張先康
(中國(guó)地震局地球物理勘探中心,鄭州450002)
地震科普
地震學(xué)百科知識(shí)(十)勘探地震學(xué)*
張先康
(中國(guó)地震局地球物理勘探中心,鄭州450002)
勘探地震學(xué)是用人工方法激發(fā)向地下傳播的地震波,通過觀測(cè)和分析地下巖層對(duì)激發(fā)地震波的響應(yīng)結(jié)果,用以推斷地下巖層的結(jié)構(gòu)形態(tài)和物理性質(zhì)的學(xué)科,是應(yīng)用地球物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科[1]。
勘探地震學(xué)是20世紀(jì)初期為尋找石油和天然氣礦床而發(fā)展起來的;20世紀(jì)中葉,勘探地震學(xué)的研究方法被用來研究地殼深部結(jié)構(gòu),俄國(guó)學(xué)者稱其為深地震測(cè)深法(deep seismic sounding,DSS)。此后,在地震學(xué)研究領(lǐng)域,勘探地震學(xué)方法一直是研究地殼詳細(xì)結(jié)構(gòu)的主要方法之一。
在地面或水中激發(fā)、并在不同位置觀測(cè)地下界面反射波的人工地震勘探方法[2-3]。被觀測(cè)的目標(biāo)層與上覆地層之間應(yīng)有一定的波阻抗差異。該方法對(duì)劃分具有一定厚度的沉積地層層序、探測(cè)隱伏斷層等地質(zhì)構(gòu)造方面效果較好。由于反射波法一般在激發(fā)點(diǎn)附近(在目標(biāo)層的首波盲區(qū)之內(nèi))觀測(cè),受激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾及地表結(jié)構(gòu)的影響較大。為獲取質(zhì)量良好的反射資料,在地震反射波法勘探中廣泛利用多次覆蓋技術(shù),以達(dá)到壓制干擾提高地震資料信噪比的作用。
地震波在傳播過程中,遇到介質(zhì)的彈性分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和透射,根據(jù)反射定律,反射角等于入射角,并且入射線和反射線與界面法線在同一平面內(nèi)(圖1)。
圖1 平面波的入射、反射和透射
當(dāng)?shù)卣鸩ù怪比肷涞浇缑鏁r(shí),反射波振幅Ar與入射波振幅Ai之比有如下關(guān)系:
式中R為反射系數(shù),Z1和Z2分別為界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗。
當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗相同時(shí)(即Z2=Z1),在界面上只有透射波而不產(chǎn)生反射波;只有當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗有差異時(shí)(即Z2≠Z1),才會(huì)產(chǎn)生反射波。界面兩側(cè)的波阻抗差(Z2-Z1)越大,反射波強(qiáng)度越強(qiáng);界面兩側(cè)的波阻抗之和(Z2+Z1)越大,反射波的強(qiáng)度就越弱。由于地層的波阻抗一般隨著深度的增加而增大,因此,當(dāng)有相同的波阻抗差時(shí),深層的反射波比淺層的反射波弱。
反射地震記錄中包含著多種信息,其中,反射波的旅行時(shí)t和震源到檢波器之間的距離x的關(guān)系,稱為時(shí)距曲線t(x)。利用時(shí)距曲線可研究地下反射界面的幾何形態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造;利用地震反射記錄中的地震波振幅、相位、頻率、速度、振動(dòng)的偏振方向,以及其他參數(shù)所表現(xiàn)出的反射波的動(dòng)力學(xué)特征,能給出有關(guān)地層巖性、沉積環(huán)境等方面的信息。
