云美厚 李曉斌 馮 磊

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454000)

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地震波速度是地震勘探的重要參數(shù)之一，它貫穿于地震勘探的全過程。地震波速度信息是利用地震資料實(shí)施地質(zhì)勘探和地質(zhì)目標(biāo)體預(yù)測(cè)的重要載體或評(píng)價(jià)指標(biāo)。不論是構(gòu)造解釋[1-4]、巖性預(yù)測(cè)[5-6]、儲(chǔ)層含油氣檢測(cè)[7-8]，還是儲(chǔ)層參數(shù)(包括孔隙度、飽和度、壓力等)定量估算[9-13]，均離不開速度信息。迄今為止，關(guān)于地震波速度影響因素的理論研究、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等已非常全面深入，相關(guān)文獻(xiàn)汗牛充棟。不論是在理論研究還是應(yīng)用實(shí)踐中，研究者出于不同考慮將各種與地震波速度有關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象均視為速度影響因素，從而造成了不同層級(jí)、不同類別地震波速度影響因素的堆疊和分類的混亂，既不利于地震波速度變化內(nèi)在機(jī)理的研究，也不利于現(xiàn)實(shí)問題內(nèi)在本質(zhì)的分析與認(rèn)識(shí)。Tatham等[14]將影響地震波速度的各種參數(shù)初步總結(jié)為：巖性、孔隙度、孔隙流體類型、孔隙形狀、埋深與壓力、溫度和各向異性。在2008年出版的《巖石物理手冊(cè)：孔隙介質(zhì)中地震分析工具》[15]一書的中譯本序言中，王之敬教授對(duì)影響巖石地震特性的因素進(jìn)行了全面總結(jié)，并將其概括為巖石本身特性、飽和流體特性、所處環(huán)境等三大類，幾乎囊括了迄今為止所提出的各種影響因素，詳見表1。

表1 影響巖石地震特性的因素[15]

眾所周知，巖石地震特性的變化實(shí)際上是巖石速度變化的外在反映，因此巖石地震特性影響因素通常也被視為地震波速度影響因素。由表1可見，飽和度作為描述巖石孔隙中流體含量的物理量，應(yīng)屬于孔隙流體特性的描述范疇，將它歸類到所處環(huán)境顯然不是很合適。其次，諸如緊密度(壓實(shí))、埋深、地質(zhì)年代、各向異性等因素僅僅是地震波速度變化的外在表現(xiàn)，并不能反映地震波速度變化的內(nèi)在本質(zhì)。緊密度(壓實(shí))、埋深與地質(zhì)年代對(duì)地震波速度的影響，本質(zhì)上主要是由上覆地層壓力變化引起的；而地震波速度各向異性變化則是由于巖石介質(zhì)內(nèi)部非均質(zhì)性，如礦物顆?；蚩紫?、裂隙結(jié)構(gòu)的形狀以及排列方式的差異等引起的[16-18]。由此可見，將埋深、地質(zhì)年代、各向異性等視為地震波速度的影響因素顯然是不合適的，無法反映速度變化的內(nèi)在本質(zhì)。這些至少?gòu)囊粋€(gè)側(cè)面說明，現(xiàn)有的地震波速度影響因素描述以及分類是欠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

表2給出了從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)今國(guó)內(nèi)、外部分代表性教材中有關(guān)地震波速度影響因素的相關(guān)內(nèi)容。不難看出，不同的教材關(guān)于地震波速度影響因素的闡述大同小異，其中以巖性、密度、孔隙度、埋深、地質(zhì)年代幾項(xiàng)因素在各教材中出現(xiàn)頻度最高。中國(guó)國(guó)內(nèi)教材中關(guān)于地震波速度影響因素的內(nèi)容鮮有更新，大多呈現(xiàn)新教材照搬或沿用過往老教材的內(nèi)容。這并不意味著地震波速度影響因素分析成果的成熟與完善，恰恰反映出教材編寫過程中習(xí)慣于照搬照抄，缺乏相關(guān)研究和創(chuàng)新。當(dāng)然，目前業(yè)內(nèi)關(guān)于地震波速度影響因素分析尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)可能也是造成現(xiàn)有教材無法更新的原因之一。綜上所述，筆者認(rèn)為進(jìn)一步厘清地震波速度的影響因素及其分類是很有必要的，不僅有助于科學(xué)研究機(jī)理分析，而且有助于教材的更新。本文拋磚引玉，以唯物辯證法內(nèi)外因理論為指導(dǎo)，嘗試對(duì)地震波速度影響因素進(jìn)行系統(tǒng)梳理，以期為研究者深入理解地震波速度的變化提供參考和借鑒。

表2 部分代表性教材中地震波速度影響因素列表

1 地震波速度與波速頻散

1.1 波速與波的關(guān)系

為了更好地說明地震波與地震波速度之間的關(guān)系，下面從物理學(xué)之波動(dòng)學(xué)理論相關(guān)概念出發(fā)，分析說明波速與波的關(guān)系。

