地震波速度影響因素剖析

云美厚 李曉斌 馮 磊

(河南理工大學資源環境學院，河南焦作 454000)

0 問題提出

地震波速度是地震勘探的重要參數之一，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施地質勘探和地質目標體預測的重要載體或評價指標。不論是構造解釋[1-4]、巖性預測[5-6]、儲層含油氣檢測[7-8]，還是儲層參數(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，關于地震波速度影響因素的理論研究、實驗測試等已非常全面深入，相關文獻汗牛充棟。不論是在理論研究還是應用實踐中，研究者出于不同考慮將各種與地震波速度有關聯的現象均視為速度影響因素，從而造成了不同層級、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在機理的研究，也不利于現實問題內在本質的分析與認識。Tatham等[14]將影響地震波速度的各種參數初步總結為：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：孔隙介質中地震分析工具》[15]一書的中譯本序言中，王之敬教授對影響巖石地震特性的因素進行了全面總結，并將其概括為巖石本身特性、飽和流體特性、所處環境等三大類，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，應屬于孔隙流體特性的描述范疇，將它歸類到所處環境顯然不是很合適。其次，諸如緊密度(壓實)、埋深、地質年代、各向異性等因素僅僅是地震波速度變化的外在表現，并不能反映地震波速度變化的內在本質。緊密度(壓實)、埋深與地質年代對地震波速度的影響，本質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內部非均質性，如礦物顆粒或孔隙、裂隙結構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在本質。這些至少從一個側面說明，現有的地震波速度影響因素描述以及分類是欠科學嚴謹的。

表2給出了從20世紀80年代到現今國內、外部分代表性教材中有關地震波速度影響因素的相關內容。不難看出，不同的教材關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、地質年代幾項因素在各教材中出現頻度最高。中國國內教材中關于地震波速度影響因素的內容鮮有更新，大多呈現新教材照搬或沿用過往老教材的內容。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慣于照搬照抄，缺乏相關研究和創新。當然，目前業內關于地震波速度影響因素分析尚未形成統一的認識可能也是造成現有教材無法更新的原因之一。綜上所述，筆者認為進一步厘清地震波速度的影響因素及其分類是很有必要的，不僅有助于科學研究機理分析，而且有助于教材的更新。本文拋磚引玉，以唯物辯證法內外因理論為指導，嘗試對地震波速度影響因素進行系統梳理，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 波速與波的關系

為了更好地說明地震波與地震波速度之間的關系，下面從物理學之波動學理論相關概念出發，分析說明波速與波的關系。

眾所周知，波是能量傳播的一種形式。具體來說，振動在空間介質中的傳播就是波。機械振動在彈性介質中的傳播稱為彈性波或機械波，如水波、聲波和地震波等；電磁振動在空間電磁介質中的傳播稱為電磁波，如無線電波、光波以及地質雷達勘探中所用的雷達波等。很顯然，機械波和電磁波是兩種不同性質的波，二者產生的條件和方法不同。但是機械波和電磁波均可以用統一的數學方程表達，用相同的數學方法研究，也可以用波長、頻率、波速等物理量描述其特征。通常波速定義為單位時間內波形(或振動狀態)在空間介質中傳播的距離，一般用質點位移對時間的微分來表達。由于振動狀態一般以相位為標志，所以通常所說波速主要是指相速度。由于機械波是在彈性介質中傳播的波，所以其波速主要由空間介質的彈性模量和密度所決定。而電磁波速度則由空間介質的介電常數和磁導率所決定。顯然，不同性質的波，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現，波速實際上包含了波與空間介質一體兩面雙重內容。換言之，波速大小取決于波的性質和空間介質特性。對于相同的介質，波的性質或種類不同，相應的速度也各不相同。對于確定的某一種波，相應波速主要決定于介質特性，可視為反映介質內在本質特性的物理量。

除了機械波與電磁波的分類外，基于波的偏振特點不同，可以將波分為縱波和橫波。依據彈性波傳播理論，在均勻各向同性彈性介質假設條件下，通過求解彈性波傳播波動方程，可獲得縱、橫波速度表達式如下[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。后面四個彈性常數中只有兩個是獨立的，已知其中任意兩個量，均可換算出另外兩個量。