反射波地震勘探需要的設(shè)備包括地震波激發(fā)源、接收裝置和記錄系統(tǒng)3個(gè)組成部分。①地震波激發(fā)源:陸地勘探中,主要采用爆破震源、機(jī)械式脈沖震源和可控震源;水域勘探中,主要采用電火花震源和空氣槍。②地震波接收裝置:地震波的接收可采用各種類型的檢波器,在陸地,通常使用帶尾錐的速度檢波器接收地震波;在水域則使用對(duì)壓力敏感的水中檢波器(即壓敏檢波器、水聽器)或海底三分量檢波器。③地震數(shù)據(jù)采集儀器:地震反射記錄系統(tǒng)通過對(duì)接收到的地震波進(jìn)行放大、濾波和增益控制來實(shí)現(xiàn)地震資料的采集。為確保強(qiáng)信號(hào)不出現(xiàn)限幅,弱信號(hào)也能被可靠地記錄下來,地震儀器應(yīng)具有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。為提高工作效率和滿足高的覆蓋次數(shù),地震記錄還需要有足夠的記錄道數(shù)。
利用人工激發(fā)的地震波,在地面不同位置觀測(cè)沿地下高速層頂面滑行的地震波來研究地下結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的人工地震勘探方法[1]。通常被用于測(cè)定彈性波速度、覆蓋層厚度、界面起伏形態(tài)、斷裂破碎帶以及深部構(gòu)造探測(cè)。但該方法對(duì)薄層和小構(gòu)造的分辨能力差,一般來說采用該方法不能探測(cè)速度逆轉(zhuǎn)層(下層速度比上層速度低的地層)。
當(dāng)界面之下的介質(zhì)波速v2大于上覆介質(zhì)波速v1,且波的入射角等于臨界角θ時(shí),透射波就會(huì)變成沿界面以v2傳播的滑行波,由滑行波在上部介質(zhì)中激發(fā)出新的波動(dòng),即地震折射波(圖2)。在臨界角以外(圖2中A點(diǎn)右側(cè))不遠(yuǎn)處,分界面上任意一點(diǎn)的滑行波會(huì)比反射波先到達(dá)地表的觀測(cè)點(diǎn),所以又把折射波稱為首波。在臨界角之內(nèi)的OA段上,是接收不到折射波的,這個(gè)范圍叫做折射波的“盲區(qū)”。
圖2 滑行波和折射波
在均勻水平層狀介質(zhì)中,折射波的視速度不變,其時(shí)距曲線為直線,時(shí)距曲線斜率的倒數(shù)就是折射波的視速度,等于地震波沿下伏介質(zhì)頂面的滑行速度。由出現(xiàn)折射波的起始點(diǎn)坐標(biāo)x=2h·tgθ可以看出,界面埋深越深,盲區(qū)越大。在出現(xiàn)折射波的起始點(diǎn),來自同一界面的反射波和折射波同時(shí)到達(dá)地表接收點(diǎn),反射波和折射波的時(shí)距曲線在該點(diǎn)相交。
與反射波方法相比,觀測(cè)折射波需要的炮檢距比反射波方法要大得多,反射波方法的最大炮檢距一般要求大約等于目標(biāo)層的埋深;而在折射波勘探中,要使目標(biāo)層的折射波作為初至波出現(xiàn),通常合理的最小炮檢距大約等于目標(biāo)層埋深的3~4倍。因此,折射波勘探的探測(cè)深度越深,需要的觀測(cè)長(zhǎng)度越遠(yuǎn),要求的震源能量也就越強(qiáng)。
折射波方法測(cè)量的是地下地層頂部的地震波速度,而反射波方法為了獲得相應(yīng)的速度信息,則要求地震波能量能穿過整個(gè)地層,且該層頂部的構(gòu)造也不容易由速度分析來得到,因此折射波方法在速度測(cè)量方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn),特別是在速度變化較大的地方,折射波方法通常能夠很好地發(fā)揮作用。在反射波方法無能為力的地方,利用折射波勘探獲得的地震波速度結(jié)構(gòu),可分析和研究地下的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。
