郎玉泉

(中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北 涿州　072750)

0　引言

在地震勘探中，地表條件簡單地區(qū)的靜校正問題已經(jīng)得到了很好的解決；但是對于地表條件復雜的區(qū)域，如山前、巖性突變區(qū)和黃土塬等地區(qū)，靜校正問題依然十分突出。在地表條件復雜地區(qū)，傳統(tǒng)的微地震測井、淺層折射和小反射等低降速帶調查方法已很難滿足高精度靜校正的要求，靜校正問題已嚴重影響地震資料速度分析及偏移成像質量[1-2]。初到波旅行時層析反演表層速度是基于射線理論，利用地震波旅行時信息來反演地層速度，因其不受地表及近地表結構變化的約束，是目前速度建模的一種準確高效的方法，在國內外已應用于沙漠、山地、沼澤和海洋等復雜地區(qū)的靜校正工作[1-9]。本文通過三個實例介紹初至波層析速度反演方法及取得的效果。

1　基本原理

根據(jù)Fermat原理，地震波在地層中傳播時總是沿用時最短的路徑傳播。在均勻各向同性假設條件下，地震波由炮點到接收點的旅行時可以表示為[9]

(1)

其中，s為炮點，r為檢波點，t(s,r)為炮點到檢波點的射線路徑，s(x,y)為慢度(速度的倒數(shù))。在離散條件下，公式(1)可以變換為

(2)

其中，lj為射線在第j個網(wǎng)絡內的射線長度，sj為第j個網(wǎng)絡的慢度。將公式(2)寫成矩陣形式，有

T=LS

(3)

其中，T為炮檢點旅行時矩陣，L為射線路徑矩陣，S為慢度矩陣。

通過建立慢度矩陣的初始模型S′，可以追蹤射線路徑矩陣L和炮檢點旅行時矩陣T′。通過對比實際旅行時和正演旅行時，得到旅行時差ΔT。慢度矩陣修正量ΔS可表示為

ΔT=LΔS

(4)

用ΔS對S′進行修正，通過多次迭代即可得到真實的慢度矩陣S，具體流程如圖1所示。

2　應用實例

2.1　活斷層探測

隨著我國城市化進程的加速，大量的城市、公路、鐵路和橋梁等基建項目上馬。由于表層構造，特別是活斷層的存在，嚴重影響了相關工程項目的順利建設。以山西某工程為例，該區(qū)地形復雜，既有山前平地，又有高差較大的地形。對于埋藏較深、地表較平坦的活斷層探測來說，常規(guī)的反射波地震勘探即可取得較好的效果，如圖3所示為該區(qū)DZ1測線地震剖面圖。該測線上存在一個斷距約300m的正斷層，從剖面圖上很容易地判別斷層落差、傾角和斷距等要素。但對于埋藏較淺或地表高程變化較劇烈的活斷層來說，探測效果則不盡如人意，如圖4所示。此為與DZ1測線相鄰的DZ5線地震剖面，但由于資料品質較差，反射波同相軸顯示不清楚，很難判斷是否存在斷層，更難判斷斷層的落差、傾角和斷距等要素信息。

因地層埋藏淺、地表高程變化大，導致反射波動校拉伸較嚴重、校靜正問題突出，常規(guī)處理難以取得較好效果。為了實現(xiàn)對DZ5線斷層所在位置和斷層信息的準確探測，利用拾取的初至波時間進行層析速度反演， 層析反演結果如圖4所示。圖中層速度為紅色的高速層顯示出明顯的錯斷，斷層位置清晰，并且可以判斷出斷層的落差、傾角和斷距等要素信息。對于其淺部地層來說，其速度明顯較低，符合第四系的特征。據(jù)此，可以推斷斷層形成年代早于第四紀。

圖2　地形平坦地區(qū)DZ1測線常規(guī)疊加地震剖面Figure 2　Landform flat area line DZ1 traditional stacked seismic section

圖3　地形復雜地區(qū)DZ5測線常規(guī)疊加地震剖面Figure 3　Landform complicated area line DZ5 traditional stacked seismic section

圖4　DZ5測線初至波層析速度反演速度剖面Figure 4　Line DZ5 preliminary wave tomographic velocity inversion velocity section

該實例表明，將常規(guī)反射波地震勘探與初至波速度層析反演相結合，可以明顯提高對淺層斷層等構造的探測精度。

2.2　橫向速度突變探測

對于我國西部部分沙漠地區(qū)的地震勘探來說，雖然表層基本水平或起伏很小，但下伏老地層頂界面起伏較大，造成表層速度橫向變化大、靜校正效果差。為此，以新疆哈密三塘湖地區(qū)實際資料為例，綜合應用折射波靜校正和層析靜校正，以解決此類地區(qū)的靜校正問題。

如圖5(a)所示，經(jīng)折射波靜校正后的地震剖面中間偏左位置處反射波凌亂、同相軸錯斷(紅色圓圈范圍)，懷疑存在靜校正問題。測量顯示本區(qū)域地形起伏較小，其靜校正問題應與地形無關。為了查明原因，利用初至波速度層析反演技術，獲得如圖6所示的表層速度分布圖。圖中顯示紅色圓圈范圍內表層速度存在明顯的橫向突變，說明此處高速基巖面起伏較大。鑒于這一發(fā)現(xiàn)，利用層析靜校正技術對實際資料進行重新處理，獲得如圖5(b)所示的地震剖面。對比圖5(a)和圖5(b)，發(fā)現(xiàn)圖5(b)中紅色圓圈范圍內的目的層反射波連續(xù)性明顯增強，基本解決了靜校正問題。