眾所周知，波是能量傳播的一種形式。具體來說，振動(dòng)在空間介質(zhì)中的傳播就是波。機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播稱為彈性波或機(jī)械波，如水波、聲波和地震波等；電磁振動(dòng)在空間電磁介質(zhì)中的傳播稱為電磁波，如無線電波、光波以及地質(zhì)雷達(dá)勘探中所用的雷達(dá)波等。很顯然，機(jī)械波和電磁波是兩種不同性質(zhì)的波，二者產(chǎn)生的條件和方法不同。但是機(jī)械波和電磁波均可以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程表達(dá)，用相同的數(shù)學(xué)方法研究，也可以用波長(zhǎng)、頻率、波速等物理量描述其特征。通常波速定義為單位時(shí)間內(nèi)波形(或振動(dòng)狀態(tài))在空間介質(zhì)中傳播的距離，一般用質(zhì)點(diǎn)位移對(duì)時(shí)間的微分來表達(dá)。由于振動(dòng)狀態(tài)一般以相位為標(biāo)志，所以通常所說波速主要是指相速度。由于機(jī)械波是在彈性介質(zhì)中傳播的波，所以其波速主要由空間介質(zhì)的彈性模量和密度所決定。而電磁波速度則由空間介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率所決定。顯然，不同性質(zhì)的波，波速各不相同。如在空氣中，室溫條件下聲波速度約為340m/s；而電磁波在真空中的速度等于光速，約為3×108m/s。盡管空氣中電磁波傳播速度比真空中小，但二者相差極小，一般認(rèn)為電磁波在空氣中的傳播速度也是3×108m/s。這是為什么雷雨天往往先看到閃電(電磁波)后聽到雷聲(聲波)的原因所在。從上述波速概念不難發(fā)現(xiàn)，波速實(shí)際上包含了波與空間介質(zhì)一體兩面雙重內(nèi)容。換言之，波速大小取決于波的性質(zhì)和空間介質(zhì)特性。對(duì)于相同的介質(zhì)，波的性質(zhì)或種類不同，相應(yīng)的速度也各不相同。對(duì)于確定的某一種波，相應(yīng)波速主要決定于介質(zhì)特性，可視為反映介質(zhì)內(nèi)在本質(zhì)特性的物理量。

除了機(jī)械波與電磁波的分類外，基于波的偏振特點(diǎn)不同，可以將波分為縱波和橫波。依據(jù)彈性波傳播理論，在均勻各向同性彈性介質(zhì)假設(shè)條件下，通過求解彈性波傳播波動(dòng)方程，可獲得縱、橫波速度表達(dá)式如下[21，24]

(1)

(2)

式中：VP為縱波速度；VS為橫波速度；K為體積模量；μ為剪切模量；ρ為密度；E為楊氏模量；σ為泊松比。后面四個(gè)彈性常數(shù)中只有兩個(gè)是獨(dú)立的，已知其中任意兩個(gè)量，均可換算出另外兩個(gè)量。

從式(1)和式(2)可見，盡管縱波和橫波均為機(jī)械波，但由于兩種波偏振方式的差異，導(dǎo)致二者在相同介質(zhì)中呈現(xiàn)出不同的傳播速度，再次說明拋開具體的波來談?wù)摬ㄋ偈遣豢扇〉?，波速因波而存在，波速與波之間具有內(nèi)在的一致性。正是由于彈性介質(zhì)中可以傳播縱波和橫波兩類波，因而介質(zhì)具有縱波和橫波兩種波速。由此可見，波的分類決定了波速的分類。

在反射波地震勘探中，地震波速度是指地震波在巖層中的傳播速度，簡(jiǎn)稱地震速度或巖石速度，如砂巖速度、頁(yè)巖速度等。由于早期反射波地震勘探主要利用縱波，因此在談到地震波速度或巖石速度時(shí)，除非特別說明，一般均指縱波速度。這一點(diǎn)從表2所列出的大多數(shù)教材中關(guān)于巖石速度的列表和分析幾乎均為縱波速度可以證明。然而，隨著多波多分量以及橫波地震勘探技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于橫波速度的研究和應(yīng)用日益增多，因此地震波速度概念不再是縱波速度的代名詞。地震波速度實(shí)際上同時(shí)包含了縱波速度和橫波速度兩方面內(nèi)容，或者說，地震波速度可分為縱波速度和橫波速度兩類。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，人們潛意識(shí)中依然習(xí)慣性地將地震波速度視為縱波速度。當(dāng)涉及橫波速度時(shí)，則加以特別標(biāo)明。此外，按照波傳播所能到達(dá)的空間范圍或者說極化方式不同，地震波可分為體波與面波或線性極化波與面極化波。地震縱、橫波均為線性極化波，Rayleigh 面波為面極化波。不論是體波還是面波，不同的波型傳播速度各不相同?？紤]到面波是兩種體波相互干涉而產(chǎn)生的，并非獨(dú)立存在的，如P 波與 SV 波彼此干涉產(chǎn)生Rayleigh波，與SH 波干涉產(chǎn)生 Love 波，因此下面僅就傳統(tǒng)意義上的地震縱、橫波速度的影響因素加以討論。為了避免后續(xù)闡述中概念的混亂，討論中將不區(qū)分縱波速度和橫波速度，對(duì)于確實(shí)存在明顯差異的地方將特別加以分析說明。換言之，后續(xù)關(guān)于地震波速度影響因素的論述對(duì)于縱、橫波速度均適用。

