1、1.4 巖石層的地震波速度,地震波的速度是地震勘查中最重要的參數(shù)。 它將波傳播的時間和空間聯(lián)系起來，用以研究下地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)。 不僅如此，地震波的速度在地震勘查的各個階段均起重要作用。 在地震資料處理和解釋過程中，速度資料始終是許多環(huán)節(jié)的重要參數(shù)。 下面 我們就速度的問題做一個簡略的介紹。,一、地震波在巖層中的傳播速度 地震勘查是以研究地震波在巖層中的傳播規(guī)律為基礎(chǔ)的。 巖石的彈性性質(zhì)不同，地震波在其中傳播的情況也就不同，地震勘查正是利用了這種關(guān)系來研究地下地質(zhì)構(gòu)造。,地震波在不同地層中傳播的速度值取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)和密度。 在彈性力學(xué)中，已得出了它們之間的定量關(guān)系。 縱波速度和橫波速度分別為

2、： ,式中、為拉梅常數(shù)， 又稱切變模量； E是楊氏模量； 為泊松比； 為密度。 縱、橫波速度與巖石的多種彈性模量有關(guān)，為便于換算，將它們之間的關(guān)系 列于表1.4-1。,反之，由縱、橫波的速度也可求取各種彈性模量。 而巖石的物性往往同彈性模量有關(guān)，所以，我們可以期望從縱、橫波速度來提取巖性信息。 實際巖層不是由同一種巖石組成，沉積巖也有不同的沉積環(huán)境和年代，導(dǎo)致巖石的密度、孔隙度及充填物有很大變化。 因此，各類巖石的速度值都在一定范圍內(nèi)變化，表1.4-2是幾 種主要巖石的波速值。,由表可見，火成巖速度大于變質(zhì)巖和沉積巖速度，且速度變化范圍小些。 變質(zhì)巖速度變化范圍大。 沉積巖速度較小，但因其結(jié)構(gòu)

3、復(fù)雜，影響因素眾多，速度的變化范圍最大。 根據(jù)大量的資料統(tǒng)計，各種沉積巖的速度由表1.4-3給出。,二、影響速度的主要因素 地震勘查主要在沉積巖區(qū)域進(jìn)行，我們主要考慮影響沉積巖的諸多因素。 許多學(xué)者對大量的 巖石標(biāo)本進(jìn)行了實驗室的測定和分析，對大量的測井曲線進(jìn)行了分析研究，得到了許多有意義的結(jié)果，包括一些關(guān)系曲線和經(jīng)驗公式。 下面介紹影響速度的主要因素。,(一)孔隙度及孔隙充填物的影響 大多數(shù)沉積巖中，巖層的實際速度是由巖石基質(zhì)的速度、孔隙度及孔隙充填物等因素決定的 ，這就是所謂的雙相介質(zhì)。1956年由威利(Wylie)等人提出的時間平均方程是普遍采用的描述雙相介質(zhì)巖石速度與孔隙度及其流體關(guān)系

4、的方程：,式中：v 是巖石的速度，v和v分別為巖石骨架和孔隙流體的速度。 是 孔隙率。 這個公式的適用條件是孔隙中只有一種流體，并且流體壓力和巖石壓力相等。 根據(jù)該公式計算了某些巖石的理論關(guān)系曲線(圖1.4-1)。 綜合研究認(rèn)為，當(dāng)孔隙度由0到30 %時，這個關(guān)系式應(yīng)用較好。 當(dāng)孔隙度由3%到30%時，速度變化很大，這說明速度受孔隙度的影響是很大的。,當(dāng)流體壓力降低時，上述公式要做一定的修改，用一個壓差調(diào)節(jié)系數(shù)c加以修正，此時時間平均方程變?yōu)椋?當(dāng)流體壓力等于巖石壓力一半，巖石壓力相當(dāng)于埋深1700米，承受壓力為413 帕斯卡時，c 值約為0.85。,圖1.4-2為修改后的時間平均方程曲線。它

5、同時還說明了孔隙充填物不同，速度有明顯的差異。 實驗測定證明，當(dāng)孔隙中的水被液態(tài)的碳?xì)浠衔锼媲疫_(dá)到飽和時，速度可以降低15% 20% 若孔隙中被氣態(tài)碳?xì)浠衔锍涮顣r，則速度值會大大降低。,這就為人們對油氣水的預(yù) 測提供了可能 因為這些巖石，特別是砂巖，由于孔隙中充填的介質(zhì)不同(油、氣、水)，引 起速度值的差異，必然在油、氣、水之間，以及與上下圍巖之間形成良好的分界面，使它們 具有較大的反射系數(shù)。 一般沉積巖的反射系數(shù)都在0.1以下，當(dāng)砂巖中含氣時，反射系數(shù)可達(dá)0.3，甚至更大。,表1.4-4為幾種常見巖石與頁巖分界面的反射系數(shù)。 由表可以看出 ：含氣和不含氣的砂巖，在速度上有很大的差異，

