海洋地球物理探测2—地球物理方法的物质基础2

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四、地震波速度的野外测量
地震波速度的野外测量是指在露头上、坑道内、 或井中测量地震波穿过岩石的传播速度。
地震速度测井 声波速度测井 微测井和小折射测量低速带速度
所测速度类型:层速度和平均速度
1、层速度和平均速度
层速度:按照地层岩石物
性将地下介质分成若干个厚 度在几十米以上、相互平行 的地震层组成。把每一个地 震层看作是均匀介质,即波 的传播速度是常数,这时波 传播的速度就是层速度。
应力:单位横截面所产生的内聚力 F/S 称为应力。 应变:单位长度所产生的形变 l l
②杨氏模量与泊松比
杨氏模量E:线性弹性形变时,应力
与应变的比值: E
F
/
S
l / l
泊松比:介质的横向应变与纵向应
变的比值:
d / d
l / l
线性弹性 形变区
柱状样品拉伸试验中的应力与应变
③体变模量和切变模量
在两个接收器位置,其传 播时间分别为:
单发双收声系统示意图
AB BC CE
t1
V1
V2
V1
Байду номын сангаас
AB BCD DF
t2 V1
V2
V1
CD t t2 t1 V2
单位是:m / s
层速度(若两个接收器之间距离为1m):
V 1 t 106(m / s)
平均速度(若两个接收器之间距离为1m):
岩石类型
沉积岩 花岗岩 玄武岩 变质岩
地震波速度(m/s)
1500-6000 4500-6500 4500-8000 3500-6500
火成岩的速度大于沉积岩和变质岩,且速度变化范围小; 变质岩速度变化范围较大; 沉积岩速度较小,但因其结构复杂,影响因素多,速度的变化 范围最大。
三、影响速度的主要因素
阻值。岩石的电阻率越小,它的导电性越好,岩石的电阻率越大,其导电
性越差。
根据物理学定义,均匀介质中直流电路的电阻(R)和介质的 长度(L)成正比,和电流通过的横截面积(S)成反比:
R L
S
RS
L
介质的电阻率:单位面积,单位长度介质的电阻;
电导率:电阻率的倒数称为电导率;介质的电阻率越低或电导
率越大,其导电性越好;反之,其导电性越差。
----在强烈褶皱区,通常速度增大; ----在隆起的顶部,速度减低。 ----根据实验室对岩石样品的分析发现,地震波速度与压力之间有 一定关系,速度随压力的增加而增加。压力的方向不同,地震波沿不同 方向传播的速度也不相同。
5、速度与温度的关系
速度随温度的变化不显著,变化较微小。温度每升 高100℃,速度减小5%~6%。
互相垂直时的两个系数 和 ,其关系为:
K2
3
决定各向同性均匀介质弹性性质的参数有:E、 、K、 、
抗形变的能力,其数值越大,介质越难以产生形变。
2、地震波在岩层中的传播速度
在弹性力学中,岩石介质的弹性常数与在其中传播的 地震波速度之间的关系是:
vp
2
E(1 ) (1 )(1 2 )
t H dz 0 V(z)
O
h1
V1
h2
V V2
h3
V3
hn
Vn
平均速度示意图
2、野外测定层速度和平均速度的方法
1 地震速度测井
在深井完钻后,利用测井绞车及 仪器将耐高温高压且绝缘程度很好的 测井检波器沉放于井中。
在靠近井口的地表激发,每激发 一次,地震检波器向上提拉一次,提 拉的距离一般是几米或几十米。
E
vs
2(1 )
拉梅常数; 泊松比; 剪切模量; K 体积模量;
E 杨式模量;
已知弹性模量和密度,可求出纵、横波速度;反过来,已知纵、横 波速度也可求出各种弹性模量。这也是由地震资料进行地下岩性反演的依据。
参数
符号
公式
单位
纵波速度
vp
vp
2
E(1 ) (1 )(1 2 )
m/s
密度(g/cm3)
地震波速度与密度关系曲线
2、速度与孔隙度及孔隙填充物的性质的关系
一切固体岩石从结构上说基本上由两部分组成,即矿物颗 粒本身(称岩石骨架)与孔隙(由各种气体或液体等构成的孔隙 介质)。
波在这种岩石中传播时,相当于在岩石骨架和孔隙两种介质 中传播。波在气体或液体中的传播速度低于它在岩石骨架中的传 播速度。
井中观测时间
Z t
地震速度测井结果图示 测点间距较大,不能对地层进行细致划分,得不到详细层速度;