1.2 地震波速度頻散

在地震勘探中，通常將地震波速度隨地震波頻率變化的現(xiàn)象稱為地震波速度頻散[29]。對(duì)于單頻簡(jiǎn)諧地震波而言，波速與頻率之間的關(guān)系表達(dá)式可寫為

(3)

式中：V為波速；λ為波長(zhǎng)；T為周期；f為頻率。

式(3)是關(guān)于波速與頻率關(guān)系的最簡(jiǎn)單的描述。在均勻各向同性介質(zhì)中，地震波以恒速傳播，波速大小僅與介質(zhì)特性有關(guān)，見式(1)和式(2)，與波的頻率、周期等無關(guān)，因而不會(huì)出現(xiàn)速度頻散現(xiàn)象。

大量研究結(jié)果表明，飽和流體巖石的地震縱、橫波速度通常與地震波的頻率有關(guān)，這使得在勘探地震波頻率(<200Hz)、聲波測(cè)井頻率(≈104Hz)和超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試頻率(105～106Hz)之間進(jìn)行波速對(duì)比變得非常復(fù)雜。在Boit雙相介質(zhì)假設(shè)條件下[30-31]，通過求解有損耗情形下的雙相介質(zhì)波動(dòng)方程，可求得縱、橫波速度頻散表達(dá)式如下[32]

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：VP0、VP∞和VS0、VS∞分別為零頻率和無窮大頻率飽和流體巖石的縱、橫波速度；ωb稱為Biot特征頻率，也是由“低”頻域躍遷到“高”頻域的“臨界頻率”；ω為角頻率；c為質(zhì)量耦合系數(shù)；k為滲透率；η為流體黏度；φ為孔隙度；ρf為孔隙流體密度；Kb為干巖石體積模量；Km巖石骨架體積模量；Kf為孔隙流體體積模量。式(5)與著名的Gassmann公式是一致的。該式為流體飽和雙相介質(zhì)波動(dòng)方程第一類波的零頻率近似。式(6)與Boit-Geerstma公式完全一致[33]，稱為Biot高頻方程解。

迄今為止，關(guān)于地震波速度頻散力學(xué)機(jī)制的闡述主要有兩種：一是認(rèn)為速度頻散源于流體相與固體相之間的大尺度相對(duì)平均運(yùn)動(dòng)[30]，常稱之為Biot流動(dòng)機(jī)制，見式(4)；二是認(rèn)為速度頻散主要源于顆粒尺度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也稱為局部流動(dòng)或噴射流(Squirt-flow)機(jī)制[34]。Dvorkin等[35]提出并建立了同時(shí)包含這兩種機(jī)制的統(tǒng)一的理論模型，即BISQ(Biot-Squirt)模型。該模型目前已成為分析研究地震波速度頻散效應(yīng)的重要理論基石。

2 地震波速度影響因素

為了更好地揭示地震波速度變化的內(nèi)在本質(zhì)和變化機(jī)理，關(guān)于速度影響因素的詮釋最合理的分析方法應(yīng)該是單因素歸納和分類。為此，依據(jù)唯物辯證法內(nèi)外因辯證原理，可將地震波傳播速度影響因素分為內(nèi)在地質(zhì)因素和外在環(huán)境因素或場(chǎng)作用兩大類，詳見表3。前者主要是指組成巖石的礦物成分、孔隙及孔隙充填物等各種因素；后者則主要是指影響巖石特性的外部環(huán)境因素或統(tǒng)一稱之為外在場(chǎng)作用，主要包括壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)，以及其他與巖石成巖、變質(zhì)作用等有關(guān)的物理和化學(xué)場(chǎng)等。

需要指出的是，對(duì)于不同的巖石，關(guān)于地震波速度影響因素的分析基本上不會(huì)超出表3所列出的各種因素。但是，就各影響因素而言，對(duì)于不同巖石的影響力是存在差異的，或者說影響的權(quán)重不盡相同。以自然界廣泛分布的三大類巖石——沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖為例，孔隙度可以說是影響各類巖石速度的關(guān)鍵因素。也就是說，孔隙度的變化對(duì)于三大類巖石各自速度的變化均具有較大的權(quán)重。若關(guān)注三大類巖石速度分布的一般規(guī)律，通常表現(xiàn)為火成巖速度最高，變質(zhì)巖次之，沉積巖最低。之所以會(huì)呈現(xiàn)如此規(guī)律性，主要是由于沉積巖孔隙度一般較高，變質(zhì)巖次之，火成巖最低。對(duì)于沉積巖而言，因孔隙度變化范圍寬，所以速度變化范圍最大；對(duì)于火成巖而言，因孔隙度變化范圍較窄，所以速度變化范圍較小。從這一角度來看，孔隙度對(duì)沉積巖速度變化影響的權(quán)重要遠(yuǎn)高于變質(zhì)巖和火成巖。