6、由此引起它們與頁巖分界面的反射系數(shù)差 異更大； 孔隙度只增加10%，速度值可以大大降低，反射系數(shù)顯得更為敏感。 這說明利用敏感的反射系數(shù)代替速度來預(yù)測油氣是可行的。,(二)密度的影響 巖石孔隙度的變化，意味著巖石的密度變化，孔隙度與巖石密度成反比關(guān)系。 即孔隙度增大 ，密度變小。 它們一般成線性關(guān)系，其經(jīng)驗關(guān)系為： 式中和分別表示巖石骨架和孔隙充填物的密度。,此外，根據(jù)大量 的資料對不同巖石總結(jié)出了不同的經(jīng)驗公式，對某些灰?guī)r和砂頁巖，速度和密度的關(guān)系可表示為： 式中：V的單位是km/s，的單位是g/cm。,通過對大量巖石樣品測試分析，發(fā)現(xiàn)縱波速度與巖石密度之間的關(guān)系，可用加德納公式表示 為：

7、式中：V 的單位m/s； 的單位是g/cm。 圖1.4-3是按公式(1.4-7)計算的速度 與密度的關(guān)系曲線。,（ 1.4-7）,由圖可以看出，這個公式對砂巖、泥巖、石灰?guī)r、白云巖等巖性比較適 用，對巖鹽、和硬石膏偏差大一些，不過地層中所含巖鹽和石膏厚度百分比不太大，加德納公式還是可以使用。 圖1.4-4給出了我國某探區(qū)地層的速度與密度和埋藏深度之間的關(guān)系 。 由圖可見，速度隨密度的增加而增大，速度隨地層埋藏深度的增大而增大。,(三) 速度與埋藏深度的關(guān)系 實際資料表明，在巖石性質(zhì)和地質(zhì)年代相同的情況下，地震波速隨巖石埋藏深度的增加而增加(見圖1.4-4)。 其主要原因是承受上覆地層壓力大，即

8、所謂壓實作用所致。 福斯特(Faust)根據(jù)大量的地震測井和電測井資料提出了一個計算地震波速度的經(jīng)驗公式,式中Z為深度；T為年代，單位是年，為系數(shù)； R 為電阻率，單位是m。 若長度單位都用米表示，式中則為46.5。 在沒有地震資料的地區(qū)根據(jù)此式可用電測井資料來換 算地震波速。,(四)速度與構(gòu)造歷史和地質(zhì)年代的關(guān)系 實際觀測資料表明，同樣深度、成份相似的巖石，地質(zhì)年代不同，波速也不同。 古老的巖石 比年輕的巖石速度高。 速度與構(gòu)造運動的關(guān)系，在不同地區(qū)有不同的表現(xiàn)。 在強烈褶皺區(qū)， 經(jīng)常觀測到速度的增大；而在隆起的頂部，則發(fā)現(xiàn)速度減低。,一般來說，地震波速度隨地質(zhì) 過程中的構(gòu)造作用力的增強而增

9、大。 根據(jù)實驗室對巖石樣品的分析發(fā)現(xiàn)，地震波速度與壓力 之間有一定關(guān)系，速度隨壓力的增加而增加。 此外，壓力的方向不同，地震波沿不同方向傳播的速度也不相同。,(五) 速度與溫度的關(guān)系 速度隨溫度的變化不很顯著，變化較微小。 溫度每升高100，速度約減小56%。如圖1.4-5所示。,(六) 沉積巖中速度的一般分布規(guī)律 1在沉積巖中速度的空間分布規(guī)律決定于沉積順序及巖性特點。 沉積巖的基本特點是成層分布。 根據(jù)形成沉積的各種條件，可以將整個地質(zhì)剖面分為若干地層，每一層波的傳播速度不同。 因此速度的成層分布就是沉積巖的基本特點，而這一特點正是使用地震勘查的有利前提。,2速度與深度和地質(zhì)年代有關(guān)，這個