從式(1)和式(2)可見，盡管縱波和橫波均為機械波，但由于兩種波偏振方式的差異，導致二者在相同介質中呈現出不同的傳播速度，再次說明拋開具體的波來談論波速是不可取的，波速因波而存在，波速與波之間具有內在的一致性。正是由于彈性介質中可以傳播縱波和橫波兩類波，因而介質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，簡稱地震速度或巖石速度，如砂巖速度、頁巖速度等。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，除非特別說明，一般均指縱波速度。這一點從表2所列出的大多數教材中關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的發展，關于橫波速度的研究和應用日益增多，因此地震波速度概念不再是縱波速度的代名詞。地震波速度實際上同時包含了縱波速度和橫波速度兩方面內容，或者說，地震波速度可分為縱波速度和橫波速度兩類。不過，在實際應用中，人們潛意識中依然習慣性地將地震波速度視為縱波速度。當涉及橫波速度時，則加以特別標明。此外，按照波傳播所能到達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。考慮到面波是兩種體波相互干涉而產生的，并非獨立存在的，如P 波與 SV 波彼此干涉產生Rayleigh波，與SH 波干涉產生 Love 波，因此下面僅就傳統意義上的地震縱、橫波速度的影響因素加以討論。為了避免后續闡述中概念的混亂，討論中將不區分縱波速度和橫波速度，對于確實存在明顯差異的地方將特別加以分析說明。換言之，后續關于地震波速度影響因素的論述對于縱、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象稱為地震波速度頻散[29]。對于單頻簡諧地震波而言，波速與頻率之間的關系表達式可寫為

(3)

式中：V為波速；λ為波長；T為周期；f為頻率。

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

大量研究結果表明，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，這使得在勘探地震波頻率(<200Hz)、聲波測井頻率(≈104Hz)和超聲實驗測試頻率(105～106Hz)之間進行波速對比變得非常復雜。在Boit雙相介質假設條件下[30-31]，通過求解有損耗情形下的雙相介質波動方程，可求得縱、橫波速度頻散表達式如下[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為質量耦合系數；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波動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，關于地震波速度頻散力學機制的闡述主要有兩種：一是認為速度頻散源于流體相與固體相之間的大尺度相對平均運動[30]，常稱之為Biot流動機制，見式(4)；二是認為速度頻散主要源于顆粒尺度的相對運動，也稱為局部流動或噴射流(Squirt-flow)機制[34]。Dvorkin等[35]提出并建立了同時包含這兩種機制的統一的理論模型，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在本質和變化機理，關于速度影響因素的詮釋最合理的分析方法應該是單因素歸納和分類。為此，依據唯物辯證法內外因辯證原理，可將地震波傳播速度影響因素分為內在地質因素和外在環境因素或場作用兩大類，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境因素或統一稱之為外在場作用，主要包括壓力場、溫度場，以及其他與巖石成巖、變質作用等有關的物理和化學場等。

需要指出的是，對于不同的巖石，關于地震波速度影響因素的分析基本上不會超出表3所列出的各種因素。但是，就各影響因素而言，對于不同巖石的影響力是存在差異的，或者說影響的權重不盡相同。以自然界廣泛分布的三大類巖石——沉積巖、變質巖和火成巖為例，孔隙度可以說是影響各類巖石速度的關鍵因素。也就是說，孔隙度的變化對于三大類巖石各自速度的變化均具有較大的權重。若關注三大類巖石速度分布的一般規律，通常表現為火成巖速度最高，變質巖次之，沉積巖最低。之所以會呈現如此規律性，主要是由于沉積巖孔隙度一般較高，變質巖次之，火成巖最低。對于沉積巖而言，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，孔隙度對沉積巖速度變化影響的權重要遠高于變質巖和火成巖。