在淺層地震折射波勘探中,大多采用與反射波勘探相同的地震儀;在深地震折射波勘探中,目前主要采用點(diǎn)測(cè)式數(shù)字地震儀。折射波勘探的地震波激發(fā)大多采用爆破震源;當(dāng)探測(cè)的目標(biāo)層較淺時(shí),也可采用機(jī)械式的脈沖震源或可控震源。由于同一目標(biāo)層的折射波比反射波的頻率低,因此,折射波勘探的地震波接收通常使用固有頻率<10 Hz的檢波器。
在地震勘探中,為了獲得連續(xù)完整的探測(cè)資料,必須按照一定的規(guī)則來布設(shè)地震波激發(fā)點(diǎn)和地震波接收點(diǎn),這種激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系稱為地震觀測(cè)系統(tǒng)。
根據(jù)地震波激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的相對(duì)位置,地震勘探測(cè)線分為縱測(cè)線和非縱測(cè)線2大類。當(dāng)?shù)卣鸩ぐl(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)分布在同一條直線上時(shí)稱為縱測(cè)線,激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)分布不在同一條直線上時(shí)稱為非縱測(cè)線。目前,在二維地震勘探中,主要采用縱測(cè)線工作方式;特殊情況下,為了查明大型地表障礙物下面的隱伏構(gòu)造時(shí),也采用非縱測(cè)線工作方式。在三維地震勘探中,則采用縱測(cè)線和非縱測(cè)線并用的工作方式。
在地震勘探時(shí),為了方便野外工作的布置,常用圖示法表示地震勘探的觀測(cè)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)明表示觀測(cè)系統(tǒng)的方法是采用綜合平面圖。從分布在測(cè)線上的各個(gè)激發(fā)點(diǎn)出發(fā),向兩側(cè)做與測(cè)線成45°角的直線,將測(cè)線上的接收段投影到通過激發(fā)點(diǎn)的直線上,用粗線或彩色線標(biāo)出,稱為綜合平面圖。其中的粗線或彩色線的交點(diǎn)是觀測(cè)系統(tǒng)的互換點(diǎn)(圖3)。
圖3 觀測(cè)系統(tǒng)綜合平面圖
當(dāng)?shù)叵陆缑嫠綍r(shí),綜合平面圖上每段粗線或彩色線在測(cè)線上的投影為所勘探的界面長(zhǎng)度,也稱覆蓋長(zhǎng)度。覆蓋是指對(duì)地下界面進(jìn)行采樣(地震道對(duì)地下界面某點(diǎn)反射的地震波進(jìn)行記錄),如果對(duì)界面上的每個(gè)點(diǎn)只采樣一次,稱為單次覆蓋;若對(duì)界面上的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多次采樣,則稱為多次覆蓋。多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)是地震反射勘探中使用最廣泛的一種觀測(cè)系統(tǒng)。為了適應(yīng)地震勘探中各種不同的要求,觀測(cè)系統(tǒng)還可分為簡(jiǎn)單連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)、間隔連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)、延長(zhǎng)時(shí)距觀測(cè)系統(tǒng)、多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)、非縱觀測(cè)系統(tǒng)等。
為消除地形、近地表風(fēng)化層厚度和速度等激發(fā)和接收條件變化對(duì)地震記錄的影響而進(jìn)行的時(shí)差校正稱為靜校正。在地震勘探時(shí),觀測(cè)面可能起伏不平,地下介質(zhì)在縱橫向上也可能存在不均勻現(xiàn)象,這些因素將使得地震記錄上的初至出現(xiàn)不規(guī)則的變化,反射波走時(shí)的雙曲線形態(tài)發(fā)生畸變,從而不能正確地反映地下的構(gòu)造形態(tài)。為了改善地震剖面的質(zhì)量,以便能正確地解釋地下構(gòu)造,就必須把上述因素引起的畸變加以校正。