10、關(guān)系基本上是平滑變化的。 所有因素的共同作用使速度具有方向性。即速度隨著深度的增加而加大。 速度垂直梯度是隨深度的增加而減小。 速度垂直梯度的存在是沉積巖速度剖面的又一特點。,3由于工區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與沉積巖相的變化，也會引起速度的水平方向變化。 一般來說，速度的水平梯度不大，但要求細(xì)致地處理和解釋資料時，也應(yīng)該注意到水平梯度的存在。 此外，構(gòu)造破壞(如斷層)可以引起速度的突變。 地層中的不整合及地層尖滅都會對速度的水平梯度有顯著的影響。,1.5 巖石的放射性,一、放射性元素在自然界中的分布 1巖石的放射性 巖石按成因可分為巖漿巖、沉積巖及變質(zhì)巖三大類。 變質(zhì)巖是由巖漿巖或沉積巖經(jīng)各種內(nèi)力 地質(zhì)作用

11、形成的，其物質(zhì)組分與變質(zhì)前的巖石直接相關(guān)，變質(zhì)巖的放射性主要取決于變質(zhì)前的巖石。,下面分別簡述巖漿巖和沉積巖的放射性。 (1)巖漿巖的放射性 巖漿巖主要分布于地殼深處，其體積占巖石總體積的95%。 巖漿中的礦物種類繁多，但主要礦物是以下10種：即石英占12%；長石占59%；角閃石及輝石占17%；云母占14%；橄欖石、霞 石、石榴石、磁鐵礦、磷灰石等共占8%，其余礦石加在一起也只占巖漿總量的1%。,巖漿巖的放射性有如下幾點規(guī)律： 巖漿巖所含的放射性元素零散而不均勻； 巖漿巖從酸性、中性、基性到超基性，其SiO的含量由大到小；顏色由淺到深；而放射性元素的含量由大到??； 巖漿巖所含的放射性元素主要是

12、：鈾、鐳、釷、鉀。 巖漿巖的放射性如表1.5-1。,(2)沉積巖的放射性 沉積巖本身不含有放射性元素，其放射性元素來自巖漿巖。 沉積巖是巖漿巖的機(jī)械和化學(xué)力 的綜合剝蝕、搬運、沉積而產(chǎn)生的，由于搬運和沉積的環(huán)境不同，使各種沉積巖的放射性元素的含量產(chǎn)生了差異。 沉積巖的放射性有如下幾點規(guī)律：, 沉積巖的放射性強度主要取決于泥質(zhì)含量(粘土含量) 其原因是，粘土顆粒細(xì)，具有較大的比面(比面的含義是每個顆粒的表面積之和)，使得在沉積過程中具有吸附放射性元素的能力大； 粘土沉積的時間長，有充分的時間與放射性元素接觸； 粘土沉積物中含有鉀礦物(如水云母、正長石等)。,隨有機(jī)物含量增加而增加，如瀝青質(zhì)泥巖的

13、放射性很高。 隨著鉀鹽和某些放射性礦物的增加而增加。 2水中鈾、鐳和氡的含量 天然水中所含放射性物質(zhì)非常少，通常含有鈾、鐳和氡，很少含釷和鉀。 表1.5-2中列出了各種水中含氡、鐳和鈾的一般情況。,水中的鐳含量一般只含有巖石中的千分之一，但在自然界中也有含鈾、鐳和氡較高的水。 這 主要與鈾的礦化有關(guān)，如流經(jīng)鈾礦床的鈾水、鈾鐳水等。 這些水可作為鈾礦床的找礦標(biāo)志。 ,1.6 巖石的熱學(xué)性質(zhì),一、溫度、溫度場、熱量與比熱 1溫度 物體的溫度是分子平均動能的標(biāo)志。 物體溫度升高，標(biāo)志著分子平均動能在增大； 物體溫度降低，標(biāo)志著分子平均動能在減小。,溫度的單位用水在一個大氣壓力下的冰點與沸點作基點 來

14、規(guī)定。 攝氏溫標(biāo)()規(guī)定水的冰點為0，沸點為100； 華氏溫標(biāo)(F)規(guī)定水的冰點為32 ，沸點為212； 絕對溫標(biāo)(K)規(guī)定水的冰點為273.16，沸點為373.16，故三者的 關(guān)系為：,2溫度場 某一瞬間溫度的空間分布稱為溫度場 一般情況下，溫度在介質(zhì)中的分布狀況是坐標(biāo)和時間的函數(shù)，即 （，）， 式中x、y、z為坐標(biāo)，t為時間。 場內(nèi)任何點的溫度不隨時間而變的稱為穩(wěn)定溫度場，這時溫度分布僅為空間坐標(biāo)的函數(shù)，即 ； （，），,如果溫度除取決 于該點的位置外，還與時間有關(guān)，為不穩(wěn)定溫度場。 此時，溫度的分布可表示為 （ ，)。 具有穩(wěn)定溫度場的熱傳導(dǎo)稱為穩(wěn)定熱傳導(dǎo). 一般情況下，當(dāng)t時， 不穩(wěn)定

