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地震学百科知识(十)勘探地震学第一期_图文

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第4期(总第424期) 2014年4月 国际地震动态 o.4(o.424) 014 地震学百科知识(十) 勘探地震学* 张先康 (中国地震局地球物理勘探中心,郑州450002) 中图分类号:4; 文献标识码: A;0.3969/j.235 4975.2014.04.010 引言 勘探地震学是剧人工方法激发向地下传 播的地震波,通过观测和分析地下岩层对激 发地震波的响应结果,用以推断地下岩层的 结构形态和物理性质的学科,是应用地球物 理学的一个分支学科_1]。 勘探地震学是20世纪初期为寻找石油 和天然气矿床而发展起来的;20世纪中叶, 勘探地震学的研究方法被用来研究地壳深部 结构,俄国学者称其为深地震测深法(此后,在地震学研 究领域,勘探地震学方法一直是研究地壳详 细结构的主要方法之一。 1 反射波法(在地面或水中激发、并在不同位置观测 地下界面反射波的人工地震勘探方法 ]。 被观测的目标层与-[ 覆地层之间应有一定的 波阻抗差异。该方法对划分具有一定厚度的 沉积地层层序、探测隐伏断层等地质构造方 面效果较好。由于反射波法一般在激发点附 近(在目标层的首波卣区之内)观测,受激发 时产生的干扰及地表结构的影响较大。为获 取质量良好的反射资料,在地震反射波法勘 收稿日期:2014—02—27。 探中广泛利用多次覆盖技术,以达到压制干 扰提高地震资料信噪比的作用。 地震波在传播过程中,遇到介质的弹性 分界面时会产生反射和透射,根据反射定 律,反射角等于入射角,并且入射线和反射 线与界面法线在同一平面内(图1)。 图1 平面波的入射、反射和透射 当地震波垂直入射到界面时,反射波振 幅A 与入射波振幅A 之比有如下关系: 二巳 一 二 一 A 2+l 1 式中 和Z 分别为界面两 侧介质的波阻抗。 当界面两侧介质的波阻抗相同时(即 Z。一Z ),在界面上只有透射波而不产生反 射波;只有当界面两侧介质的波阻抗有差异 时(即Z。≠Z ),才会产生反射波。界面两侧 的波阻抗差(Z 一Z )越大,反射波强度越 强;界面两侧的波阻抗之和(z +Z )越大, 反射波的强度就越弱。由于地层的波阻抗一 国际地震动态 般随着深度的增加而增大,因此,当有相同 的波阻抗差时,深层的反射波比浅层的反射 波弱。 反射地震记录中包含着多种信息,其 中,反射波的旅行时距离 的关系,称为时距曲线 (z)。利用 时距曲线可研究地下反射界面的几何形态和 地质构造;利用地震反射记录中的地震波振 幅、相位、频率、速度、振动的偏振方向,以 及其他参数所表现出的反射波的动力学特 征,能给出有关地层岩性、沉积环境等方面 的信息。 反射波地震勘探需要的设备包括地震波 激发源、接收装置和记录系统3个组成部 分。①地震波激发源:陆地勘探中,主要采 用爆破震源、机械式脉冲震源和可控震源; 水域勘探中,主要采用电火花震源和空气 枪。②地震波接收装置:地震波的接收可采 用各种类型的检波器,在陆地,通常使用带 尾锥的速度检波器接收地震波;在水域则使 用对压力敏感的水中检波器(即压敏检波器、 水听器)或海底三分量检波器。③地震数据 采集仪器:地震反射记录系统通过对接收到 的地震波进行放大、滤波和增益控制来实现 地震资料的采集。为确保强信号不出现限 幅,弱信号也能被可靠地记录下来,地震仪 器应具有足够大的动态范围。