第五章 地震波速度

第一节 影响地震速度的主要因素
大量理论研究、实验室研究和实际资料都证明，地震波的传 播速度与地下岩石的性质，如岩石的弹性常数、岩石的成分、 密度、埋藏深度、孔隙度、地质年代、含流体性质以及温度等 因素息息相关。
第一节 影响地震速度的主要因素
（1）弹性常数
E 1- 2 K 4 / 3 p 1 1 2
Kf Kd K K r K K r K d ( K r K f )
流体饱和的孔隙岩石的体积模量（K） 与干燥岩石体积模量（Kd）、岩石中 矿物的体积模量（Kr）、流体本身的 体积模量（Kf）、岩石孔隙度Ф
----Biot-Gassmann 理论
有了饱含流体的体积模量和密度，就可以求出纵波和横波的速度。
E s源自文库 2 1
2(1 ) 2 2 Vs 1 2 k (V p 4 / 3Vs ) Vp
它们分别表示纵波和横波在介质中的传播速度，可知弹性波 在均匀各向同性介质中的传播速度是由介质的弹性常数和密度 决定的。如果能求得岩石的地震纵波和横波速度以及密度就可 以得到弹性常数k和μ。
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（3）密度 几乎各种岩石的波速都随密度增大而 增大。 最著名的速度与密度的经验关系式是 由加德纳（Gardner）总结美国多个 地区多种岩石（岩石饱和盐水，最大 深度约7400米）得到的：
盐
岩
硬石膏
石灰
岩
白 云岩
0.31v 0.25 p
纯泥岩
密度（g / cm3）；v p 纵波速度（m / s）
p Castagna（1985）泥岩线公式为：
1.360 1.16 s
Smith（1987）趋势线公式： p 0.790 1.425 s
p 0.937 1.35 s 甘利灯（1990）趋势线公式：
李庆忠（1992）趋势线公式：
p 0.0874 s2 0.994 s 1.250
c=1.963， Vp=3.5~6.4km/s c=1.242， Vp=4.5~7.1km/s
硬石膏：a=-0.0203,
b=0.321,
c=1.732， Vp=4.6~7.4km/s
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Brocher（2005）根据大量的岩芯、测井和VSP资料建立了新 的纵波速度与密度的经验公式：
孔隙度0－30％的砂岩比较 符合Wyllie时间平均方程
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（7）孔隙流体 不同的流体，其密度和体积模量不同。如：石油速度为10701320m/s，水的速度为1483m/s，甲烷的速度为430m/s。对于孔隙 度相同的储集层，当其孔隙空间所含流体性质不同时，其速度和 体积模量是不同的。 实验结果表明：孔隙度相同的砂岩，其含水时的速度高于含油 时的速度，而且砂岩的孔隙度越大，砂岩骨架的速度越高，则孔 隙度相同的含水砂岩和含油砂岩的速度差异越明显。
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（9）频率和温度
速度随频率的变化而变化称为频散。频散现象会扭曲波的峰、 谷在传播方向上的形状。 （1）在地震勘探的频带范围内，纵波和横波频散非常弱。 （2）面波在近地表速度层显示出很强的频散。面波的频散现象 在工程地震勘探中有很好的应用。 （3）已经发现稠油速度随频率升高而增高的现象。
沉积岩：１５００～６０００ 花岗岩：４５００～６５００ 玄武岩：４５００～８０００ 变质岩：３５００～６５００ 在单独利用地震纵波速度无法 区分岩性的情况下，人们提出 了利用纵波和横波速度之比 （VP/VS）与泊松比关系图 （也称交汇图）、VP/VS与 VP交汇图、AVO（振幅随炮 检波距变化）分析等新的方法 来区分不同的岩性。
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固结砂岩中流体饱和度对P波速度的影响 ⑴饱含液体时比饱含气体时P波速度要高； ⑵P波速度随含水饱和度的变化是非线性的； ⑶当原先充满液体的孔隙空间变成含有少量气体时，P波速度 明显降低； ⑷深度增大时，P波速度随含水饱和度变化的幅度变小； ⑸横波速度几乎不受含水饱和度的影响。