此外，對(duì)于同一巖石而言，表3所列出的各種因素對(duì)速度影響的權(quán)重也不是一成不變的，通常會(huì)隨著勘探開發(fā)條件和環(huán)境的變化而變化。以溫度為例，在常規(guī)油藏開采的地溫梯度條件下，溫度對(duì)巖石速度的影響一般較小，甚至可以忽略。然而，對(duì)于稠油熱采而言，由于火燒稠油或向地下注入高溫?zé)嵴羝沟玫貙訙囟茸兓薮?，此時(shí)溫度將成為速度變化的重要因素之一。

表3 地震波速度影響因素及分類

2.1 密度是地震波速度變化的橋梁

眾所周知，密度與巖石彈性參數(shù)(體積模量、剪切模量、泊松比、楊氏模量等)均為描述巖石物性的基本物理量。從式(1)和式(2)不難看出，地震波速度不僅與巖石彈性參數(shù)有關(guān)，也與巖石密度有關(guān)，主要表現(xiàn)為地震波速度與巖石彈性參數(shù)呈正相關(guān)，與巖石密度呈負(fù)相關(guān)。由此可見，地震波速度實(shí)際上是一個(gè)派生物理量，并非基本物理量。

在反射波地震勘探，用地震波速度代替巖石彈性參數(shù)來表征巖石的彈性特性已成為一種習(xí)慣。這主要是由于在大多數(shù)情形下，地震波速度與密度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系是隱性的，僅具有理論意義?，F(xiàn)實(shí)中，絕大多數(shù)情況下這種負(fù)相關(guān)關(guān)系是無法凸顯出來的。常見的情形是地震波速度與密度之間大多表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，即巖石密度越高，相應(yīng)地震波速度也越大。究其原因，當(dāng)巖石因內(nèi)在地質(zhì)特性或外在環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，彈性參數(shù)(如K,μ)與密度的變化一般具有內(nèi)在一致性，不過因彈性參數(shù)的變化一般均大于密度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致密度對(duì)地震波速度的影響無法凸顯，幾乎總是表現(xiàn)為地震波速度與彈性參數(shù)的變化相一致。正因如此，實(shí)際應(yīng)用中，密度對(duì)地震波速度影響常常被忽略，地震波速度也因此幾乎成為了表征巖石彈性特性的“代名詞”。

但是，必須要清楚，地震波速度與密度之間變化規(guī)律的一致性(即正相關(guān)特性)僅僅是一種外在表現(xiàn)，并非密度對(duì)速度影響的內(nèi)在本質(zhì)反映。在孔隙流體變化導(dǎo)致巖石密度變化這種特殊情形下，地震波橫波速度隨密度的變化關(guān)系通常會(huì)顯示出與理論負(fù)相關(guān)特征相一致的變化規(guī)律，即巖石密度增大，橫波速度減小。

從上述分析可見，密度是影響地震波速度的重要因素之一，這也是業(yè)內(nèi)共識(shí)。但是在表3中筆者并未將密度作為地震波速度影響因素列出。原因在于，如果將密度作為地震波速度的影響因素，那么從式(1)和式(2)可知，地震波速度影響因素實(shí)際上只有密度和彈性參數(shù)兩種。

因此，筆者承認(rèn)密度是地震波速度的影響因素之一，但是不贊成將密度與巖石成分、孔隙度、孔隙充填物等并列作為影響地震波速度的同一層級(jí)因素。因?yàn)檫@樣有可能造成認(rèn)識(shí)上的誤導(dǎo)，更不利于揭示速度變化的內(nèi)在本質(zhì)。應(yīng)當(dāng)以巖石成分、孔隙度、孔隙充填物等內(nèi)在本質(zhì)因素以及溫度、壓力等外在環(huán)境因素作為地震波速度影響因素，而密度和彈性參數(shù)僅僅是溝通地震波速度與各因素之間變化關(guān)系的橋梁和紐帶。

2.2 巖性與速度關(guān)系的內(nèi)在本質(zhì)

地震波速度通常被稱為巖石速度?；诘卣鸩ㄋ俣确囱葙Y料進(jìn)行巖性識(shí)別和儲(chǔ)層橫向預(yù)測(cè)司空見慣[4-6]，基本依據(jù)在于不同巖性一般具有不同的地震波速度。因此人們習(xí)慣性認(rèn)為巖性是影響地震波速度的因素。事實(shí)上，即使是對(duì)于同一巖性，地震波速度變化的范圍也很寬。造成地震波速度變化的根本原因在于巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、顆粒大小、含量、孔隙度等的差異性。換言之，巖性本身實(shí)際上是巖石成分、孔隙度、孔隙充填物等不同因素的綜合反映，非單一因素。因此，將巖性作為地震波速度影響因素太過籠統(tǒng)，無法反映地震波速度變化的內(nèi)在本質(zhì)特征。至于將巖性與礦物成分兩個(gè)不同層級(jí)的量并列作為地震波速度影響因素則更不合適，不僅不利于揭示地震波速度變化的本質(zhì)，而且會(huì)造成分析和研究問題的混亂。