为提高工作效 率和满足高的覆盖次数,地震记录还需要有 足够的记录道数。 2折射波法(利用人工激发的地震波,在地面不同位 置观测沿地下高速层顶面滑行的地震波来研 究地下结构和构造的人工地震勘探方法 ]。 通常被用于测定弹性波速度、覆盖层厚度、 界面起伏形态、断裂破碎带以及深部构造探 测。但该方法对薄层和小构造的分辨能力 差,一般来说采用该方法不能探测速度逆转 层(下层速度比上层速度低的地层)。 当界面之下的介质波速 大于上覆介 质波速 ,且波的入射角等于临界角0时, 透射波就会变成沿界面以 传播的滑行波, 由滑行波在上部介质中激发出新的波动,即 地震折射波(图2)。在临界角以外(图2中A 点右侧)不远处,分界面上任意一点的滑行 波会比反射波先到达地表的观测点,所以又 把折射波称为首波。在临界角之内的,是接收不到折射波的,这个范围叫做折 射波的“盲区”。 图2滑行波和折射波 在均匀水平层状介质中,折射波的视速 度不变,其时距曲线为直线,时距曲线斜率 的倒数就是折射波的视速度,等于地震波沿 下伏介质顶面的滑行速度。由出现折射波的 起始点坐标 一2h·面埋深 越深,盲区越大。在出现折射波的起始点, 来自同一界面的反射波和折射波同时到达地 表接收点,反射波和折射波的时距曲线在该 点相交。 与反射波方法相比,观测折射波需要的 炮检距比反射波方法要大得多,反射波方法 的最大炮检距一般要求大约等于目标层的埋 深;而在折射波勘探中,要使目标层的折射 波作为初至波出现,通常合理的最小炮检距 大约等于目标层埋深的3~4倍。因此,折射 波勘探的探测深度越深,需要的观测长度越 远,要求的震源能量也就越强。 折射波方法测量的是地下地层顶部的地 震波速度,而反射波方法为了获得相应的速 度信息,则要求地震波能量能穿过整个地 层,且该层顶部的构造也不容易由速度分析 第4期 张先康:地震学百科知识(十)——勘探地震学 37 来得到,因此折射波方法在速度测量方面具 有明显的优点,特别是在速度变化较大的地 方,折射波方法通常能够很好地发挥作用。 在反射波方法无能为力的地方,利用折射波 勘探获得的地震波速度结构,可分析和研究 地下的结构和构造。 在浅层地震折射波勘探中,大多采用与 反射波勘探相同的地震仪;在深地震折射波 勘探中,目前主要采用点测式数字地震仪。 折射波勘探的地震波激发大多采用爆破震 源;当探测的目标层较浅时,也可采用机械 式的脉冲震源或可控震源。由于同一目标 层的折射波比反射波的频率低,因此,折 射波勘探的地震波接收通常使用固有频率 <10 3观测系统(在地震勘探中,为了获得连续完整的探 测资料,必须按照一一定的规则来布设地震波 激发点和地震波接收点,这种激发点和接收 点的相对位置关系称为地震观测系统。 根据地震波激发点和接收点的相对位 置,地震勘探测线分为纵测线和非纵测线2 大类。当地震波激发点和接收点分布在同一 条直线上时称为纵测线,激发点和接收点分 布不在同一条直线上时称为非纵测线。目 前,在二维地震勘探中,主要采用纵测线工 作方式;特殊情况下,为了查明大型地表障 碍物下面的隐伏构造时,也采用非纵测线工 作方式。在三维地震勘探中,则采用纵测线 和非纵测线并用的_【作方式。 在地震勘探时。为了方便野外工作的布 置,常用图示法表示地震勘探的观测系统。 最简明表示观测系统的方法是采用综合平 面图。从分布在测线上的各个激发点出发, 向两侧做与测线成45。角的直线,将测线上 的接收段投影到通过激发点的直线上,用 粗线或彩色线标出,称为综合平面图。其中的 粗线或彩色线的交点是观测系统的互换点 (图3)。 