15、溫度場漸趨于穩(wěn)定溫度場。,3熱量 熱是其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)換的一種形式，在一定條件下，熱也可以轉(zhuǎn)換為其它形式的能。 熱量就是兩個物體之間交換能量或者傳遞能量的一種形式 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，物體吸收的熱量(Q)等于物體所做的功(W)加上物體內(nèi)能的變化()，即 Q=W+,如果Q及用熱量單位(卡)表示，W用功的單位(焦耳)表示。 1卡熱量的定義為1克純水從14.5升到15.5所需的熱量近似地等于1平均卡. 按熱功當(dāng)量的意義4.186焦耳的功可能使物體增加的內(nèi)能恰好與1卡的熱量傳遞所增加的相同，故1卡=4.186焦耳。,4比熱 各種物體都有貯熱的能力，其大小以比熱來表示 比熱的定義為每克物質(zhì)溫度升高1所

16、需 要的熱量。 質(zhì)量為m克的物質(zhì)，當(dāng)溫度由1升至2時，需要吸收的總熱量為 Q=Cm( 2-1) 這里，C為比熱。,二、三種傳熱方式 1熱傳導(dǎo)傳熱 熱傳導(dǎo)屬于接觸傳熱，它永遠(yuǎn)和溫度分布不均勻相聯(lián)系在一起. 熱傳導(dǎo)的機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間，分子動能的相互傳遞，即動能較大(溫度較高)的分子， 把能量傳給鄰近動能較小(溫度較低)的分子。,此外，還依靠自由電子運動而傳遞能量，宏觀 地說：熱量從高溫部分傳給低溫部分，天然的純金屬(金、銀、銅、錫等)中，自由電子在熱 傳遞中起重要作用。 2對流傳熱 按對流運動發(fā)生的原因，可分為兩類：一類是自然對流，另一類是受迫對流。 由于流體被冷卻或

17、加熱造成各部分的密度差而引起的運動叫自然對流； 由于流體受外力的影響產(chǎn)生壓力差所引起的運動叫受迫對流。,對流流動速度除決定于受熱或受冷卻的強度外，還與流體性質(zhì)，空間大小有關(guān)。 一般來說，流體上下界面溫差大、熱膨脹系數(shù)高有助于熱對流 的產(chǎn)生，因為兩者均可增加熱區(qū)和冷區(qū)的密度差。 熱、冷面的間隔增加也有助于對流。 流體的粘滯度大則抑制對流。 高的熱導(dǎo)率也抑制對流，因為高熱導(dǎo)率的物質(zhì)由傳導(dǎo)方式傳熱更為有效，從而在某種意義上說，使對流變得不那么重要。,3輻射傳熱 一切物體只要其溫度高于絕對零度，就會從表面經(jīng)常地向外界放出能量。 物體的溫度愈高，放出的輻射能也愈多 輻射能的載體是電子激發(fā)所產(chǎn)生的電磁波，

18、所以熱輻射在真空中也能進(jìn)行。 每一物體都可以電磁波的形式輻射熱能。 ,輻射能在到達(dá)另一物體之前一直以高速穿過空間。 當(dāng)它打在物體表面時，輻射能部份被吸收(A)；部分被反射(R)； 部分則穿過該物體離去(T)。 于是： 式中：A吸收率；R反射率； T透射率。,三、巖石的熱學(xué)參數(shù)及其影響因素 1巖石與礦物的熱導(dǎo)率 根據(jù)付立葉定律 q=-k grad(W/m)， 當(dāng)流過某物質(zhì)的熱流(q)一定時，該物質(zhì)中 的溫度梯度與物質(zhì)的熱導(dǎo)率成反比，其物理意義為：沿?zé)醾鲗?dǎo)方向單位厚度巖石，兩側(cè)溫差 為1k，在單位時間內(nèi)所通過的熱流量。,巖石是由骨架顆粒與孔隙中的流體組成。 一般說來，巖石的骨架顆粒比孔隙中流體有較

