楊慶道，王偉鋒，尹以東，趙玉生，李繼白，胡建輝

(1.中國石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266555;2.中石化 西南石油局云南物探公司，云南 昆明 650233)

能量屏蔽作用的類型、形成機制及應(yīng)對方法

楊慶道1，王偉鋒1，尹以東2，趙玉生2，李繼白2，胡建輝2

(1.中國石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266555;2.中石化 西南石油局云南物探公司，云南 昆明 650233)

對不同地區(qū)地震波傳播條件進行分析，認為能量屏蔽作用的產(chǎn)生機制有3種:一是強反射界面引起反射型能量屏蔽;二是強黏滯層劇烈吸收損耗引起的耗散型能量屏蔽;三是粗糙面上或非均質(zhì)介質(zhì)中的地震波散射引起的散射型能量屏蔽。有時強能量耗散帶與強反射界面伴生，產(chǎn)生雙重能量屏蔽作用。根據(jù)3類能量屏蔽作用機制，提出克服或減少能量屏蔽作用的7種方法:①優(yōu)化測線部署避開強能量耗散帶和散射帶;②從激發(fā)、接收方面增加透過能量;③優(yōu)化觀測方式避開屏蔽段;④采用高密度地震勘探增加有效接收道;⑤用處理手段消除由強反射界面衍生的多次波、折射波，以及屏蔽帶衍生的其他干擾;⑥用轉(zhuǎn)換橫波勘探以增大強反射界面的最大透射能量窗;⑦黃土塬區(qū)適當結(jié)合彎線勘探以減少黃土層的強吸收屏蔽和黃土層底界的強反射屏蔽。

能量屏蔽;形成機制;地震波;反射;透射;耗散;散射

地震勘探要求彈性波在層狀介質(zhì)界面上發(fā)生 穩(wěn)定的反射和透射，這需要一定的介質(zhì)條件。地下介質(zhì)有時存在3種情況，使彈性波無法有效反射和透射:一是存在強反射界面，絕大部分入射波被反射回去，透過能量大幅減少，稱為反射型能量屏蔽;二是存在強能量耗散帶，彈性波在此介質(zhì)區(qū)間振動能量快速吸收損耗并轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，稱為耗散型能量屏蔽;三是存在強散射帶，地震波在介質(zhì)帶中向不同方向發(fā)生散射、偏轉(zhuǎn)，能量無法按正常路徑傳播，稱為散射型能量屏蔽。無論強反射作用，強耗散作用或強散射作用，這些屏蔽面或屏蔽帶對地震波傳播具有阻隔作用，透過能量大幅減少，地震波能流密度銳減，下伏巖層成為“被屏蔽”區(qū)，剖面和炮集上表現(xiàn)為“能量弱”，反射信息缺失，野外地震采集中往往慣性地從增加激發(fā)藥量的思路去設(shè)法增強反射能量，而忽略了從激發(fā)點到接收點的地震波傳播過程中增加透過能量的方法。目前國內(nèi)外對能量屏蔽作用的研究局限于強反界面的能量屏蔽［1-3］，對強耗散帶和強散射帶引起的能量屏蔽作用的研究尚處空白。筆者在對3種能量屏蔽作用形成機制進行分析的基礎(chǔ)上，從增加屏蔽面或屏蔽帶透過能量的角度去尋求減少能量屏蔽作用的應(yīng)對方法。

1 能量屏蔽作用發(fā)生的主要地質(zhì)類型

能量屏蔽作用主要發(fā)生在4類地質(zhì)條件區(qū)。

1.1 灰?guī)r出露區(qū)