此外，對于同一巖石而言，表3所列出的各種因素對速度影響的權重也不是一成不變的，通常會隨著勘探開發條件和環境的變化而變化。以溫度為例，在常規油藏開采的地溫梯度條件下，溫度對巖石速度的影響一般較小，甚至可以忽略。然而，對于稠油熱采而言，由于火燒稠油或向地下注入高溫熱蒸汽使得地層溫度變化巨大，此時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(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有關，也與巖石密度有關，主要表現為地震波速度與巖石彈性參數呈正相關，與巖石密度呈負相關。由此可見，地震波速度實際上是一個派生物理量，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來表征巖石的彈性特性已成為一種習慣。這主要是由于在大多數情形下，地震波速度與密度之間的負相關關系是隱性的，僅具有理論意義。現實中，絕大多數情況下這種負相關關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為正相關關系，即巖石密度越高，相應地震波速度也越大。究其原因，當巖石因內在地質特性或外在環境因素發生變化時，彈性參數(如K,μ)與密度的變化一般具有內在一致性，不過因彈性參數的變化一般均大于密度的變化，進而導致密度對地震波速度的影響無法凸顯，幾乎總是表現為地震波速度與彈性參數的變化相一致。正因如此，實際應用中，密度對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律的一致性(即正相關特性)僅僅是一種外在表現，并非密度對速度影響的內在本質反映。在孔隙流體變化導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系通常會顯示出與理論負相關特征相一致的變化規律，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，這也是業內共識。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際上只有密度和彈性參數兩種。

因此，筆者承認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因素。因為這樣有可能造成認識上的誤導，更不利于揭示速度變化的內在本質。應當以巖石成分、孔隙度、孔隙充填物等內在本質因素以及溫度、壓力等外在環境因素作為地震波速度影響因素，而密度和彈性參數僅僅是溝通地震波速度與各因素之間變化關系的橋梁和紐帶。

2.2 巖性與速度關系的內在本質

地震波速度通常被稱為巖石速度。基于地震波速度反演資料進行巖性識別和儲層橫向預測司空見慣[4-6]，基本依據在于不同巖性一般具有不同的地震波速度。因此人們習慣性認為巖性是影響地震波速度的因素。事實上，即使是對于同一巖性，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、結構、顆粒大小、含量、孔隙度等的差異性。換言之，巖性本身實際上是巖石成分、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，無法反映地震波速度變化的內在本質特征。至于將巖性與礦物成分兩個不同層級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，而且會造成分析和研究問題的混亂。

2.3 埋深、地質年代與速度關系的內在本質

地震波速度隨埋深與地質年代變化是無法否認的客觀事實。但是，若因此就認為埋深與地質年代是影響地震波速度的因素是不嚴謹的。在煤、油、氣地震勘探中，主要研究對象為沉積巖。眾所周知，沉積巖速度一般隨深度和地質年代的增加而增大，其本質是地質年代越老的地層埋深越大，遭受上覆地層壓力也增大，正是由于地層壓實作用隨深度增加而增強，進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際上是壓力，并非埋深和地質年代。需指出的是，壓力這一外在環境因素主要是通過改變巖石內在因素(如孔隙度等)達到影響地震波速度的結果。以超壓層為例，一般表現出與某一淺部地層同等的速度大小，并未呈現出埋深越大速度越大的特點。根本原因在于該深度地層壓力遠高于地層正常壓力，使地層孔隙度并未隨埋深增加或壓實作用而減小，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在本質因素。當然，地震波速度隨埋深的變化，除了與壓力作用有關的地層壓實效應外，成巖作用過程中的膠結作用、重結晶作用等同樣會對巖石速度造成一定程度的影響。事實上，成巖作用本身離不開地層壓力場和溫度場的影響。地震波速度隨埋深、地質年代的變化，本質上是溫度、壓力以及成巖作用過程中物理化學場綜合影響的結果。應當注意的是，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，溫度較壓力對地震波速度的影響幅度要小得多。綜上所述，埋深、地質年代對地震波速度的影響實際上是壓力、溫度、物理化學作用等多種環境因素綜合作用下的外在表現。將埋深或地質年代作為影響地震波速度的因素是不恰當的，無法從根本上反映或揭示地震波速度變化的特征。