2 声波速度测井
采取连续测井方法,可获得连续变化的速度剖面。
声波测井仪示意图
井中测井仪由超声波脉冲 发生器和一对接收器构成,两 个接收器相距0.5-1m。
从井底向上连续提拉测井 仪,发射器发射的超声波经过 泥浆以临界角入射到井壁,并 沿井壁地层滑行,再以临界角 穿过泥浆传到接收器。
Pa
剪切模量
vs 2
E 2(1
)
Pa
地震波速度与岩石的弹性性质相关,也是反映岩石物理性质的重要参数。
二、地震波传播速度的变化范围
实际岩层不是由同一种岩石组成,沉积岩也有不同的沉积环境和 年代,导致岩石的密度、孔隙度及填充物有很大变化。因此,各类岩 石的速度值都在一定范围内变化,几种主要岩石的波速值如下:
H
TH 0 t(H )dH
H
H
V TH
H
t(H )dH
0
第二章 地球物理方法的物质基础
§2.1 :岩(矿)石的密度 §2.2 :岩(矿)石的磁性 §2.3 :岩(矿)石层的地震波速度 §2.4 :岩(矿)石的电学性质
2.4 岩(矿)石的电阻率
电法勘探是根据地壳中不同岩层之间,岩石和矿石之间 存在的电磁性质差异,通过观测天然存在的或由人工建立的 电场、电磁场分布来研究地质构造、寻找有用矿产资源,解 决工程、环境、灾害等地质问题的一类地球物理勘探方法。 它所利用的主要物性有:导电性,介电性,导磁性,激发极 化性,自然极化性以及压电性和震电性等。
纵波速度(km/s) 横波速度(km/s)
27 44
25 42
40 0
100
200
温度(℃)
纵波速度与温度的关系
23
0
100
200
温度(℃)
横波速度与温度的关系
6、沉积岩中速度的一般分布规律
(1)沉积岩的速度成层分布:
沉积岩中岩层沉积顺序及岩 性特点决定了速度的空间分布规 律。
沉积岩的基本特点是成层分 布。根据形成沉积的各种条件, 可以将整个地质剖面分成若干层, 每一层波的传播速度不同。这一 特点正是使用地震勘探的有力前 提。
地震波速度既与岩石的弹性性质相关,又是反映岩石物理 性质的重要参数,因而它是地震法中最重要的参数。
一、岩石的弹性性质与地震波的传播速度 二、地震波传播速度的变化范围 三、影响速度的主要因素 四、地震波速度的野外测定
地震波在岩层中传播的速度值取决于岩层的弹性常数和密度。
1、岩石弹性性质的描述参数
①应力与应变
描述速度与孔隙度关系的时间平均方程(1956年威利):
1 1
V
Vm
V1
孔隙度 岩石的速度 岩石骨架速度 孔隙介质速度
速度(m/s)
7000 6000 5000
Vm=5950m/s Vm=7050m/s V1=1500m/s
氧化硅 石灰岩 水
4000
3000
2000
1000 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
一、表征岩石导电性的物理量 二、矿物和孔隙水的电阻率 三、岩(矿)石的电阻率 四、影响岩(矿)石电阻率的主要因素 五、海水、沉积物和岩石的电阻率 六、电阻率的野外测量
一、表征岩(矿)石的导电性的物理量
表征地下岩、矿石导电性好坏的参数是电阻率或电导率。 电阻率:电流通过每边长度为1m的立方体均匀物质时所遇到的电
地面上利用地震记录仪器记录每 次激发相应检波点所观测到的直达波, 读取波的初至时间及观测深度。
计算平均速度和层速度。
地震速度测井示意图
井源距
地震速度测井示意图
计算公式:
VZ t
Vk
Zk tk
但井中检波器观测的直达 波传播时间并非垂直时间,需 要将观测时间转换为垂直时间t:
Z t t g ( Z 2 d 2 )1 2
速度与孔隙充填物性质的关系
3、速度与埋藏深度的关系
实际资料表明:在岩石性质和地 质年代相同的情况下,由于岩石所受 压力通常与埋藏深度成正比,即埋藏 深度越大,岩石所受压力越大。因此, 地震波速度随岩石埋藏深度的增加而 增加。
福斯特提出了由地震测井和电测 井资料计算地震波速度的经验公式:
1
1
v (ZT ) 6 2 10 3 (ZR ) 6
1
0.31 vp 4
:g/cm3; v p :m/s;
这个公式对砂岩、泥岩、石灰 岩、白云岩等比较适用,对岩盐和
硬石膏偏差大一些。一般而言,速 度随密度增大而增高。
速度(m/s)
7000
硬石膏
6000
岩盐