2.3 埋深、地質(zhì)年代與速度關(guān)系的內(nèi)在本質(zhì)

地震波速度隨埋深與地質(zhì)年代變化是無法否認(rèn)的客觀事實(shí)。但是，若因此就認(rèn)為埋深與地質(zhì)年代是影響地震波速度的因素是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。在煤、油、氣地震勘探中，主要研究?duì)象為沉積巖。眾所周知，沉積巖速度一般隨深度和地質(zhì)年代的增加而增大，其本質(zhì)是地質(zhì)年代越老的地層埋深越大，遭受上覆地層壓力也增大，正是由于地層壓實(shí)作用隨深度增加而增強(qiáng)，進(jìn)而使得巖石孔隙度減小，地層速度增大。顯然，造成沉積巖速度增大的根本原因主要在于地層壓力的變化。因此，影響地震波速度的因素實(shí)際上是壓力，并非埋深和地質(zhì)年代。需指出的是，壓力這一外在環(huán)境因素主要是通過改變巖石內(nèi)在因素(如孔隙度等)達(dá)到影響地震波速度的結(jié)果。以超壓層為例，一般表現(xiàn)出與某一淺部地層同等的速度大小，并未呈現(xiàn)出埋深越大速度越大的特點(diǎn)。根本原因在于該深度地層壓力遠(yuǎn)高于地層正常壓力，使地層孔隙度并未隨埋深增加或壓實(shí)作用而減小，相反與淺層某一等效深度地層具有相同孔隙度，因此速度也相同。這恰恰說明埋深并非影響地震波速度的內(nèi)在本質(zhì)因素。當(dāng)然，地震波速度隨埋深的變化，除了與壓力作用有關(guān)的地層壓實(shí)效應(yīng)外，成巖作用過程中的膠結(jié)作用、重結(jié)晶作用等同樣會(huì)對(duì)巖石速度造成一定程度的影響。事實(shí)上，成巖作用本身離不開地層壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。地震波速度隨埋深、地質(zhì)年代的變化，本質(zhì)上是溫度、壓力以及成巖作用過程中物理化學(xué)場(chǎng)綜合影響的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)注意的是，地震波速度隨地溫梯度增加一般是減小的，其變化規(guī)律與壓力的影響恰恰相反，只是由于在地層溫壓條件下，溫度較壓力對(duì)地震波速度的影響幅度要小得多。綜上所述，埋深、地質(zhì)年代對(duì)地震波速度的影響實(shí)際上是壓力、溫度、物理化學(xué)作用等多種環(huán)境因素綜合作用下的外在表現(xiàn)。將埋深或地質(zhì)年代作為影響地震波速度的因素是不恰當(dāng)?shù)?，無法從根本上反映或揭示地震波速度變化的特征。

2.4 速度各向異性關(guān)系的內(nèi)在本質(zhì)

眾所周知，各向同性和各向異性指的是介質(zhì)物理性質(zhì)與方向的關(guān)系。若介質(zhì)物理性質(zhì)不依方向而變化，則稱為各向同性介質(zhì)；反之，若介質(zhì)物理性質(zhì)依方向而變化，稱為各向異性介質(zhì)。顯然，不論是各向同性還是各向異性，均為介質(zhì)物性特征的外在表現(xiàn)。因此，將各向異性作為地震波速度影響因素同樣是不恰當(dāng)?shù)?。研究[17,36-37]表明，介質(zhì)呈現(xiàn)各向異性的主要原因在于巖石構(gòu)造的順序性不均勻。這種順序性在沉積巖中表現(xiàn)最為明顯。通常有三種不同類型的順序性。①與沉積過程的周期性循環(huán)或沉積旋回有關(guān)，如平行層理構(gòu)造。②與巖石裂縫走向有關(guān)。受區(qū)域大地構(gòu)造走向和構(gòu)造應(yīng)力作用影響，巖石裂縫往往沿一定方向發(fā)育，如平行層理方向、垂直層理方向，或與之斜交的方向等，巖石裂縫空間分布密度及發(fā)育方向的不同，造就了地震波速度與方向有關(guān)的異常分布。③巖石中具有晶體結(jié)構(gòu)的礦物顆粒定向排列。對(duì)于具有后兩種順序性的巖石介質(zhì)，因各向異性單元體的尺度遠(yuǎn)小于地震波波長(zhǎng)，常將此類巖石介質(zhì)稱為理想各向異性介質(zhì)。由此可見，真正決定地震波速度表現(xiàn)為各向同性或各向異性的內(nèi)在本質(zhì)取決于巖石自身內(nèi)部構(gòu)造(礦物排列方式、空間分布等)以及巖石內(nèi)部孔隙、裂隙系統(tǒng)是否存在順序性。在地震勘探中，大多數(shù)巖石介質(zhì)，如火成巖、變質(zhì)巖、碳酸鹽巖、砂泥巖等，其彈性性質(zhì)或地震波速度一般都沒有表現(xiàn)出明顯的方向性或方向性很弱，一般均可視為各向同性介質(zhì)。但是，對(duì)于大多數(shù)沉積巖，特別是具有明顯層理構(gòu)造的頁(yè)巖、煤，或巖石裂縫系統(tǒng)具有固定發(fā)育方向的裂縫灰?guī)r，以及其他具有晶體結(jié)構(gòu)的礦物顆粒規(guī)律排列的巖石等，均會(huì)呈現(xiàn)出較為明顯的彈性或地震波速度各向異性。由此可見，直接將各向異性作為地震波速度的影響因素是不恰當(dāng)?shù)?。真正?dǎo)致地震波速度變化呈現(xiàn)各向異性或各向同性的本質(zhì)因素是巖石內(nèi)部的層理構(gòu)造(礦物顆粒排列方式、空間分布等)以及孔隙、裂縫系統(tǒng)的空間分布。如果籠統(tǒng)地將影響因素看作是各向異性，那么將無法明確反映這種各向異性主要是由于巖石內(nèi)部層理構(gòu)造(礦物顆粒排列方式、空間分布等)引起的，還是由于孔隙、裂縫系統(tǒng)的空間分布引起的，或者二者兼而有之。