2.4 速度各向異性關系的內在本質

眾所周知，各向同性和各向異性指的是介質物理性質與方向的關系。若介質物理性質不依方向而變化，則稱為各向同性介質；反之，若介質物理性質依方向而變化，稱為各向異性介質。顯然，不論是各向同性還是各向異性，均為介質物性特征的外在表現。因此，將各向異性作為地震波速度影響因素同樣是不恰當的。研究[17,36-37]表明，介質呈現各向異性的主要原因在于巖石構造的順序性不均勻。這種順序性在沉積巖中表現最為明顯。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或沉積旋回有關，如平行層理構造。②與巖石裂縫走向有關。受區域大地構造走向和構造應力作用影響，巖石裂縫往往沿一定方向發育，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育方向的不同，造就了地震波速度與方向有關的異常分布。③巖石中具有晶體結構的礦物顆粒定向排列。對于具有后兩種順序性的巖石介質，因各向異性單元體的尺度遠小于地震波波長，常將此類巖石介質稱為理想各向異性介質。由此可見，真正決定地震波速度表現為各向同性或各向異性的內在本質取決于巖石自身內部構造(礦物排列方式、空間分布等)以及巖石內部孔隙、裂隙系統是否存在順序性。在地震勘探中，大多數巖石介質，如火成巖、變質巖、碳酸鹽巖、砂泥巖等，其彈性性質或地震波速度一般都沒有表現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。但是，對于大多數沉積巖，特別是具有明顯層理構造的頁巖、煤，或巖石裂縫系統具有固定發育方向的裂縫灰巖，以及其他具有晶體結構的礦物顆粒規律排列的巖石等，均會呈現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的。真正導致地震波速度變化呈現各向異性或各向同性的本質因素是巖石內部的層理構造(礦物顆粒排列方式、空間分布等)以及孔隙、裂縫系統的空間分布。如果籠統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部層理構造(礦物顆粒排列方式、空間分布等)引起的，還是由于孔隙、裂縫系統的空間分布引起的，或者二者兼而有之。

2.5 生產史、構造史、壓力史、成藏過程等與地震波速度的關系

地震波速度通常會隨著生產史、構造史、壓力史、成藏過程等變化，這種變化均為巖石內部特征變化的外在表現，并非地震波速度變化的內在本質。以油藏注水強化開采為例[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，進而可能導致地層孔隙閉合、孔隙度減小，這些均會對地震波速度變化產生影響；此后，隨著注水強化開采工藝實施，地層壓力趨于穩定，但是油藏內流體性質、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使得地層溫度有所降低，這些同樣會對地震波速度變化造成影響。不同的開發階段由于儲層變化特點不同，導致影響地震波速度變化的因素也不同，進而表現出地震波速度隨生產史的不同變化規律。再者，對于不同的開采方式，地震波速度隨生產史的變化也不盡相同，但究其本質不外乎地層溫度、地層壓力以及飽和度、孔隙度等變化。因此，籠統地將生產史作為地震波速度的影響因素是不恰當的。因為生產史本身是一個包含多因素的復雜系統，所以，將生產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，也難以構建普適變化規律。無獨有偶，諸如構造史、壓力史以及成藏過程等對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，將生產史、構造史、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的，不利于地震波速度變化機理研究，無法揭示地震波速度變化的內在本質和普遍規律。

2.6 物理化學場對地震波速度的影響

在巖石成巖作用過程中，單純的壓實作用主要是通過改變地層孔隙度進而影響地震波速度。但是在特定地層溫度、壓力條件下，巖石內部可能發生變質、相變、脫水、重結晶以及塑性變形等物理化學作用。變質作用可使得巖石性質由酸性變為基性或超基性，相應地震波速度會增大；相變是巖石在一定溫度、壓力條件下巖石結構的改變，如晶格改變，一般會使得地震波速度減小；當然巖石內部孔隙流體的相變，如地層水高溫汽化和低溫結冰固化等相態變化同樣會改變地震波速度。巖石脫水是指在一定溫度條件下失去結晶水，所排出的水或水蒸氣儲存于周圍孔隙中，由此導致地震波速度變化；重結晶作用使得非結晶物質變成結晶物質或使細粒結晶物質變成粗粒結晶物質，進而使得地震波速度有所增大。巖石塑性化一般會使得地震波速度減小，而塑性硬化又會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、化學場的作用，對地震波速度的影響同樣是不可忽視的重要影響因素。

2.7 理論計算分析

以大慶油田的一個油水飽和砂巖樣實測縱、橫波速度參數作為約束和控制，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、溫度以及泥質含量的變化規律，結果見圖1～圖3。