靜校正主要有一次靜校正和剩余靜校正。一次靜校正是根據(jù)野外測(cè)得的近地表參數(shù)計(jì)算出靜校正量,然后對(duì)不同觀測(cè)點(diǎn)的傳播時(shí)間進(jìn)行校正。剩余靜校正是在一次靜校正未能完全消除近地表影響,包括動(dòng)校正后產(chǎn)生的剩余動(dòng)校正量的情況下,對(duì)數(shù)據(jù)中存在的剩余靜校正量所做的校正。
圖4 靜校正前、后的地震記錄
一次靜校正包括井深校正、地形校正和低速帶校正。剩余靜校正量分為長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)分量2大類。長(zhǎng)波長(zhǎng)分量是由近地表因素在大范圍內(nèi)(大于一個(gè)排列長(zhǎng)度)的變化所引起的時(shí)差,在一個(gè)排列內(nèi),炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的剩余靜校正量均為正或均為負(fù),它構(gòu)成了剩余靜校正量中的低頻背景。長(zhǎng)波長(zhǎng)分量對(duì)疊加效果影響不大,但會(huì)造成剖面上的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)發(fā)生畸變。短波長(zhǎng)分量是由于近地表因素局部變化或由于觀測(cè)誤差引起的時(shí)差,這種時(shí)差在一個(gè)排列內(nèi)或一個(gè)共中心點(diǎn)道集內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)。它的波長(zhǎng)短、波數(shù)高,在共反射點(diǎn)道之間引起較大的時(shí)差,直接影響疊加效果。
零偏移距記錄是一種理論上的記錄形式,在多次覆蓋地震勘探中一般采集的是非零偏移距記錄。這樣,由不同共炮點(diǎn)記錄上的不同接收道組成的共中心點(diǎn)道集中的各記錄道將具有不同的炮檢距,道集中的各記錄道具有不同的反射波旅行時(shí)。為了把這些道上的反射波到時(shí)校正到零偏移距(自激自收)的反射波到時(shí),就需要對(duì)記錄進(jìn)行正常時(shí)差校正(NMO),即把雙曲線形狀的共中心時(shí)距曲線校正為水平直線。由于正常時(shí)差△t是隨著反射波t0時(shí)(炮檢距為0時(shí)的反射波走時(shí))的變化而變化的(圖5),因此,這種校正也稱為動(dòng)校正。
動(dòng)校正的主要作用就是將非零偏移距的共中心點(diǎn)道集,轉(zhuǎn)換為近似的等效零偏移距道集,待疊加后獲得等效零偏移距疊加道,進(jìn)而獲得等效自激自收疊加剖面。
動(dòng)校正過程包括計(jì)算動(dòng)校正量和動(dòng)校正的實(shí)現(xiàn)。動(dòng)校正是在疊加速度分析之后進(jìn)行的,一旦獲得了準(zhǔn)確的(t0,v)數(shù)據(jù),就可以根據(jù)反射波雙曲線時(shí)距方程計(jì)算出反射波同相軸的軌跡,從而得到各道的動(dòng)校正量。由于反射波的t0時(shí)是已知的,因此,在對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正前,獲得準(zhǔn)確的疊加速度非常關(guān)鍵。地震道記錄的是振幅值,它是按一定的時(shí)間間隔采樣的振幅值序列。動(dòng)校正是將某個(gè)時(shí)刻記錄的樣點(diǎn)振幅向時(shí)間軸的反方向移動(dòng)。如果時(shí)移量是采樣間隔的整數(shù)倍,只需將樣點(diǎn)值移到新的時(shí)間位置即可;當(dāng)時(shí)移量不是采樣間隔的整數(shù)倍時(shí),由于動(dòng)校正后地震道上的采樣點(diǎn)時(shí)間位置保持不變,因此不能保留原來的樣點(diǎn)振幅值,需要根據(jù)這些振幅值插值出等間隔樣點(diǎn)位置上的振幅值。根據(jù)動(dòng)校正后樣點(diǎn)振幅值的計(jì)算精度的不同,又可分為普通動(dòng)校正、高精度動(dòng)校正等方法。