19、高的熱導(dǎo)率。 液相比氣相具有較高的熱導(dǎo)率。 這一事實表明，物質(zhì)的熱導(dǎo)率是緊密地與巖石中礦 物成分與結(jié)構(gòu)等有關(guān)。 下面分析影響巖石熱導(dǎo)率變化的主要因素。,(1) 巖石熱導(dǎo)率與混入巖石中良導(dǎo)熱率礦物百分?jǐn)?shù)關(guān)系 巖石的熱導(dǎo)率隨含高熱導(dǎo)率礦物的增多而增高 表1.6-1是在200時巖石熱物性與礦物百分比的關(guān)系(孔隙率0.7-2.3%)。 隨著良導(dǎo)熱礦物含量百分比的增加，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率 相應(yīng)增加。,巖石的熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率還與巖石的結(jié)構(gòu)和礦物顆粒的大小有關(guān) 粗粒巖、中粗 粒巖與細(xì)粒巖相比，其熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率大，這是因為細(xì)粒巖中小的礦物粒子多，這些粒子間的接觸熱傳導(dǎo)性能差. 表1.6-2為不同顆粒熱參數(shù)值。

20、,(2)巖石熱導(dǎo)率與孔隙率和含水量的關(guān)系 孔隙率對巖石的熱物性參數(shù)有很大影響 一般孔隙率大的巖石熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率大大減小. 表1.6-3列出幾種相同礦物化學(xué)成分的巖石熱特性與孔隙率間的關(guān)系。,孔隙巖石熱導(dǎo)率一般隨孔隙率的增加而降低，并隨含水量的增加而增加， 其主要原因是由于空氣的熱導(dǎo)率值低，20時為6.14(4.18）)； 而水的熱導(dǎo)率 相對較高，20時為1.43(0.418W/mK)。 后者比前者大23倍。,一般致密而堅硬的巖石，含水量對熱導(dǎo)率的影響不大(少于5%); 疏松孔隙巖石含水量對熱導(dǎo)率有較大的影響，在非常松散的土壤中，熱導(dǎo)率隨含水量的增加而增加，一直到接近水的熱導(dǎo)率。 由于冰的熱導(dǎo)

21、率較高，所以凍土的熱導(dǎo)率與冰的百分含量的關(guān)系更為密切，,圖1.6- 3所示為砂質(zhì)頁巖隨含水量的增加，熱導(dǎo)率相對于干巖樣的變化情況. 第一組五塊巖樣，干 巖樣k值為4.7，當(dāng)含水量為5.7%，k值為6.5，即增加38%； 含水量達(dá)飽和狀態(tài)時 (12.5%)，k值增至7.9，增加了68%。 第二組十塊巖樣，干巖樣k平均值為6.1； 當(dāng)含水量增至4.6%時，k值為7.0%，增加14.7%； 含水量達(dá)飽和時(13.2%)，k值 為8.2，增加34%。,(3) 巖石熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 礦物的熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系密切。 圖1.6-4為幾種礦物熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。玻璃組織的礦 物(圖1.6-（)隨溫度上升熱導(dǎo)率

22、幾乎直線增加； 而結(jié)晶礦物(圖1.6-（）)， 隨著溫度升高熱導(dǎo)率值減小; 熱導(dǎo)率值減小的特性在200以下明顯，其后熱導(dǎo)率值一般成 線性的. 因此，在含結(jié)晶礦物多的巖石里，隨溫度上升熱導(dǎo)率值是降低的。,與巖石的其它物理性質(zhì)相比，例如電導(dǎo)率和磁化率，各類巖石熱導(dǎo)率的差異是較小的； 另一 方面，同類巖石熱導(dǎo)率變化則較大(圖1.6-5); 因而，很難用巖石的熱導(dǎo)率來區(qū)別巖石的種類。 ,2 比熱 比熱表示了巖石儲熱的能力。 在室溫條件下，不同種類巖石的比熱變化幅度不大，約為837.41(J/kg)，巖石的比熱隨溫度升高而增加，故地殼深部巖石的熱容比近地表處略大 。 由于水的比熱較大(15時水的比熱為4186.8J/kg)，隨著巖石含水量的增另，其比熱也有所增加。,巖石含水量對比熱的影響可用下式表示: 式中x為巖石干重，x為巖石的含水量。 ,3熱擴(kuò)散率 熱礦散率(a)表示溫度變化的速度。 在研究非穩(wěn)態(tài)場時需要了解巖石的熱擴(kuò)散率。 它是 一個綜合性的參數(shù)，反映巖石的熱慣性特性，表示巖石在加熱或冷卻時各部分溫度趨于一致 的