裂隙中地震波运动和传播规律

裂隙中地震波的运动和传播规律摘要:地震各向异性的研究是目前理论地震学和勘探地震学的热点，同时也是散射波传播理论研究的热点。该理论的研究对工程检测和桩基动力学研究都具有重要的意义。本文首先简单介绍了各向异性研究中具有重要作用的裂隙理论，然后具体分析了裂隙的地震波运动学和动力学特征。接下来从散射理论和各向异性理论出发，分析了扩容各向异性介质中平行排列裂隙的波传播特征。

关键词：地震各向异性，裂隙，地震波传播,eda介质

一裂隙理论

裂隙是跟油气资源关系比较密切的各向异性。定向裂隙的描述特征有四个要素：①走向，即裂隙发育的方向；②密度，即裂隙发育的程度，通常定义为单位体积内的裂隙的条数；③倾角，即裂隙面的倾角；④倾向，即裂隙面的倾向。要研究裂隙的各向异性与油藏的关系，必然涉及到两个基本问题：一是裂隙介质的波长模拟与分析，包括物理模拟和数值模拟；二是在各向异性理论基础和物理模型观测基础上形成的各种裂隙检测的方法技术。

在各向异性介质中地震波的数值模拟方面，基于波动方程的数值解法有有限差分法、有限元方法、边界元方法、伪谱法、近似解析法、反射率法和多项式展开法等。基于射线理论的数值解法有波前扩散、最短路径方法和程函方程等。数值模拟为认识各向异性介质中地震体波和面波的传播规律，解释多分量和地震资料提供了有力的工具。

二裂隙的地震波运动学与动力学

⑴裂隙发育带地震波传播速度下降。地震波是一种弹性波，其传播速度主要与岩层物理性质有关，如岩石的成分、密度、埋藏深度、经历的地质年代、孔隙度等。在裂隙性油气藏中，目的层段的岩性、密度、埋藏深度、地质年代等基本是一致的，储集层内引起地震波速度下降的一个主要原因就是裂隙的发育和孔隙流体的存在。在大多数沉积岩中，计算地层地震波传播速度的一个简单公式为:

①式中，表示地震波在岩石中的实际传播速度，表示地震波在孔隙流体中及在岩石基质中的传播速度，表示岩石的孔隙度，是个小数。由图1可见，当地层含水饱和度为100%，且孔隙度由0增加到10%时，灰岩纵波速度由8 km/s下降到5km/s，砂岩纵波速度由4.3 km/s下降到3.8km/s左右。

图1.纵波速度与孔隙关系图

②式中表示地震波在反射界面上、下两种介质中的振幅；表示反射系数；为两种介质的密度；表示两种介质中地震波的传播速度。从上式可以看出，反射波的振幅与两种介质的波阻抗之差呈正比关系。在致密岩层内部，由于物性差异小，反射振幅一般很低；当岩层中发育裂隙时，由于波阻抗降低，岩石块体与裂隙体系之间波阻抗差增加，故反射能量增强，反射振幅明显变大。所以，致密岩层中振幅突然增大是存在裂隙的直观显示。依据上述原理，在三维地

震数据体中，通过各向切片拾取振幅信息，确定其平面分布，便可依据振幅高值分布区划分出裂隙发育带。

⑵裂隙发育带地震波频率降低。地震波在致密岩石中传播时，波长是一定的，由于其传播速度大，故频率很高。如果地层中发育裂隙，地震波速度降低，频率会明显下降。裂隙越发育，尤其是当裂隙中充满天然气时，频率降低得越多。据研究，致密泥岩中如果大量发育裂隙，其频率最多可降低15%。因此，瞬时频率剖面是识别裂隙的有用资料。瞬时频率是反射波旅行时间的函数，在裂隙发育带，地震波的瞬时频率往往向低频移动。在致密岩层中，瞬时频率横向上的突变或渐变是存在裂隙、油气最明显的标志。