圖1所示，該炮激發(fā)點位于砂巖區(qū)，接收排列跨越砂巖露頭區(qū)和灰?guī)r露頭區(qū)［1］，激發(fā)能量強，但砂巖接收段上1.5～2.5 s之間的優(yōu)質(zhì)反射波在灰?guī)r接收段上能量銳減、頻率變低。該炮灰?guī)r和砂巖露頭區(qū)反射波能量的巨大差異，源于兩者地震波傳播條件的差異。砂巖區(qū)低、降速層間速度差異較小，近地表為低速層、降速層和高速層3層結(jié)構(gòu)，平均速度分別為0.4、1.2和2.4 km/s。灰?guī)r區(qū)一般為風(fēng)化的低速層直接覆蓋在灰?guī)r高速層上，速度分別為0.4和5.2 km/s，呈雙層結(jié)構(gòu)，形成強反射界面。此外，灰?guī)r往往與鹽巖、煤層和砂泥巖互層，也形成強反射界面。

除了存在多種強反射界面外，灰?guī)r露頭區(qū)還普遍發(fā)育溶洞。溶洞中往往被空氣和地下水充填，地震波在溶洞界面發(fā)生無序散射，能量無法正常傳送。

1.2 煤層、膏鹽層及火成巖夾層區(qū)

當淺層有煤層、膏鹽層或火成巖夾層時，容易與周圍巖層構(gòu)成強反射界面。在通南巴地區(qū)，中生代白田壩組、須家河組砂巖中夾有兩套煤層，在兩組地層露頭區(qū)，地震資料品質(zhì)顯著變差。中國中、東部新生代盆地中有時發(fā)育膏鹽層和火成巖層，也與相鄰巖層形成強反射界面［2］。

1.3 黃土塬與第四系覆蓋區(qū)

黃土塬區(qū)地表覆蓋厚度幾十米至幾百米的黃土層，除地震波激發(fā)和接收條件差外，黃土層一般直接覆蓋在中生代老地層上，速度差可達2.0 km/s，產(chǎn)生強反射界面。同時，干燥疏松的黃土層對下行波和上行波強烈吸收損耗。黃土層強烈吸收，以及其底界面的強反射作用使下伏巖層地震反射能量大幅減弱，信噪比低。

第四系覆蓋區(qū)地震波傳播條件與黃土塬區(qū)相似。圖2是松潘地區(qū)一剖面段，TQ為第四系底反射界面。第四系厚度中間減薄并缺失，向兩端逐漸變厚至近400 m，與此相應(yīng)，剖面中段1.8 s以后有較強的反射波，向兩端反射能量變?nèi)跎踔料А?/p>

圖2 松潘地區(qū)第四系沼澤區(qū)剖面品質(zhì)變化Fig.2 Quality changes on a section in Songpan Quaternary covered area

1.4 逆沖斷裂帶

斷裂帶露頭區(qū)巖塊破碎，激發(fā)接收條件差，而在地下，兩盤巖層長距離相對運動中相互擦刮、研磨，可以形成寬達上千米的斷裂破碎帶，地震波在破碎巖塊上向不同方向發(fā)生散射，能量無法正常下傳。圖3為通南巴地區(qū)一條穿過斷裂帶的地震剖面段，逆沖斷層把二疊系老地層直接推覆在侏羅系之上，產(chǎn)生近6 km寬的斷裂破碎帶，對地震波產(chǎn)生強烈散射作用，斷裂帶下伏層表現(xiàn)為空白反射。

圖3逆沖斷裂帶的能量屏蔽作用Fig.3 Energy shielding effect in overthrust zone

2 能量屏蔽作用形成機制

2.1 強反射界面能量屏蔽作用機制

根據(jù)能量守恒定律，反射系數(shù)R與透射系數(shù)T存在能量消長關(guān)系，即T=1－R，因此，反射系數(shù)值越大，透過能量越弱，界面的能量屏蔽作用越強。此外，當入射角超過臨界角后發(fā)生全反射時，成為地震波透射的盲區(qū)，發(fā)生路徑屏蔽。