2.5 生產(chǎn)史、構(gòu)造史、壓力史、成藏過程等與地震波速度的關(guān)系

地震波速度通常會(huì)隨著生產(chǎn)史、構(gòu)造史、壓力史、成藏過程等變化，這種變化均為巖石內(nèi)部特征變化的外在表現(xiàn)，并非地震波速度變化的內(nèi)在本質(zhì)。以油藏注水強(qiáng)化開采為例[32]，在開采初期由于原油開采使得地層中含油飽和度減小，地層壓力下降，進(jìn)而可能導(dǎo)致地層孔隙閉合、孔隙度減小，這些均會(huì)對(duì)地震波速度變化產(chǎn)生影響；此后，隨著注水強(qiáng)化開采工藝實(shí)施，地層壓力趨于穩(wěn)定，但是油藏內(nèi)流體性質(zhì)、油水飽和度的變化是必然的，而且地表冷水注入地下地層中會(huì)使得地層溫度有所降低，這些同樣會(huì)對(duì)地震波速度變化造成影響。不同的開發(fā)階段由于儲(chǔ)層變化特點(diǎn)不同，導(dǎo)致影響地震波速度變化的因素也不同，進(jìn)而表現(xiàn)出地震波速度隨生產(chǎn)史的不同變化規(guī)律。再者，對(duì)于不同的開采方式，地震波速度隨生產(chǎn)史的變化也不盡相同，但究其本質(zhì)不外乎地層溫度、地層壓力以及飽和度、孔隙度等變化。因此，籠統(tǒng)地將生產(chǎn)史作為地震波速度的影響因素是不恰當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)樯a(chǎn)史本身是一個(gè)包含多因素的復(fù)雜系統(tǒng)，所以，將生產(chǎn)史作為地震波速度變化影響因素難以明確地震波速度變化本質(zhì)，也難以構(gòu)建普適變化規(guī)律。無獨(dú)有偶，諸如構(gòu)造史、壓力史以及成藏過程等對(duì)地震波速度的影響均可能包含了巖石孔隙、孔隙流體、壓力、溫度等多種因素的綜合影響，并非單因素變化。因此，將生產(chǎn)史、構(gòu)造史、壓力史、成藏過程等作為地震波速度變化的影響因素也是不恰當(dāng)?shù)?，不利于地震波速度變化機(jī)理研究，無法揭示地震波速度變化的內(nèi)在本質(zhì)和普遍規(guī)律。

2.6 物理化學(xué)場(chǎng)對(duì)地震波速度的影響

在巖石成巖作用過程中，單純的壓實(shí)作用主要是通過改變地層孔隙度進(jìn)而影響地震波速度。但是在特定地層溫度、壓力條件下，巖石內(nèi)部可能發(fā)生變質(zhì)、相變、脫水、重結(jié)晶以及塑性變形等物理化學(xué)作用。變質(zhì)作用可使得巖石性質(zhì)由酸性變?yōu)榛曰虺?，相?yīng)地震波速度會(huì)增大；相變是巖石在一定溫度、壓力條件下巖石結(jié)構(gòu)的改變，如晶格改變，一般會(huì)使得地震波速度減?。划?dāng)然巖石內(nèi)部孔隙流體的相變，如地層水高溫汽化和低溫結(jié)冰固化等相態(tài)變化同樣會(huì)改變地震波速度。巖石脫水是指在一定溫度條件下失去結(jié)晶水，所排出的水或水蒸氣儲(chǔ)存于周圍孔隙中，由此導(dǎo)致地震波速度變化；重結(jié)晶作用使得非結(jié)晶物質(zhì)變成結(jié)晶物質(zhì)或使細(xì)粒結(jié)晶物質(zhì)變成粗粒結(jié)晶物質(zhì)，進(jìn)而使得地震波速度有所增大。巖石塑性化一般會(huì)使得地震波速度減小，而塑性硬化又會(huì)使得地震波速度增大[5]。由此可見，在特定溫度、壓力條件下，巖石遭受不同物理、化學(xué)場(chǎng)的作用，對(duì)地震波速度的影響同樣是不可忽視的重要影響因素。