经
验
公
式
纯砂
岩
第一节 影响地震速度的主要因素
在实际工作中不能生搬硬套加德纳公式，要建立勘探区域的速 度与密度的经验关系。 1993年Castagna通过大量的实验室数据和测井、地震数据分 别对不同的岩性，如泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩和硬石膏给 出了速度与密度的经验关系方程:
aV bVp c
offset
time
a.无频散的地震记录 b.有频散的地震记录
不同温度条件下稠油速度随 频率的变化情况
第一节 影响地震速度的主要因素
（1）以前的研究认为速度随温度有轻微变化每升高100℃，速度降低 5~6％。 （2）对稠油勘探开发的不断深入，下图是稠油速度随温度升高的变 化情况： a.在温度低于摄氏70度以下时，稠油的速度与温度之间是非 线性关系； b.温度大于70度是线性关系； c.温度升高稠油的速度降低 大约25％，降低的幅度较轻质油要大很多，这也是地震能够指导稠油 热采的理论根据之一。
3 5 1.6612Vp 0.4731 Vp2 0.0671 Vp 0.0043Vp4 0.000106Vp
其中VP 的单位是ft/s、ρ的单位是g/cm3，Vp=1.5~8.5km/s。 该公式适用深度范围较大，在石油地震勘探中仅仅只能作为参 考。 石油地震勘探中一定要建立适合本地区本地层的深度范围的 地震速度与密度的经验关系。
剖面中显示：由于含气砂岩具有低泊松比，所以气藏顶部位一个 负的反射(泊松比σ减小) 以及在气藏底部为一个正的反射(泊松比 σ增加)。
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（2）岩性 造岩矿物成分不同的岩石，由于造岩矿物的密度、体积模量、 剪切模量的不同，又由于造岩矿物是组成岩石的主要成分，因 此是影响岩石弹性性质的主要因素。
地震勘探中，要针对目的层统计出不同岩性（甚至含流体）地 震波速度随深度的变化关系曲线，为岩性解释提供基础资料。
第一节 影响地震速度的主要因素
不同年代、不同深度的地震波速度变化曲线
第一节 影响地震速度的主要因素
（6）孔隙度 储集岩层大多是由颗粒状的各种矿物、岩石碎屑、岩石成分 组成，不同性质的各种颗粒之间出现了孔隙。一般情况下，粗 颗粒结构储集层的孔隙较大，如砂岩等；而细颗粒结构储集层 的孔隙较小，如石灰岩等。
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（4）构造历史和地质年代的影响
许多实际观测资料表明，同样深 度、成分相似的岩石，当地质年代 不同时，波速也不同，年代老的岩 石比年青的岩石具有较高的速度。 在强烈褶皱地区，经常观测到速度 的增大；在隆起的构造顶部，则发 现速度减低。一般地说，地震波在 岩石中的传播速度随地质过程中的 构造作用力的增大而增大。
Wyllie （1956）提出时间平均方程写为：
1
p

1
m
f
v p 流体饱和的岩石纵波速度； vm 岩石骨架速度； v f 孔隙所含流体速度；
- 孔隙度
第一节 影响地震速度的主要因素
（1）Raymer等（1980）对Wyllie时 间平均方程做了如下改进： V (1 ) 2 Vr V f , 37%
稠油速度随温度的变化
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（10）纵波、横波速度之间的关系
速度是研究岩石时使用广泛的参数之一，而在很多时候只有纵 波速度数据，很少有横波速度资料，所以不少学者研究纵波速度 和横波速度的关系，得出经验公式，以期能够通过纵波速度推算 出横波速度，再利用其来计算研究岩石的其他弹性参数。
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②纵波速度大于横波速度 P波：P代表主要 （Primary）或压缩 （Pressure）前进速 度最快，也最早抵达。 S波：S意指次要 （Secondary）或剪力 （Shear），前进速度 小于P波