03 D4 6 8 3观测系统综合平面图 当地下界面水平时,综合平面图上每段 粗线或彩色线在测线上的投影为所勘探的界 面长度,也称覆盖长度。覆盖是指对地下界 面进行采样(地震道对地下界面某点反射的地 震波进行记录),如果对界面上的每个点只采 样一次,称为单次覆盖;若对界面上的每个 点进行多次采样,则称为多次覆盖。多次覆 盖观测系统是地震反射勘探中使用最广泛的 一种观测系统。为了适应地震勘探中各种不 同的要求,观测系统还可分为简单连续观测 系统、间隔连续观测系统、延长时距观测系 统、多次覆盖观测系统、非纵观测系统等。 4静校正(为消除地形、近地表风化层厚度和速度 等激发和接收条件变化对地震记录的影响而 进行的时差校正称为静校正。在地震勘探 时,观测面可能起伏不平,地下介质在纵横 向上也可能存在不均匀现象,这些因素将使 得地震记录上的初至出现不规则的变化,反 射波走时的双曲线形态发生畸变,从而不能 正确地反映地下的构造形态。为了改善地震 剖面的质量,以便能正确地解释地下构造, 就必须把上述因素引起的畸变加以校正。 静校正主要有一次静校正和剩余静校 正。一次静校正是根据野外测得的近地表参 数计算出静校正量,然后对不同观测点的传 播时间进行校正。剩余静校正是在一次静校 正未能完全消除近地表影响,包括动校正后 产生的剩余动校正量的情况下,对数据中存 在的剩余静校正量所做的校正。 第4期 张先康:地震学百科知识(十)——勘探地震学 39 图5正常时差(△t)、动校正(叠加示意图 值。根据动校正后样点振幅值的计算精度的 不同,又可分为普通动校正、高精度动校正 等方法。 6偏移(当界面水平时,叠加剖面上所显示的反 射点位置位于共中心点的正下方;当界面倾 斜时,叠加剖面上的反射点位置将沿界面偏 离反射点的真实位置。对地震剖面进行偏 移,是使倾斜反射归位到真正的地下界面位 置,并使绕射波收敛,以显示如断层面等地 下界面性质的细节。偏移的目的是把反射波 图像恢复到地下地层的真实图像。如果偏移 处理是在已进行了共中心点叠加的资料上进 行的,即称为叠加偏移或称叠后偏移。如果 偏移处理是从原始地震资料开始,在叠加前 就把反射点偏移到真实位置上,然后再对共 反射点数据进行叠加,则称为偏移叠加或叠 前偏移。偏移处理不但能够重建地下构造 图像,而且,也可以提高地震勘探的空间分 辨率。 偏移的分类可以按叠前、叠后来分,也 可以按二维、三维来分。另外,还有时间偏 移和深度偏移之分。二维偏移仅处理剖面内 的反射波同相轴,没有考虑侧面波和其他三 维影响;三维偏移是在三维空间内对反射波 同相轴进行重新定位,因此,获得的地下构 造图像更加准确。时间偏移是指速度是时间 (或深度)的函数,该方法适用于叠加剖面上 有绕射波或构造有倾角、横向速度变化不大 的地区。深度偏移的速度结构采用一个复杂 的深度剖面来表示,即速度函数由 (z,z) 给出;该方法适用于叠加剖面上有构造倾 角、横向速度变化较大的地区。如果存在严 重的横向速度不均匀,已无法对数据进行速 度分析和叠加,应采用叠前深度偏移。 截至目前,已发展了多种形式的、能在 多域中实现反射波归位的偏移处理方法。常 用的建立在波动方程基础上的主要有3种方 法,即克希霍夫偏移、有限差分偏移和移方法及其各种变形。 7三维地震勘探(3D 地震勘探的地质和构造目标位于三维空 间,震源激发产生的弹性波在三维空间中传 播,传统的二维地震勘探测线记录的不仅有 其垂直面内的反射,也记录到由不同方向上 来的侧面波,这些波应被归位到空间真实的 位置上去。此外,二维观测由于测点不够密 集,难以满足有足够精度和分辨率的勘探要 求。