2.7 理論計(jì)算分析

以大慶油田的一個(gè)油水飽和砂巖樣實(shí)測(cè)縱、橫波速度參數(shù)作為約束和控制，云美厚等[38]基于縱橫波速度低頻方程式(5)和式(8)，計(jì)算了地震波速度隨孔隙度、含油飽和度、地層孔隙壓力、溫度以及泥質(zhì)含量的變化規(guī)律，結(jié)果見圖1～圖3。

圖3 地震波速度隨泥質(zhì)含量的變化

圖1為儲(chǔ)層油—水飽和情形下速度隨孔隙度、含油飽和度的變化曲線。圖中空心圓點(diǎn)為地震波速度控制點(diǎn)。顯然，縱、橫波速度隨孔隙度的增加單調(diào)遞減，且縱波速度的變化梯度比橫波大。隨含油飽和度的增加，縱波速度減小的幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震波速度隨孔隙度的變化。這至少可以從一個(gè)側(cè)面說明孔隙度是影響地震波速度變化的關(guān)鍵因素。相比之下，橫波速度隨含油飽和度的變化更小，除高含油飽和度時(shí)略有增大外，地震波速度變化幾乎可以忽略不計(jì)。這與前述結(jié)論認(rèn)為孔隙流體類型和飽和度變化主要是通過密度的變化對(duì)橫波速度產(chǎn)生微弱的影響完全一致。橫波速度之所以會(huì)隨含油飽和度增大略有增大，是因?yàn)殡S含油飽和度增加油水飽和巖石的密度降低。對(duì)于縱波而言，因含油飽和度增加引起密度降低的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖石體積模量降低的幅度，所以縱波速度隨含油飽和度增加總體上是減小的，但是減小的幅度很小。這說明對(duì)于固結(jié)巖石，地震波速度隨含油飽和度的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孔隙度造成的地震波速度變化。

圖1 地震波速度隨孔隙度(a)和含油飽和度(b)的變化

圖2a是當(dāng)上覆地層壓力為26MPa時(shí)，計(jì)算所得地震波速度隨地層壓力(即孔隙流體壓力)的變化曲線。顯然，隨孔隙流體壓力的增加地震波速度是減小的。這是因?yàn)樯细驳貙訅毫σ欢〞r(shí)，孔隙流體壓力的增加意味著有效壓力的減小，因而彈性模量減小，地震波速度降低。圖2b是當(dāng)有效壓力一定時(shí)，計(jì)算得到的地震波速度隨溫度的變化曲線。不難看出，地震波速度隨溫度的增加近似線性減小。這是因?yàn)闇囟仍黾油ǔ?huì)使得巖石基質(zhì)軟化，彈性模量減小，進(jìn)而表現(xiàn)為地震波速度降低。

圖2 地震波速度隨地層壓力(a)和溫度(b)的變化

圖3為地震波速度隨泥質(zhì)含量變化曲線?？梢钥闯?，地震波速度隨泥質(zhì)含量的增加而減小。砂巖中泥質(zhì)含量的高低在一定程度可以近似反映巖性的變化或砂巖礦物組成的變化。對(duì)比圖1a和圖3不難看出，泥質(zhì)含量對(duì)地震波速度的影響與孔隙度影響基本相當(dāng)，這至少可以從一個(gè)側(cè)面說明巖石礦物組成是影響地震波速度的關(guān)鍵因素之一。

圖4顯示了上覆地層壓力一定時(shí)，砂巖儲(chǔ)層埋深分別為1100m、2100m、3000m，且分別為油水飽和時(shí)的縱、橫波速度隨有效壓力變化曲線[39]。由圖可見，不論儲(chǔ)層埋深如何，水飽和砂巖的縱波速度均高于輕質(zhì)油飽和砂巖的縱波速度，但油水飽和巖石的橫波速度之間變化很小，幾乎是一致的。圖中箭頭所指的位置分別為相應(yīng)深度正常壓實(shí)情形下儲(chǔ)層巖石的有效壓力及速度值。這恰恰說明了縱、橫波速度隨深度增加而增大的內(nèi)在本質(zhì)在于地層有效壓力的變化。