不同巖石的波阻抗差異大［4-6］，例如，通南巴地區(qū)灰?guī)rP波波阻抗往往是砂泥巖的3～4倍，因此，該區(qū)灰?guī)r與砂巖、泥巖、煤層的界面往往構(gòu)成強反射界面。低速層、降速層的速度一般分別為0.4和1.2 km/s，高速層速度一般大于2.0 km/s，因此，低速層、降速層與高速層之間的界面是不同地區(qū)普遍存在的強反射界面。

反射系數(shù)和透射系數(shù)由入射角和介質(zhì)的物理參數(shù)決定。為了說明地震波在不同巖層界面上的反射和透射能量變化規(guī)律，本文中分別采用波阻抗值為上小下大、上大下小兩組參數(shù)，繪制縱波及轉(zhuǎn)換橫波反射系數(shù)曲線(圖4、5，其中橫波速度vs取泊松比σ=0.25算得，介質(zhì)密度由Gardner公式算得)。

圖4 幾種不同阻抗差界面的反射系數(shù)曲線Fig.4 Several reflection coefficient curves with different impedance interfaces

同一介質(zhì)橫波速度與縱波速度差異較大。兩者運動學(xué)、動力學(xué)特征存在巨大差別，產(chǎn)生能量屏蔽作用的機制也不同。當vp2＞vp1時，反射P波具有臨界角i=arcsin(vp1/vp2)。當α＞i時，P波透射角等于90°，并發(fā)生全反射(圖4(a))，但因vs2＜vp2，SV 波透射角小于90°，未發(fā)生全反射，SV波仍能有效下傳(圖4(b))。在一個反射界面上，對應(yīng)于臨界角的波能夠透過的最大圓面稱為能量透過窗。反射系數(shù)越大，入射臨界角越小，能量透過窗越小，透射能量越少。在 vp2＜vp1時，P波沒有臨界角(圖 4(c)、(d))，但與vp2＞vp1時相似，阻抗差越大，反射系數(shù)越大，能量屏蔽作用越強。圖5采用與圖4(a)、(b)相同的曲線參數(shù)，在P波入射角α＞i后，P波發(fā)生全反射而無透射波，SV波透射能量反而逐漸增大到最大值。由上述分析可知，由于存在強反射界面，當P波發(fā)生強能量屏蔽作用無法獲得下伏巖層反射信息時，采用轉(zhuǎn)換橫波勘探可避免或減弱能量屏蔽效應(yīng)。

圖5 幾種不同阻抗差界面獲得的P波及SV波透射系數(shù)曲線Fig.5 P and SV wave transmission coefficient curves with different impedance interfaces

地震波每次穿透一個界面都發(fā)生反射和透射，每個界面上由于反射導(dǎo)致透過能量減少，稱為透過損失［7］。一個強反射界面的能量屏蔽作用大小是地震波往返兩次透過該界面時的透過能量損失。當存在多個強反射界面時，對下伏層的能量屏蔽作用更大。如圖6所示，為了便于分析，設(shè)地震波垂直入射到n個水平層狀介質(zhì)，這在界面深度大于偏移距時近似成立。n層界面的反射系數(shù)分別為R1，R2，…，Rn。地震波往返兩次通過同一界面Ri時，振幅透過損失為

因此，當存在多個強反射界面時，透過能量更少。

2.2 耗散帶的能量屏蔽作用機制

實際介質(zhì)是非完全彈性的，介質(zhì)內(nèi)不同單元間存在內(nèi)摩擦力，正如阻尼的存在會導(dǎo)致振動能量向其他能量轉(zhuǎn)化，內(nèi)摩擦力的存在導(dǎo)致機械能不可逆地向其他能量轉(zhuǎn)換而損耗。當?shù)叵麓嬖谝粋€強黏滯層或塑性層，地震波在此間大部分能量被快速吸收損耗，耗散帶之下地震波能流密度急劇減小?？梢杂媒橘|(zhì)的能量衰減系數(shù)β表示波在耗散帶中的能量損耗。地震波振幅隨穿過耗散帶距離的增大而呈指數(shù)衰減［8］，即

