影响岩石速度的主要因素

如题所述

实验证明,岩石的地震(声)波速度主要与下列因素有关:①岩性;②密度;③孔隙度;④压力和埋深;⑤含水饱和度;⑥孔隙流体的黏度;⑦地质年代;⑧温度;⑨频率。

1.岩性的影响

岩性是影响岩石声速的一个重要因素。对于不同的岩性,其速度值可能相同(图6-8-1)。因此,利用地震波的速度值不能区分岩性。尽管如此,地震波的速度与岩性还是有一定相关关系的。例如,对于沉积岩,速度高可能意味着目的层是碳酸盐岩,而速度低一般代表砂岩或泥岩。对于位于中间的速度值,可能同时对应着碳酸盐岩和砂泥岩。另外,对于泥岩,其速度值在很大的范围内变化。这是由于位于不同地点的泥岩在颗粒大小和胶结程度上具有很大的不同。

图6-8-1 速度随岩性的变化

2.密度的影响

密度对速度的影响直接反映在速度的定义公式(6-1-24)和(6-1-25)中。由于密度直接由元素的平均相对分子质量所决定,所以矿物和岩石的密度对地震波速度的影响可以由平均相对分子质量与地震波速度的关系导出。根据Brich在1961年发表的结果,地震波的速度与矿物的平均相对分子质量大致成比例。1974年,Gardner等人研究了速度和密度之间的关系(图6-8-2),发现了著名的Gardner公式:

岩石物理学基础

式中:速度的单位是m/s;密度的单位是g/cm3

3.孔隙度的影响

孔隙度是影响孔隙性岩石地震波速度的重要因素之一。根据第七节中给出的理论公式,孔隙度对速度的影响规律比较复杂。在最简单的条件下,孔隙度对速度的影响由时间平均方程(6-7-1)和(6-7-2)给出。图6-8-3 给出了由Wyllie、Gregory和Gardner于1958年发表的速度-孔隙度关系图。

图6-8-2 速度随岩石密度的变化(双对数坐标)

图6-8-3 孔隙度对速度的影响

4.压力和埋深的影响

当压力增加时,岩石中的孔隙和裂隙被压实,因而速度增加。如果岩石的孔隙度和裂隙度均接近于零,则速度基本上与压力无关。

在地球内部,压力是随着埋藏深度的变化而增加的。因而,埋藏深度的增大一般会导致速度的增加。图6-8-4给出了墨西哥湾某地区砂岩和泥岩的速度随深度的变化关系曲线。

5.含水饱和度的影响

速度与岩石的含水饱和度之间有一定的关系(图6-8-5)。当含水饱和度为零(干燥岩石)和1(百分之百含水)时,速度值明显增大。如果岩石的含水饱和度位于10%和90%之间,则速度和含水饱和度之间的关系比较弱。

6.孔隙流体黏度的影响

孔隙流体的黏度对速度有很大的影响。一般来讲,速度随着黏度的增大而增大。

7.地质年代的影响

岩石的地质年代对其声波速度有一定的影响,但到底有多大的影响还是一个有待于进一步研究的问题(图6-8-6)。一般的规律是:年代越老的岩石其速度值越高。这是因为年代老的岩石受构造应力和胶结作用的时间长,因此具有很小的孔隙度。

8.温度

温度对速度的影响很小(图6-8-7)。温度每增加100℃,速度会减小5%~6%。但是当岩石的孔隙流体含有重质原油和焦油时,温度对速度的影响比较大。当岩石的温度低于冰点时,水饱和岩石的速度会有明显的提高(图6-8-7)。

图6-8-4 速度与压力和埋深的关系

图6-8-5 各种饱和度对速度的影响

实线:含气砂岩;虚线:含油砂岩;1ft=0.3048 m

图6-8-6 地质年代对速度的影响

注:1ft=0.3048 m

图6-8-7 温度对速度的影响

9.频率

在衰减介质中速度与频率有关。随着频率的增高,速度加大。实验证明,当频率在Hz级到MHz级内变化时,频散现象很弱。换句话说,在这个频率范围内速度基本上与频率无关。这意味着,在常规的地面地震勘探中,频散现象可以忽略。

当频率在MHz级以上时,频散现象变得明显。在实验室内可以观察到,液体饱和的岩石中存在着频散现象,但在气体饱和的岩石内却没有频散出现。关于出现频散现象的机理,已有很多研究成果问世,但距彻底解决问题还有很长的路。

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