⑶裂隙发育带地震波振幅增大，能量显著增强。影响地震波振幅的因素很多，但在具体研究的目的层段中，由于其激发条件、接收条件、各种噪声的干扰以及吸收衰减等因素都基本相似，故在致密层内部引起振幅明显变化的主要原因是存在裂隙。从弹性波理论知道，当纵波入射到波阻抗存在差异的两种介质分界面上时，会发生反射，反射波振幅与反射系数成正比：

三扩容各向异性

裂隙研究的基础应是各向异性理论。所谓各向异性一般是指介质弹性参数随方向而异的特性。地震各向异性是指地震波在介质中传播时由于方向或偏振的变化而引起物理性质所对应的地球物理参数的变化，如速度、振幅、频率等。从20世纪50年代开始，许多地球物理学者对地震波在各向异性介质中的传播情况进行了大

量的研究，认为地壳上部的大多数岩石都表现出各向异性的特征。从地球介质的地质结构上分析，各向异性主要是岩石结构中顺序不均匀性的产物。在地壳中普遍存在着由构造应力或其它原因引发的裂隙使得岩石表现出的各向异性，通常称之为eda各向异性。通过研究地震各向异性可以了解裂隙的发育情况和应力场的分布。

eda裂隙的典型尺度，在变质岩和火成岩中可能只有几个微米或亚微米，在沉积层中只有几毫米或亚毫米，在破裂床上可达几米。在地壳上半部分的流体通常是液态水，但在碳氢化合物矿储中将是气—水或油—水混合物。在下地壳的高温高压下，水将具有非常低的纵波速度的超临界特性。这种超临界流体的影响在俄勒冈的胡德山下的高热流体区的波的方位特性中己被认识到。

对在地壳岩层中到处存在着充液裂隙及微裂隙的现象，我们并不感到吃惊。沉积岩在沉积后重新得到水，通过直接的弹性打开和闭合及由通过像亚临界裂隙生长这样的过程，板块构造长时间承压和持续作用的方向力可能导致孔腔中形成—些优势的平行裂隙。与在变质过程中的脱水过程相似，水从完整岩层的晶粒中释放的唯一途径是微裂隙，这些微裂隙是通过水压致裂形成的。这样我们就必须期望大部分地壳岩石中存在着平行于应力方向的充液微裂隙分布，这己被波分裂的广泛出现所证实。

大裂隙可能都会留下永久的残迹，但是我们现在对地壳中微裂隙的了解很大程度上是推断的。场地岩体的裂隙实际上是不能直接测到的。表1列出19种影响地壳中的裂隙特性的因素，其与地壳

中微裂隙作用的时间尺度从瞬时的弹性反应变化到可能长达几百万年的一些物理和化学变化。由于影响裂隙的19种因素中没有几个可在试验室内重新产生，因此原始的裂隙几何形状就几乎不能重新获得。

对穿过遥远岩体的波进行解释可能是检验场地裂隙几何形状的唯一方法。大裂隙特别是那些存在流体的地方，将留下能被鉴别的残迹。但是，有人认为许多eda裂隙的等效各向异性是分布于地壳中大部分完整岩体中的微裂隙或平行排列孔腔造成的。

外部条件动力学条件

1. 岩石静应力11. 应变速率

2. 岩石偏应力12. 裂隙合拢速率

3. 温度13. 裂隙扩展速率

4. 岩石特性

内部条件裂隙参数

5. 充液孔腔压力14. 方位

6. 充液孔腔压缩率 15. 维数

7. 充液孔腔粘滞度 16. 纵横比

8. 裂隙中的岩屑17. 分布

9. 充液孔腔中的气/液比18. 裂隙表面的变化度

10. 充液孔腔在高温高压下的特性19. 相关性（绝缘程度）

表1.控制裂缝特性的条件

四平行排列裂缝中波传播的特征