圖4 不同深度油水飽和砂巖縱橫波速度隨有效壓力的變化

關(guān)于成巖作用對(duì)地震波速度的影響目前尚沒有相關(guān)理論公式可以清楚揭示二者之間的關(guān)系。但是Murphy等[40]通過對(duì)氣飽和純石英砂(未固結(jié)成巖)和砂巖樣品的超聲波測(cè)量數(shù)據(jù)(測(cè)量有效壓力為50MPa)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，干巖石骨架模量表現(xiàn)出對(duì)孔隙度的明顯正相關(guān)關(guān)系，而且未固結(jié)成巖的氣飽和純石英砂樣與固結(jié)成巖的砂巖樣本干巖石骨架模量隨孔隙度的變化關(guān)系并不一致。對(duì)于φ≤0.35的固結(jié)砂巖樣本，最佳經(jīng)驗(yàn)擬合公式為

(13)

對(duì)于φ>0.35的未固結(jié)砂樣，最佳經(jīng)驗(yàn)擬合公式為

(14)

利用上述二式簡(jiǎn)單計(jì)算后不難發(fā)現(xiàn)，固結(jié)砂巖樣本干巖石體積模量和剪切模量均比未固結(jié)松散石英砂樣高。這在一定程度上可以說明，成巖作用使巖石硬化，骨架模量增大，進(jìn)而使得固結(jié)巖石縱橫波速度增大。

云美厚等[41]曾就油藏注水開發(fā)過程中儲(chǔ)層巖石地震波速度和密度的變化進(jìn)行了較為細(xì)致的分析計(jì)算，揭示了油藏注水開發(fā)過程中儲(chǔ)層地震波速度和密度的變化是注水開發(fā)引起的孔隙流體飽和度、儲(chǔ)層溫度及壓力、孔隙度、滲透率和孔隙流體性質(zhì)等共同作用的結(jié)果。在一定程度上說明了油藏生產(chǎn)史或成藏過程對(duì)地震速度影響的內(nèi)在本質(zhì)，同時(shí)也說明將油藏生產(chǎn)史或成藏過程等作為地震波速度影響因素是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

3 結(jié)論

(1)地震波分類決定了地震波速度分類。對(duì)于確定的地震縱波或橫波，相應(yīng)波速主要決定于介質(zhì)性質(zhì)。

(2)地震波速度是否表現(xiàn)出頻散效應(yīng)與介質(zhì)特性有關(guān)。在均勻各向同性介質(zhì)中地震波速度不存在頻散，飽和流體巖石的地震波速度存在頻散。造成頻散的主要力學(xué)機(jī)制包括Biot流動(dòng)機(jī)制和噴射流機(jī)制兩種。

(3)地震波速度影響因素可分為內(nèi)在地質(zhì)因素和外在環(huán)境因素兩大類。前者主要包括巖石礦物成分、含量、結(jié)構(gòu)、孔隙類型、孔隙度以及孔隙充填物類型、含量(飽和度)等巖石基本物性；后者主要指各種外在場(chǎng)作用，包括壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、各種物理化學(xué)場(chǎng)等。

(4)地震波速度是描述地震波傳播特性的重要參數(shù)之一，但其并非描述巖石彈性特性的基本物理量，而是一個(gè)衍生物理量。它不僅與巖石彈性參數(shù)變化有關(guān)，而且與巖石密度變化有關(guān)，密度和彈性參數(shù)是鏈接地震波速度與巖石基本物性參數(shù)的紐帶和橋梁，將密度作為地震波速度影響因素?zé)o法揭示速度變化的內(nèi)在本質(zhì)。

(5)巖性是巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、含量、孔隙等多種巖石基本地質(zhì)特性的綜合反映，籠統(tǒng)地將巖性作為影響地震波速度的因素同樣無法反映速度變化的本質(zhì)特征。

(6)埋深、地質(zhì)年代對(duì)地震波速度的影響實(shí)際上是地層壓力、溫度、物理化學(xué)作用等多因素綜合作用下的外在表現(xiàn)，尤以壓力影響最顯著。將埋深、地質(zhì)年代視為地震波速度影響因素?zé)o法從根本上反映或揭示地震波速度變化本質(zhì)特征。

(7)地震速度各向異性特征源于巖石內(nèi)部礦物顆粒定向排列形成的層理構(gòu)造、以及孔隙結(jié)構(gòu)等空間分布的差異性。將各向異性作為地震波速度影響因素不足以全面準(zhǔn)確反映巖石內(nèi)在本質(zhì)特征對(duì)速度的影響。

(8)地震波速度隨生產(chǎn)史、構(gòu)造史、壓力史、成藏過程等的變化一般為巖石孔隙、孔隙流體、壓力、溫度等各種因素綜合作用下的外在表現(xiàn)，將其作為地震波速度變化的影響因素?zé)o法揭示速度變化內(nèi)在本質(zhì)和普遍規(guī)律，不利于地震波速度變化機(jī)理研究。

(9)在特定條件下，巖石內(nèi)部物理化學(xué)場(chǎng)對(duì)地震波速度的影響是不可忽視的。