地震波速度及地震地质条件

影响地震波速度的主要因素有哪些~

影响地震波在岩层中传播速度的地质因素有很多，主要有：
岩石本身的弹性性质：包括杨氏弹性模量、拉梅常数、泊松比、体变模量等。这些因素与岩石的成分和岩石形成时经历的热力作用、压实作用程度相关。
岩石的岩性：岩浆岩、沉积岩和变质岩当中地震波波速不同，主要与岩性有关，而这一因素根本上是与成岩环境相关的，一般来说，岩浆岩当中的地震波波速较高，深变质岩中地震波波速也较大。
岩石的密度：岩石的密度主要与岩石所经历的压缩作用有关，密度大的岩石波阻抗一般比较大，其中的地震波波速一般较高。
岩石的埋藏深度：岩石埋深增大，压缩比较强烈（对于沉积岩来说，埋深增大则压实作用增强），波速也增大。浅部的岩石随着埋深增大，地震波速度梯度增大，但是深部的岩石则没有那么大的地震波速度梯度。
岩石的构造历史与地质年代：岩石的构造历史对岩石中地震波传播是有影响的，强烈褶皱的地区，岩石中的地震波速度增大，构造抬升而遭到风化破碎的岩石，地震波速度较小。地质年代老的岩石一般具有比年轻岩石更大的地震波速度。
岩石的孔隙度、流体速度和流体饱和度：由威里时间公式可以知道，岩石孔隙度越大，密度越小，波速变小，岩石当中流体速度增大，地震波速度增大，岩石当中的流体饱和度越大，剪切波的速度越小。
压力：上覆岩层压力增大，孔隙压力不变，地震波增加，孔隙压力增加而上覆岩层压力不变，则地震波速度减小。
岩石的结构：岩石的胶结程度越高，通常地震波速度越大。岩石越疏松，孔隙度越高，波速越小。
其他因素还有温度和地震波频率等。

地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。
纵波是推进波：在地壳中传播速度为5．5~7千米/秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。
横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。
面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

简介：
　　地震波是指从震源产生向四周辐射的弹性波。按传播方式可分为纵波（P波）、横波（S波）（纵波和横波均属于体波）和面波（L波）三种类型。地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。

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；v_m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：ρ_m是岩石骨架密度；ρ_l是岩石充填物密度。该式仍说明ρ_m和ρ_l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：S_n是含水饱和度，ρ_n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 v_P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v_P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。

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北仑区13729939972： 地震波速 - ？
只冒顺峰：[答案] 地震波速就是地震波在岩石中传播的速度,通常与岩石类型、围限压力、岩石结构以及其他地质因素有关. 横波P波,速度vP =√(k+3/4μ)/ρ.花岗岩:vP=5.5千米/秒; 水:vP=1.5千米/秒.纵波S波,速度vS=√μ/ρ.花岗岩:vS=3.0千米/秒; 水:vS=...

北仑区13729939972： 影响地震波在岩层中传播速度的地质因素有哪些 - ？
只冒顺峰： 影响地震波在岩层中传播速度的地质因素有很多,主要有: 岩石本身的弹性性质:包括杨氏弹性模量、拉梅常数、泊松比、体变模量等.这些因素与岩石的成分和岩石形成时经历的热力作用、压实作用程度相关. 岩石的岩性:岩浆岩、沉积岩...

北仑区13729939972： 影响地震波在岩层中传播速度的地质因素有哪些?研究这些地质因素有什么意义? - ？
只冒顺峰：[答案] 面波我们不讨论.只说纵波和横波.如果假设是各向同性的介质,纵横波的波速由两个最基本的物理性质决定:密度和弹性模量(体积模量和剪切模量).密度不用说,体积模量是物体受均匀压力压缩之后其单位体积的体积变化作为...

北仑区13729939972： 地震的横波和纵波传播速度多少 - ？
只冒顺峰： 地震波分为纵波、横波、面波等. 纵波传播速度约5~6km/s.在震中区,人们对纵波的感觉是上下颠动. 横波的传播速度约为3~5km/s.在震中区,人们对横波的感觉是有后左右晃动.因横波速度比纵波速度小,故横波跟在纵波后面.

北仑区13729939972： 地震波的传播是怎样的 - ？
只冒顺峰： 地震波按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波. 1、纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱. 2、横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3.2~4.0千米/秒,第二个到...

北仑区13729939972： 地震波速度是多少 - ？
只冒顺峰： 莫霍面,地壳同地幔间的分界面.在该界面附近,纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右;横波的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s.第二道题出的不好,应该说清楚波是从地幔传向地壳还是地壳传向地幔

北仑区13729939972： 地震波分为横波和纵波,地震发生时,会出现哪种波呢? - ？
只冒顺峰： 地震发生时,首先是从震源 P波(纵波)跟S波(横波)2个地震波发生.P波在地壳的浅层以毎秒约6km的速度, S波以毎秒3.5km的速度传播. 因为P波跟S波传播的速度不同、首先会感觉到(P波)的小小的晃动、然后是大的晃动(S波)开始.离震源越远这个间隔就越长.另外震源比较浅的地震、在地表传播的叫表面波.大的摇晃会跟在S波后面出现.

北仑区13729939972： 地震波中的纵波速度大概是多少km/s - ？
只冒顺峰： 地震纵波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,最先到达震中,又称P波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱. 由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波.

北仑区13729939972： 地震时地面有什么 - ？
只冒顺峰：[答案] 地震就是地球表层的快速振动,在古代又称为地动.它就象刮风、下雨、闪电、山崩、火山爆发一样,是地球上经常发生的一种自然现象. 引起地球表层振动的原因很多,根据地震的成因,可以把地震分为以下几种: 1.构造地震 由于地下深处岩层...

北仑区13729939972： 地震波的速度地震波横波(S)和纵波(P)的传播速度在莫霍面处发生的显著变化是 AA.S波、P波都明显增加 B.S波、P波都明显下降C.S波完全消失,P波... - ？
只冒顺峰：[答案] 莫霍面,地壳同地幔间的分界面.在该界面附近,纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右;横波的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s. 第二道题出的不好,应该说清楚波是从地幔传向地壳还是地壳传向地幔