建立沉积环境、沉积模式关系具有重要的意义。5)速度剖面的均匀性:在地震勘探中,高速层的存在,往往是不利于勘探工作的进行。在折射法中屏蔽作用会造成隐伏层的出现,使勘探的范围受到很大的限制。浅层高速层不利于深部反射波的传播,使得深部反射波的能量变得很弱,例如我国西南地区广泛存在的石灰岩地层,目前还没有获得石灰岩地层下部质量较好的反射资料。石灰岩地层作业与思考题:1、列表说明石灰岩(沉)、花岗岩(火)、玄武岩(喷)、花岗片麻岩(变)四种岩石的速度、密度和波阻抗的变化范围?2、列出风化土、砂岩、页岩、化岗岩四种介质纵横波速度及伯松比?3、什么叫地震地质条件?地震波在表层疏松层(覆盖层)传播会产生哪些变化?4、名词解释:1)地质勘探的第一速度界面2)地震界面、地质界面3)地震标志层
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