式中，A0為地震波穿越耗散帶前初始振幅;A為地震波穿過厚度為r的耗散帶后的振幅;β為耗散帶的距離吸收系數(shù)。

因此，地震波穿越耗散帶引起振幅吸收損失因子是

距離吸收系數(shù)β及黏滯層厚度r越大，耗散因子Dβ越小，正常透過能量越弱，耗散帶的能量屏蔽作用越強。地震勘探中常見的耗散帶有:①欠壓實的未固結(jié)巖層，主要有第四系、部分欠壓實垮塌堆積帶、沼澤區(qū)等，這些介質(zhì)阻尼系數(shù)大;②低降速帶，地震能量在低降速層中的衰減是巨大的，尤其對高頻信號的選擇性吸收;③黃土塬及其他干燥松散的表層土，振動能量不能在質(zhì)點間充分傳送。

2.3 散射帶的能量屏蔽作用機制

散射由界面的粗糙性和介質(zhì)的不均勻性引起。從物理學(xué)角度來說，如果界面凹凸不平，但凹凸部分的尺度相對于波長很小的入射波，界面將發(fā)生波的反射，若相對于波長較大的入射波則發(fā)生散射。介質(zhì)內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分不均勻引起傳播路徑隨機偏轉(zhuǎn)和改向，或存在粗糙面引起反射聚焦和發(fā)散，都會引起地震波向不同方向無序散射，不能按正常路徑透射往返，對下伏層產(chǎn)生路徑屏蔽。在地下一定區(qū)段，存在把地震波向不同方向散射的介質(zhì)區(qū)間，稱為散射帶。如圖7所示，由震源激發(fā)的入射波在散射體上發(fā)生一次、二次或多次散射［9］，由于在散射帶內(nèi)多次散射改向，射線傳播路徑與正常一次反射波傳播路徑完全不同，失去了一次反射波的可疊加性。與強黏滯耗散帶不同，地震波在耗散帶內(nèi)被大量吸收，而在散射帶內(nèi)主要通過向不同方向多次無序散射而與散射帶系統(tǒng)外發(fā)生能量交換。

圖7 斷裂破碎帶的能量屏蔽作用示意圖Fig.7 Sketch map of energy shielding effect through fractured zone

野外地震采集中常見的散射帶有:①斷裂破碎帶。壓縮環(huán)境下斷層兩盤相向運動引起巖石刮擦破碎，可形成寬達上千米的斷裂帶，破碎帶內(nèi)為許多大小不等、排序雜亂的粗糙巖塊。②礫石夾層。地史上差異升降構(gòu)造事件中形成的厚層礫石沖積層，或冰川作用引起的冰磧巖。③山前帶。不同粒徑巖石混雜堆積，分選差。④粗糙面。主要為角度不整合面，產(chǎn)生凹凸不平的剝蝕面。⑤溶洞?；?guī)r露頭區(qū)低降速層中往往發(fā)育溶洞，洞內(nèi)為地下水和空氣，溶洞表面為不規(guī)則的強散射界面。⑥沙丘。

國內(nèi)外學(xué)者目前對散射波的特征［8］、波場表達式和能量傳播公式［10-11］進行了初步研究，但對于不均勻介質(zhì)中或粗糙面上散射引起對下伏層能量屏蔽作用的研究還未涉入。入射波在散射體表面向不同方向發(fā)生散射，透過能量大幅減少。事實上，對散射帶的能量屏蔽效果無須更多去關(guān)注有多少能量在散射帶內(nèi)、外損失，只要在散射帶內(nèi)發(fā)生多次散射，即便穿過散射帶后再從下伏巖層界面反射到地面檢波器的地震波，都已失去了正常反射波的時距曲線特征和可疊加性。

3 不同能量屏蔽類型的疊加效應(yīng)