因此，對于地表地形起伏較小但表層速度橫向變化較劇烈的地區(qū)，利用層析靜校正可以較好地解決靜校正問題。

2.3　層析模型約束靜校正

淺層折射波初至含有豐富的長波長信息， 可以用來估計表層速度模型和計算靜校正量。但是，其前提假設表層模型是水平層狀。如果低降速帶速度或底界面橫向變化較快，假設前提不存在，折射波靜校正效果就很難今人滿意[6]。與折射波靜校正相比，層析反演靜校正由于沒有水平層狀表層模型的假設前提，在解決長波長靜校正時具有一定的優(yōu)勢。然而，由于地形或觀測系統(tǒng)的原因，層析反演時所追蹤的地震射線分布極不均勻，如圖7所示。圖中射線密度在地下界質中的分布最高者達211條，最低的僅有0條。對于射線密度較低的區(qū)域，其反演的速度可靠性也低。因此，利用層析反演速度直接計算的長波長靜校正量，可能會導致射線密度較低區(qū)域靜校正量計算的誤差增大。為了提高這些區(qū)域的靜校正精度，本次以層析反演的速度分布為基礎，建立折射波靜校正的初始模型，再通過適當處理，計算折射波靜校正量。

(a)是折射波靜校正后的地震剖面　　　　　　　(b)是層析靜校正后的地震剖面圖5　折射靜校正與層析靜校正疊加剖面對比圖Figure 5　Comparison of stacked sections from reflection statics and tomographic statics

圖6　初至波層析速度反演剖面圖Figure 6　Preliminary wave tomographic velocity inversion section

以瓦崗川二維測線靜校正為例，如圖8(a)所示， 瓦崗川地區(qū)的地表高程變化劇烈。為了提高折射波靜校正表層結構模型的可靠性和準確性，利用初至波層析反演獲得如圖8(b)所示的表層速度分布。由圖可知，研究區(qū)的低降速帶底界面不是一個水平或傾斜的界面，而是一個在橫向上有明顯變化的界面，如圖中黑色曲線所示。為了建立準確的折射波靜校正模型，以如圖8(b)所示的表層速度分布為輸入，通過空間平滑，可以獲得如圖8(a)所示的研究區(qū)表層結構圖。圖中，黑色曲線為層析反演速度推導出的降速層底界面，而紅色線為折射波分析建立的降速層底界面。

根據(jù)圖8(a)所示的表層結構模型，分別計算出靜校正量，再通過相同流程和參數(shù)處理獲得如圖9所示的地震剖面。對比發(fā)現(xiàn)利用層析模型約束的靜校正獲得的地震剖面，其目標層信噪比和連續(xù)性較高，如圖中紅色圓圈所示；由此可見，利用初至波層速度反演建立的表層結構模型進行的靜校正，可以明顯提高復雜表層結構地區(qū)靜校正效果。

3　結語

本次靜校正實例拓展了初至波層析速度反演技術的應用領域，獲得如下幾點認識：

(1)相對于小折射等傳統(tǒng)表層調查技術來說，初至波層析速度反演可以獲得精度較高的表層速度分布；

(2)將常規(guī)反射波地震勘探與初至波速度層析反演相結合，可以明顯提高活斷層的探測精度和可靠性，是表層探測方法的一種新思路；

(3)在表層速度橫向變化較劇烈的沙漠地區(qū)，層析靜校正的效果明顯優(yōu)于折射波靜校正；

圖7　瓦崗川地區(qū)DZ1測線射線追蹤路徑圖Figure 7　Wagangchuan area line DZ1 ray tracing path

(a)地表結構圖

(b)層析反演的近地表速度模型圖8　瓦崗川二維測線表層結構及層析速度分布Figure 8　Wagangchuan 2D line near-surface configuration and tomographic velocity distributions

(a)常規(guī)折射靜校正后的地震剖面

(b)層析模型約束靜校正地震剖面圖9　不同靜校正方法獲得的地震剖面對比Figure 9　Comparison of seismic sections from different statics

(4)根據(jù)初至波層析速度反演獲得的速度分布建立的表層結構模型，約束折射波靜校正量的計算，可以明顯提高復雜表層地區(qū)靜校正的效果。

參考文獻:

[1]屈紹忠.初至反演近地表速度的建模方法分析與應用[J].中國煤炭地質，2013，25(5).

[2]文雪康，劉勝，李世瓊，等.層析法在黃土塬區(qū)近地表結構調查中的應用[J].物探與化探，2012，36(5).

[3]沈驥千.沙漠戈壁地區(qū)地震資料層析靜校正研究與應用[J].中國煤炭地質，2012，24(6).

[4]王志剛，劉志偉，王彥春，等.復雜近地表區(qū)綜合長波長靜校正方法[J].石油地球物理勘探，2014，(03).

[5]趙艷平，寧俊瑞，高鴻，等.層析反演靜校正技術在鄂爾多斯盆地中黃土塬區(qū)的應用[J].中國煤炭地質，2010，22(5).

[6]于豪.折射波靜校正與層析靜校正技術適用性分析[J].地球物理學進展，2012，(06).

[7]胡自多，賀振華，王西文，等.無射線追蹤層析靜校正技術在黃土塬區(qū)的應用[J].石油地球物理勘探，2010，(S1).

[8]李福中，邢國棟，白旭明，等.初至波層析反演靜校正方法研究[J].石油地球物理勘探，2000，(06).

[9]李德華，程怡，沈驥千，欒國庭，胡小鵬.初至層析靜校正在復雜山地三維地震勘探中的應用[J].中國煤炭地質，2008，20(6).

[10]戴盈磊，王亞會.淺談高密度電法在隱伏斷裂探測中的應用[J].防災減災學報，2012，28(4).

[11]王立會，梁久亮，彭劉亞.初至波層析成像技術在隱伏斷裂探測中的應用[J].CT理論與應用研究，2015，(01).