圖5 正常時(shí)差(△t)、動(dòng)校正(NMO)和疊加示意圖
當(dāng)界面水平時(shí),疊加剖面上所顯示的反射點(diǎn)位置位于共中心點(diǎn)的正下方;當(dāng)界面傾斜時(shí),疊加剖面上的反射點(diǎn)位置將沿界面偏離反射點(diǎn)的真實(shí)位置。對(duì)地震剖面進(jìn)行偏移,是使傾斜反射歸位到真正的地下界面位置,并使繞射波收斂,以顯示如斷層面等地下界面性質(zhì)的細(xì)節(jié)。偏移的目的是把反射波圖像恢復(fù)到地下地層的真實(shí)圖像。如果偏移處理是在已進(jìn)行了共中心點(diǎn)疊加的資料上進(jìn)行的,即稱為疊加偏移或稱疊后偏移。如果偏移處理是從原始地震資料開始,在疊加前就把反射點(diǎn)偏移到真實(shí)位置上,然后再對(duì)共反射點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,則稱為偏移疊加或疊前偏移。偏移處理不但能夠重建地下構(gòu)造圖像,而且,也可以提高地震勘探的空間分辨率。
偏移的分類可以按疊前、疊后來分,也可以按二維、三維來分。另外,還有時(shí)間偏移和深度偏移之分。二維偏移僅處理剖面內(nèi)的反射波同相軸,沒有考慮側(cè)面波和其他三維影響;三維偏移是在三維空間內(nèi)對(duì)反射波同相軸進(jìn)行重新定位,因此,獲得的地下構(gòu)造圖像更加準(zhǔn)確。時(shí)間偏移是指速度是時(shí)間(或深度)的函數(shù),該方法適用于疊加剖面上有繞射波或構(gòu)造有傾角、橫向速度變化不大的地區(qū)。深度偏移的速度結(jié)構(gòu)采用一個(gè)復(fù)雜的深度剖面來表示,即速度函數(shù)由v(x,z)給出;該方法適用于疊加剖面上有構(gòu)造傾角、橫向速度變化較大的地區(qū)。如果存在嚴(yán)重的橫向速度不均勻,已無法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析和疊加,應(yīng)采用疊前深度偏移。
截至目前,已發(fā)展了多種形式的、能在多域中實(shí)現(xiàn)反射波歸位的偏移處理方法。常用的建立在波動(dòng)方程基礎(chǔ)上的主要有3種方法,即克?;舴蚱啤⒂邢薏罘制坪蚮-k偏移方法及其各種變形。
地震勘探的地質(zhì)和構(gòu)造目標(biāo)位于三維空間,震源激發(fā)產(chǎn)生的彈性波在三維空間中傳播,傳統(tǒng)的二維地震勘探測(cè)線記錄的不僅有其垂直面內(nèi)的反射,也記錄到由不同方向上來的側(cè)面波,這些波應(yīng)被歸位到空間真實(shí)的位置上去。此外,二維觀測(cè)由于測(cè)點(diǎn)不夠密集,難以滿足有足夠精度和分辨率的勘探要求。三維地震勘探的實(shí)質(zhì)是通過密集測(cè)網(wǎng)的地震資料采集、三維數(shù)據(jù)體處理和解釋技術(shù),達(dá)到對(duì)繞射波的合理收斂和側(cè)面波的三維空間準(zhǔn)確歸位,準(zhǔn)確重現(xiàn)地下三維精細(xì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的方法。
用三維地震勘探方法探測(cè)研究地下構(gòu)造,需要根據(jù)測(cè)區(qū)條件和所要解決的地質(zhì)問題設(shè)計(jì)相應(yīng)的觀測(cè)系統(tǒng)。三維地震觀測(cè)系統(tǒng)主要有面積觀測(cè)系統(tǒng)和線性觀測(cè)系統(tǒng)2大類(圖6)。
三維地震勘探的地震波激發(fā)震源與二維地震勘探相同,在陸地主要采用爆破震源和可控震源,在水域主要采用電火花震源和空氣槍。三維地震勘探需要較多的儀器接收道數(shù),通常為二維地震勘探所用接收道數(shù)的數(shù)倍。