許多情況下，能量屏蔽作用是兩種屏蔽類型的疊加，產(chǎn)生雙重能量屏蔽作用。例如，黃土塬和第四系覆蓋區(qū)，表層為松散的強黏滯性能量耗散帶，同時，耗散帶與下伏老地層之間為一強反射界面。耗散帶的強烈吸收和底界面的強烈反射對下伏層產(chǎn)生雙重能量屏蔽，地震波透過耗散帶及其底界面的能量損耗因子為

式中，Dr為往返兩次穿過單個耗散帶底界面的透過損失因子。損耗因子越小，穿過屏蔽面和屏蔽帶的能量越少，能量屏蔽作用越強。

4 減弱能量屏蔽作用的方法

強反射界面、強耗散帶和強散射帶的能量屏蔽作用引起屏蔽面或屏蔽帶下地震波能流密度銳減，野外地震采集中可根據(jù)具體的屏蔽類型，采取針對性方法來減弱能量屏蔽作用。

(1)優(yōu)化測線部署，避免在斷裂帶上平行斷裂走向部署測線。在四川通南巴、云南楚雄等大型逆沖斷裂帶發(fā)育區(qū)，通過適當平移測線，或調(diào)整測線與斷裂帶垂直部署，縮小剖面上空白反射段長度。

(2)從激發(fā)和接收兩方面采取聯(lián)合措施，炮井打穿低速層界面，檢波器挖深坑埋置，達到減少近地表強耗散帶和強反射面能量屏蔽作用的目的。①炮井打穿低速層與高速層強反射界面和第四紀強耗散帶。凌云［12］通過雙井微測井方法對近地表吸收衰減進行分析，能量與頻率的衰減主要發(fā)生在0～2 m風(fēng)化層中，振幅衰減達20 dB，在6～35 m間激發(fā)，200 Hz以下信息差別不大，僅差2～4 dB。因此，低速層是重要的強能量耗散帶和頻率衰減帶，低速層底界為強反射界面。②檢波器挖深坑埋置以減少風(fēng)化層的吸收損耗。③在保證炮點相對均勻的同時優(yōu)選炮點，避開在垮塌堆積、破碎巖塊和礫石層覆蓋區(qū)。④灰?guī)r溶洞發(fā)育區(qū)采取適當變偏，或繼續(xù)下鉆至基巖中下藥激發(fā)。⑤根據(jù)地形坡度和巖層傾角適當增加井深。巖層傾角越大，視厚度越大，打穿同一層需要的井深越大。⑥采用長藥柱激發(fā)，增加炸藥震源下傳的方向特性。⑦加強悶井工作，提高下傳能量。⑧在欠壓實地層中采用組合激發(fā)。當藥量增加到圍巖彈性限度，再增加藥量只能增加干擾波的能量，資料信噪比反而降低，此時，可采用組合激發(fā)以增強下傳能量。

(3)根據(jù)巖石地球物理特征，以及強反射界面、強耗散帶和強散射帶分布范圍及深度，通過模型正演選擇合理的道距、最大炮檢距以及合適的觀測方法。

(4)采用小道距的高密度地震勘探以增加有效接收道。全反射臨界角之內(nèi)的地震波才能有效透射，當淺、中層存在強反射界面時，能量透過窗變小，采用高密度地震勘探，在增加覆蓋次數(shù)的同時，也增加了能量透過窗內(nèi)的有效接收道數(shù)。

(5)在處理中采用合適的手段消除由強反射界面衍生的多次波、折射波，耗散帶引起的面波，以及散射帶引起的隨機散射干擾。

(6)黃土塬區(qū)適當采用彎線與直線相結(jié)合的勘探方法降低黃土層的吸收屏蔽和黃土層底界面的反射屏蔽(圖8)。

圖8 黃土塬區(qū)直線(左)和彎線(右)炮集對比Fig.8 Shots comparison between straight line and crooked line in Loess area