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③纵横波速度比可以用泊松比 表示，可以用来区分岩性
第一节 影响地震速度的主要因素
不少研究者只是对某一特定地区特定的岩性进行分析得出的经 验公式，所以这些经验公式只能是在这些特定的情况下使用，而 不能生搬硬套。
Vs2
第一节 影响地震速度的主要因素
①因为流体的μ=0，所以流体中不能传播横波。 1914年，德国地球物理学家古 登堡发现地下2900千米处地震波的 传播速度有明显变化，后证实这里 是地核与地幔的分界层。人们将这 个界面称为“古登堡界面”。通过 此界面向下，纵波突然下降，横波 完全消失，并以此推断外核为液态 金属。
2 p
其中a,b,c是经验系数，ρ的单位是g/cm3 泥岩： a=-0.0261, b=0.373, c=1.458， Vp=1.5~5.0km/s
砂岩： a=-0.0115,
石灰岩：a=-0.0296, 白云岩：a=-0.0235,
b=0.261,
b=0.441, b=0.390,
c=1.515， Vp=1.5~6.0km/s
第五章
地震波速度
第一节 影响地震速度的主要因素 第二节 几种地震速度的概念 第三节 地震速度参数的测定方法 第四节 地震速度之间的相互关系
地震波的速度是指地震波在地下岩层中的传播速度，简称地震速度。 它既是研究地球内部结构的最重要参数，也是地震勘探中最重要的参数 之一，渗透到地震资料处理和解释的大部分环节。在地震正演研究、地 震时深转换、地震偏移、地震反演、储层描述等过程中，都需要同地震 速度打交道。 根据不同的研究目的，往往加一些前缀赋予特定的含义，比如：平均 速度、瞬时速度、射线速度、层速度、偏移速度、叠加速度、均方根速 度等等。 计算各种地震速度的方法也不是单一的，包括实验室岩芯速度测井、 地震测井、垂直地震剖面、地震速度分析等方法。
Faust（1951）统计美国和加拿大 500口井砂岩、泥岩速度数据与地质时 间和深度的关系总结出了速度、年代 和深度的关系式如下：
V a(TZ )1/ 6
第一节 影响地震速度的主要因素
（5）埋藏深度
大量资料表明，在岩石性质和地质年代相同的条件下，地震波的速度随着 埋藏深度的增加而增大，原因主要是埋藏深的岩石所受的地层压力大的缘故。 在不同地区，特别是基地埋藏深度不同时，速度随着深度变化的垂直梯度可 能相差很大。一般而言，在浅处速度梯度较大；深度增加时，梯度减小。
第一节 影响地震速度的主要因素
⑴油-水两相 当含水饱和度从0变化 到1，也就是从完全含 油到完全含水，砂岩 的波速是单调增大的。 当深度增大时，总的 变化值减小。 ⑵气-水两相 当含水饱和度从0变化 到0.8时，波速是随之 缓缓减小的，然后随 着含水饱和度的增大 而增大，在含水饱和 度为0.95时急剧增大。
岩性 气层砂岩 泊松比 0.12~0.22
油层砂岩
水层砂岩 泥岩 钙质泥岩 砾岩
0.21~0.25
0.24~0.35 0.25~0.40 0.32~0.43 0.22~0.38
含气砂岩 具有低泊 松比和低 速度比
煤层
0.33~0.49
第一节 影响地震速度的主要因素
某气藏泊松比变化剖面
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第一节 影响地震速度的主要因素
（8）压力 岩石的地震速度总是随着有效压力（有效压力＝围压－孔隙 压力）的增加而增加。 （1）随着有效压力 的增加地震纵横波速 度逐渐增加 （2）地震纵横波速 度是随着孔隙压力的 在两种碳酸盐岩中纵波、横波速度随有效压力的变化 增加是逐渐减少的 （3）在含有高孔隙 压力的地层处地震波 速度往往突然偏低， 这也是利用地震速度 研究高压异常的物理 在两种碳酸盐岩中纵波、横波速度随孔隙压力的变化 基础。
1 1 , 47% 2 2 2 V f V f rVr
（2）Castagna等（1985）对饱含 水的泥质砂岩建立了纵横波速度与 孔隙度和泥质含量的关系：
Vp 5.81 9.42 2.21C Vs 3.89 7.07 2.04C
（3）在实际的油气勘探中不能生搬 硬套上述经验公式，要建立具体勘探 工区或盆地的地震速度与孔隙度的关 系。