圖3 地震波速度隨泥質含量的變化

圖1為儲層油—水飽和情形下速度隨孔隙度、含油飽和度的變化曲線。圖中空心圓點為地震波速度控制點。顯然，縱、橫波速度隨孔隙度的增加單調遞減，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遠小于地震波速度隨孔隙度的變化。這至少可以從一個側面說明孔隙度是影響地震波速度變化的關鍵因素。相比之下，橫波速度隨含油飽和度的變化更小，除高含油飽和度時略有增大外，地震波速度變化幾乎可以忽略不計。這與前述結論認為孔隙流體類型和飽和度變化主要是通過密度的變化對橫波速度產生微弱的影響完全一致。橫波速度之所以會隨含油飽和度增大略有增大，是因為隨含油飽和度增加油水飽和巖石的密度降低。對于縱波而言，因含油飽和度增加引起密度降低的幅度遠遠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。這說明對于固結巖石，地震波速度隨含油飽和度的變化幅度遠遠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是當上覆地層壓力為26MPa時，計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。這是因為上覆地層壓力一定時，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是當有效壓力一定時，計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。這是因為溫度增加通常會使得巖石基質軟化，彈性模量減小，進而表現為地震波速度降低。

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含量變化曲線。可以看出，地震波速度隨泥質含量的增加而減小。砂巖中泥質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。對比圖1a和圖3不難看出，泥質含量對地震波速度的影響與孔隙度影響基本相當，這至少可以從一個側面說明巖石礦物組成是影響地震波速度的關鍵因素之一。

圖4顯示了上覆地層壓力一定時，砂巖儲層埋深分別為1100m、2100m、3000m，且分別為油水飽和時的縱、橫波速度隨有效壓力變化曲線[39]。由圖可見，不論儲層埋深如何，水飽和砂巖的縱波速度均高于輕質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深度正常壓實情形下儲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在本質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

關于成巖作用對地震波速度的影響目前尚沒有相關理論公式可以清楚揭示二者之間的關系。但是Murphy等[40]通過對氣飽和純石英砂(未固結成巖)和砂巖樣品的超聲波測量數據(測量有效壓力為50MPa)的統計分析發現，干巖石骨架模量表現出對孔隙度的明顯正相關關系，而且未固結成巖的氣飽和純石英砂樣與固結成巖的砂巖樣本干巖石骨架模量隨孔隙度的變化關系并不一致。對于φ≤0.35的固結砂巖樣本，最佳經驗擬合公式為

(13)

對于φ>0.35的未固結砂樣，最佳經驗擬合公式為

(14)

利用上述二式簡單計算后不難發現，固結砂巖樣本干巖石體積模量和剪切模量均比未固結松散石英砂樣高。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，進而使得固結巖石縱橫波速度增大。

云美厚等[41]曾就油藏注水開發過程中儲層巖石地震波速度和密度的變化進行了較為細致的分析計算，揭示了油藏注水開發過程中儲層地震波速度和密度的變化是注水開發引起的孔隙流體飽和度、儲層溫度及壓力、孔隙度、滲透率和孔隙流體性質等共同作用的結果。在一定程度上說明了油藏生產史或成藏過程對地震速度影響的內在本質，同時也說明將油藏生產史或成藏過程等作為地震波速度影響因素是不恰當的。

3 結論

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

(2)地震波速度是否表現出頻散效應與介質特性有關。在均勻各向同性介質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機制包括Biot流動機制和噴射流機制兩種。

(3)地震波速度影響因素可分為內在地質因素和外在環境因素兩大類。前者主要包括巖石礦物成分、含量、結構、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作用，包括壓力場、溫度場、各種物理化學場等。

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

(5)巖性是巖石礦物成分、結構、含量、孔隙等多種巖石基本地質特性的綜合反映，籠統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特征。

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

(7)地震速度各向異性特征源于巖石內部礦物顆粒定向排列形成的層理構造、以及孔隙結構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確反映巖石內在本質特征對速度的影響。

(8)地震波速度隨生產史、構造史、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，將其作為地震波速度變化的影響因素無法揭示速度變化內在本質和普遍規律，不利于地震波速度變化機理研究。

(9)在特定條件下，巖石內部物理化學場對地震波速度的影響是不可忽視的。