影响地震波速度的因素

Answer 1

影响地震波速度的因素很多，主要有岩土介质的密度、介质的孔隙度和充填物性质、地质的埋深和地质年代。

（一）岩土介质的密度

一般情况下，岩土越致密，波速越高，速度v与岩石密度的关系，满足以下方程：

环境与工程地球物理勘探

对于大多数沉积岩石而言，a=0.31，n=0.25。显然，该参数对于浅层松散的岩土介质是不适应的，苏联曾有人研究了浅层松散岩土介质的速度v_P与密度ρ之间的关系，得出了较有意义的结果，详见图3-7，该图所描述的岩性以及关系的数学模型等结果见表3-7。由表可见，由于不同性质、不同时代的松散岩土介质所对应的a、n参数相差较大，故浅层松散介质的密度变化较大，从而使得速度的变化率也较大。

图3-7 松散土纵波速度v_P与密度ρ的关系

表3-7 各种土中密度ρ与纵波速度v_P的关系

（二）岩土介质的孔隙度

大部分岩土介质是由呈颗粒状的各种矿物组成的，这种岩土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土其孔隙度相对大些，如砂岩；而细粒结构的岩土的孔隙相对小些，如灰岩。因此，一切固体岩土介质从结构上说，基本上由两部分组成，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（双相介质）。显然地震波在这种结构的岩土中传播时，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，即同样岩性的岩土介质，当孔隙度大时，其速度值相对变小。1956年威利（Wylie）等人提出了一个较简便地计算速度与孔隙度之间关系的公式，称为时间平均方程（图3-8）：

环境与工程地球物理勘探

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。

根据该公式绘出了某些岩石的理论关系曲线。综合这些研究后认为，当孔隙度由3%提高到30%，速度变化可达90%，这说明孔隙度是影响速度的重要因素。

显然孔隙度的变化意味着岩石密度变化，孔隙度变大，密度相对减小。可见速度的变化实际上随岩石密度的增大而增大。

孔隙度与密度一般呈线性关系，它们之间有如下的经验关系式：

P=ρ₁φ+（1-φ）ρ_m（3-12）

式中ρ_m和ρ₁分别表示岩石骨架和充填物的密度。图3-9表示孔隙度与密度之间的关系。

图3-8 时间平均方程曲线

图3-9 孔隙度与密度关系曲线

表3-8给出了部分实际岩土介质的φ、ρ和v_P参考值，可明显看出三者之间的变化关系。

表3-8 岩土介质φ、ρ和v_P参数表

（三）地层埋深和地质年代

一般情况下岩石埋藏得越深，反映它们的年代越老，承受上覆地层压力的时间长、强度大，这就是所谓的压实作用。因此，同样岩性的岩石，波在埋藏深、时代老的岩石中的传播速度要比在埋藏浅、时代新的岩石中的波传播速度大。福斯特（Faust）对大量的地震测井和电测井资料进行估算后，提出如下经验关系式：

环境与工程地球物理勘探

式中：z为深度；T为地质年代（单位：年）；a为系数，若上式中深度用米表示，则a=46.5；R为地层的电阻率。

加斯曼（Gassman）1951年给出了速度和深度、孔隙度之间的经验公式为

环境与工程地球物理勘探

式中：v₀为z=0时的速度值；z小于或等于300m；φ为孔隙度。

图3-10给出了v₀=1400m/s、不同岩石孔隙度时，速度和深度的关系曲线，当埋藏深度大于0.7km后，速度随深度大致呈线性增加。

图3-10 速度与深度关系