三維地震勘探的目的是提高資料的信噪比和分辨率。二維地震勘探采用CMP(共中心點(diǎn))疊加方法壓制干擾噪聲,提高地震資料的信噪比,然而,干擾噪聲的分布具有空間分布特征。三維地震勘探通過把同一個(gè)面元內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加來壓制空間噪聲,以達(dá)到提高地震資料信噪比的目的。地震數(shù)據(jù)的偏移處理是提高地震資料分辨率的主要手段。三維偏移不但考慮了沿測(cè)線方向上的構(gòu)造對(duì)地震數(shù)據(jù)的影響,同時(shí),也考慮了垂直測(cè)線方向上的構(gòu)造對(duì)地震數(shù)據(jù)的影響,因此,三維偏移能把地下三維地質(zhì)體偏移到實(shí)際的空間位置上。另外,在地震資料解釋中,還可以結(jié)合三維地震資料信息量豐富以及信噪比和分辨率高的特點(diǎn),通過采用反射層位的空間對(duì)比方法、三維相干數(shù)據(jù)體分析、三維可視化等技術(shù),對(duì)反射層位和地下構(gòu)造解釋施以更多的約束條件,進(jìn)而提高探測(cè)精度。
圖6 三維地震觀測(cè)系統(tǒng)分類
file,VSP)
垂直地震剖面法(VSP)是在地震測(cè)井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種地震勘探新技術(shù)。傳統(tǒng)的地震測(cè)井和聲波測(cè)井只利用直達(dá)波初至?xí)r間求取單一的地震信息(地震波速度),VSP采用與地震測(cè)井類同的工作方法,記錄初至波和續(xù)至波,獲取井孔附近的上行波、下行波場(chǎng)中的眾多地震信息。
VSP的基本工作方式是在地面設(shè)置地震波激發(fā)源,沿井孔在井下布設(shè)三分量檢波器,按照一定的間隔接收地震波(圖7)。
圖7 VSP基本工作原理
VSP勘探方法具有以下方面的特點(diǎn):
(1)VSP在井下介質(zhì)內(nèi)部記錄地震波,因此避開了近地表松散層對(duì)地震波場(chǎng)的影響。
(2)VSP資料不但包括了地面地震觀測(cè)所能接收到的地震波場(chǎng),而且還能采集到地面地震觀測(cè)所不能接收到的下行直達(dá)波。
(3)VSP在地面激發(fā),沿井孔順序布設(shè)觀測(cè)點(diǎn),可以獲得地面地震數(shù)據(jù)處理所需要的地震子波和精確的地震波速度。
(4)VSP采用井下三分量檢波器接收,可以觀測(cè)到縱波、橫波和轉(zhuǎn)換波等多種類型的地震波。由于各種波的到達(dá)方向不同,且隨著震源和觀測(cè)點(diǎn)的改變而改變,因此,更易于進(jìn)行界面附近的地震波動(dòng)力學(xué)研究。
VSP勘探所需要的探測(cè)設(shè)備包括地震波激發(fā)源、井下檢波器和記錄系統(tǒng)3個(gè)部分。①地震波激發(fā)源:由于VSP在地面激發(fā)地震波,因此,幾乎所有能用于地面地震勘探的震源都適用于VSP勘探。如果工作區(qū)的隨機(jī)噪聲很強(qiáng),采用可控震源和互相關(guān)方法能較好地壓制掃描頻帶以外的干擾噪聲,提高資料的信噪比。②井下檢波器通常采用三分量檢波器,檢波器的外殼設(shè)置有貼近井壁的推靠裝置和測(cè)距系統(tǒng)。③VSP記錄系統(tǒng)一般不需要太多的記錄道數(shù),但應(yīng)有足夠大的動(dòng)態(tài)增益和動(dòng)態(tài)范圍,以記錄弱能量的高頻地震波。
(作者電子信箱,張先康:xkzhang@public2.zz.ha.cn)
[1]陸基孟主編.地震勘探原理.北京:石油大學(xué)出版社,1993
[2]鄭緒文編著.反射波地震勘探方法,北京:石油工業(yè)出版社,1989
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10.3969/j.issn.0235-4975.2014.04.010
2014-02-27。