三维地震勘探的实质是通过密集测网的 地震资料采集、三维数据体处理和解释技 术,达到对绕射波的合理收敛和侧面波的三 维空问准确归位,准确重现地下三维精细结 构和构造的方法。 用三维地震勘探方法探测研究地下构 40 国际地震动态 3积观测系统 直线观测系统 平行观测系统 正交观测系统 非正交观测系统 图6三维地震观测系统分类 造,需要根据测区条件和所要解决的地质问 题设计相应的观测系统。三维地震观测系统 主要有面积观测系统和线性观测系统2大类 (图6)。 三维地震勘探的地震波激发震源与二维 地震勘探相同,在陆地主要采用爆破震源和 可控震源,在水域主要采用电火花震源和空 气枪。三维地震勘探需要较多的仪器接收道 数,通常为二维地震勘探所用接收道数的 数倍。 三维地震勘探的目的是提高资料的信噪 比和分辨率。二维地震勘探采用中 心点)叠加方法压制干扰噪声,提高地震资 料的信噪比,然而,干扰噪声的分布具有空 间分布特征。三维地震勘探通过把同一个面 元内的数据进行叠加来压制空间噪声,以达 到提高地震资料信噪比的目的。地震数据的 偏移处理是提高地震资料分辨率的主要手 段。三维偏移不但考虑了沿测线方向上的构 造对地震数据的影响,同时,也考虑了垂直 测线方向上的构造对地震数据的影响,因 此,三维偏移能把地下三维地质体偏移到实 际的空间位置上。另外,在地震资料解释 中,还可以结合三维地震资料信息量丰富以 及信噪比和分辨率高的特点,通过采用反射 层位的空间对比方法、三维相干数据体分 线束法 环形放炮 直线法 析、三维可视化等技术,对反射层位和地下 构造解释施以更多的约束条件,进而提高探 测精度。 8垂直地震剖面(垂直地震剖面法(在地震测井基 础上发展起来的一种地震勘探新技术。传统 的地震测井和声波测井只利用直达波初至时 间求取单一的地震信息(地震波速度),用与地震测井类同的工作方法,记录初至 波和续至波,获取井孔附近的上行波、下行 波场中的众多地震信息。 波激发源,沿井孔在井下布设三分量检波 器,按照一定的间隔接收地震波(图7)。 图7 一 第4期 张先康:地震学百科知识(十)——勘探地震学 41 (1) 此避开了近地表松散层对地震波场的影响。 (2)能接收到的地震波场,而且还能采集到地 面地震观测所不能接收到的下行直达波。 (3)井孔顺序布设 观测点,可以获得地面地震数据处理所需要 的地震子波和精确的地震波速度。 (4)可以观测到纵波、横波和转换波等多种类型 的地震波。由于各种波的到达方向不同,且 随着震源和观测点的改变而改变,因此,更 易于进行界面附近的地震波动力学研究。 激发源、井下检波器和记录系统3个部 分。①地震波激发源:由于震波,因此,几乎所有能用于地面地震勘 探的震源都适用于果工作区 的随机噪声很强,采用可控震源和互相关方 法能较好地压制扫描频带以外的干扰噪声, 提高资料的信噪比。②井下检波器通常采用 三分量检波器,检波器的外壳设置有贴近井 壁的推靠装置和测距系统。③般不需要太多的记录道数,但应有足够大 的动态增益和动态范围,以记录弱能量的高 频地震波。 (作者电子信箱,张先康:Z.ha.参考文献 震勘探原理.北京:石油大学出版社,1993 绪文编著.反射波地震勘探方法,北京:石油工业出版社,1989 1 H. L Y,1992 (上接第26页) Re—on of u i 00049,is on of of st is a ut of in he of as he of or ll
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