5000
4000
石灰岩
白云岩
3000
纯泥岩
纯砂岩
2000
经验公式
1000
2.0
2.5
3.0
第二章 地球物理方法的物质基础
§2.1 :岩(矿)石的密度 §2.2 :岩(矿)石的磁性 §2.3 :岩(矿)石层的地震波速度 §2.4 :岩(矿)石的电学性质
2.3 岩(矿)石层的地震波速度
地震法是以研究地震波在岩层中的传播规律为基础的。岩 石的弹性性质不同,地震波在其中的传播情况也就不同,地震 法就是利用这种关系来研究地下地质构造。
主要针对沉积岩来分析影响速度的各种因素。许多学者对大 量的岩石标本进行了实验室测定和分析,对大量的测井曲线进行 了分析,认为主要影响因素如下:
1、孔隙度及孔隙填充物性质; 2、密度; 3、埋藏深度; 4、构造历史和地质年代; 5、温度;
1、速度与密度的关系
通过大量岩石样品测试分析, 发现纵波速度与岩石密度之间的关 系,可用加德纳公式表示:
Z :深度;T:年代; R:电阻率; :系数;
各时代地层埋藏深度 与层速度及体积密度关系图
4、速度与构造历史和地质年代的关系
与地质年代的关系:实测观测资料表明,同样深度、成
分相似的岩石,地质年代不同,波速也不同。老岩石较新岩石速 度高。
与构造运动的关系:在不同地区有不同的表现。一般而
言,地震波速度随地质过程中的构造作用力的增强而增大。
根据弹性力学的理论,任何复杂的形变均可分为体积形变与 形状形变两种简单的形变类型。
立方体单元受力后的形变
K P V V
F / S ( F / S )
l l
体变模量(压缩模量)K:发生体积形变时应力与应变的比值。
切变模量(刚性模量) :发生形状形变时应力与应变的比值。
④拉梅系数
在弹性力学中,采用三维直角坐标系来描述受力物体的应变 与应力情况。按照胡克定律,应力与应变之间存在线性关系,可 写出若干个线性方程组。对应若干个(36)弹性系数。对于各向 同性的均匀介质而言,这些系数可归结为应力与应变方向一致和
层速度与地层剖面图
(2)沉积岩速度剖面存在速度垂直梯度:
速度与深度和地质年代有关,这个关系基本上是平滑变化的。 所有因素的共同作用使速度具有方向性。即速度随着深度的增加而 增大。速度垂直梯度随深度的增加而减小。
(3)由于地质构造与沉积 岩相的变化,也会引起速度 的水平方向变化。一般来说,
速度的水平梯度不大,但要求 细致地处理和解释资料时,也 应该注意到水平梯度的存在。
Vi
H t
O
h1
V1
h2
V2
h3
V3
hn
Vn
层速度示意图
平均速度:在水平层状介质中,垂直层理的射线段长度与
该长度内波传播时间的比值。它是从地面到某一层底的全 部介质中波垂向传播速度的平均值。
V h1 h2 hn
h1 h2 hn
V1 V2
Vn
n
hi
i1 n ti i 1
HH V
地震波的传播速度与孔隙度成反比,对于同种岩石,孔隙度大,速度低。
速度与孔隙介质性质的关系
实验测定证明:
当孔隙中的水被液态的氢 氧化合物所代替且达到饱和时, 速度可降低15%~20%;
孔隙中被气态氢化物充填 时,速度值会大大降低;
孔隙度(%)
40 35 30 25 20 15 10
5
0 2400 2800 3200 3600 4000 速度(m/s)
孔隙度
时间平均方程曲线
地震波的传播速度与孔隙度成反比,对于同种岩石,孔隙度大, 速度低。
孔隙度与密度、密度与速度的关系:分析速度与孔隙度的关系
ρ(g/cm3)
石灰岩
2.5
砂岩
2.0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
孔隙度与密度关系曲线
孔隙度与密度成反比关系,孔隙度变大,密度减小; 速度与密度成正比关系,随密度增大而增高;
横波速度
vs
纵、横波速度比 vp
vs
vs
E 2(1 )
vp 2 2(1 )
vs
1 2
m/s
杨氏模量
E
泊松比
E
vs2 (3vp2 4vs2 ) 2v p 2 vs 2
vp2 2vs2 2(vp2 vs2 )
Pa
体积模量
K
K
(v p 2
4 3
vs2 )
Pa
拉梅常数
(vp2 2vs2 )
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