(7)用轉(zhuǎn)換橫波勘探，以增大強反射界面的最大透射能量窗，減弱強反射界面能量屏蔽作用。高速巖層屏蔽區(qū)的巖下地震成像一直是地震勘探中的難題。從圖5透射系數(shù)曲線可知，轉(zhuǎn)換波速度比縱波低得多，具有克服強反射界面能量屏蔽作用的優(yōu)勢，在火成巖強反射屏蔽［13-14］、淺層氣云的強吸收屏蔽區(qū)［15］轉(zhuǎn)換波勘探成功克服了縱波能量屏蔽效應(yīng)，可在今后相似的屏蔽區(qū)進行推廣。目前，國內(nèi)外還沒有對灰?guī)r出露區(qū)進行轉(zhuǎn)換波勘探的實例可以借鑒，但由于灰?guī)r出露區(qū)存在多個強反射界面的能量屏蔽作用，今后可對基巖相對完整、破碎程度低的地區(qū)進行轉(zhuǎn)換波勘探，有望減小由于灰?guī)r區(qū)強反射界面的能量屏蔽作用對資料品質(zhì)的影響。

5 結(jié)束語

地震波在傳播過程中遇到強反射界面、強黏滯耗散層或散射帶，地震波能量難以正常下傳，產(chǎn)生能量屏蔽作用，下伏層地震波能流密度大幅減少，資料難以獲得。針對3種能量屏蔽作用機制，地震采集中根據(jù)具體情況采取針對性措施可以克服或部分減少能量屏蔽作用對資料品質(zhì)的負面影響。減弱能量屏蔽作用需要減少透過損失，增加透過能量，因此需要從激發(fā)、接收和有效傳播路徑三位一體去尋找提高資料品質(zhì)的途徑。

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Types of energy shielding effect，formation mechanism and countermeasures

YANG Qing-dao1，WANG Wei-feng1，YIN Yi-dong2，ZHAO Yu-sheng2，LI Ji-bai2，HU Jian-hui2
(1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;2.Yunnan Geophysical Company of Southwest Petroleum Bureau，SINOPEC，Kumming 650233，China)

By analyzing the seismic wave transmission conditions for different areas，three types of formation mechanism of energy shielding effect were proposed.Besides the energy shielding effect caused from strong reflection interface which is named as reflecting shielding，there are two mechanisms which greatly reduce the transmission energy and greatly degrade the seismic data quality.One is named as dissipation shielding where there are one or more strong viscous dissipation layers absorbing most of seismic energy rapidly.The other is named as dispersion shielding where there are one or more strong scattering belts scattering most of seismic energy to different directions.In some cases there are intense reflection interfaces as well as dissipation layers or dispersion belts which give rise to dual shielding effect.On the basis of the mechanism of the energy shielding effect，the following countermeasures were proposed to deal with the energy shielding effect:① optimizing the line deployment to avoid the energy shielding belt as far as possible，② increasing the transmission energy from shooting and receiving，③ selecting reasonable ways of observation on the basis of forward modeling of shielding interfaces or belts，④ introducing the high density seismic survey with small group intervals to increase the effective channels of receiving，⑤ eliminating noises such as multiples，ground roll waves derived from strong interfaces or other dispersion belts by means of seismic processing，⑥ increasing the maximum transmission windows of strong reflection interfaces by means of converted-wave seismic exploration prospecting，⑦ introducing crooking lines seismic survey to reduce the dissipation or reflection shielding in Loess areas.

energy shielding;formation mechanism;seismic wave;reflection;transmission;dissipation;dispersion

in sand and limestone outcropping surface

P 31

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.05.008

1673-5005(2011)05-0044-07

2011－08－28

國土資源部“全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評價”項目(XQ－2007－01)

楊慶道(1970－)，男(彝族)，云南武定人，高級工程師，博士研究生，從事地震采集方法研究。

(編輯 修榮榮)