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基于MATLAB的地震正演模型实现

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基于 MATLAB 地震 模型 实现
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总 第 237 期2009 年 第 7 期计 算 机 与 数 字 工 程 37 7132  基 于 L 地 震 正 演 模 型 实 现 3贾 跃 玮 1)   杨   锐 2)(中 国 地 质 大 学 地 下 信 息 探 测 技 术 与 仪 器 教 育 部 重 点 实 验 室 1)   北 京   100083)(川 庆 钻 探 工 程 有 限 公 司 地 质 勘 探 开 发 研 究 院 2)   成 都   610059)摘   要   人 工 合 成 地 震 正 演 模 型 是 进 行 三 维 模 型 计 算 的 基 础 ,在 地 震 勘 探 领 域 具 有 重 要 意 义 。 针 对 地 震 勘 探 原 理 ,作 者 运 用 大 数 学 计 算 和 图 像 可 视 化 功 能 ,对 一 个 三 层 介 质 模 型 制 作 二 维 人 工 合 成 地 震 记 录 。 文 章 说 明 地 震记 录 形 成 的 物 理 机 制 ,介 绍 了 地 质 模 型 的 构 造 及 参 数 选 择 ,针 对 具 体 地 质 模 型 制 作 合 成 地 震 记 录 ,成 功 验 证 了 褶 积 模 型原 理 。关 键 词   地 震   正 演中 图 分 类 号   4A A BJ   ry , 100083)( , 610059)t A f is t he D p on t he p of t he A B t o a of a t p p is at t he p of t he t he st of t he In t he p of t he p ap t he of on t he sp is p y w L f u m 41   引 言地 震 勘 探 是 利 用 地 下 介 质 弹 性 和 密 度 的 差 异 ,通 过 观 测 和 分 析 大 地 对 人 工 激 发 地 震 波 的 响 应 ,推断 地 下 岩 层 的 性 质 和 形 态 的 地 球 物 理 方 法 。 地 震勘 探 是 钻 探 前 勘 测 石 油 与 天 然 气 资 源 的 重 要 手 段 ,在 煤 田 和 工 程 地 质 勘 查 、 区 域 地 质 研 究 和 地 壳 研 究等 方 面 ,也 得 到 广 泛 应 用 。人 工 合 成 二 维 地 震 模 型 记 录 是 各 种 复 杂 地 震模 型 正 演 计 算 的 基 础 ,是 对 地 震 勘 探 经 典 理 论 的 忠实 实 现 。 在 实 际 工 作 中 ,针 对 具 体 地 质 构 造 进 行 二维 地 震 模 拟 能 够 有 效 帮 助 地 球 物 理 工 作 者 在 地 震剖 面 上 识 别 各 种 地 质 现 象 。 L 司 于 1984 年 推 出 的 一 款 数 学 软 件 ,是 用于 工 程 科 学 计 算 的 高 效 率 编 程 语 言 [ 2~ 3 ] 。 2 仅 在 数 值 科 学 计 算 上 独 占 鳌 头 ,而 且 图 形可 视 化 和 图 像 处 理 能 力 也 毫 不 逊 色 [4~ 6 ] ,特 别 适 合人 工 合 成 地 震 记 录 的 快 速 实 现 。 因 此 ,本 文 在 境 下 设 计 了 一 个 三 层 地 质 模 型 ,并 对该 模 型 模 拟 了 地 震 记 录 ,旨 在 可 视 化 地 观 察 地 震 波场 记 录 特 征 并 验 证 地 震 褶 积 模 型 。2   地 震 记 录 形 成 的 物 理 机 制在 地 震 记 录 上 看 到 的 波 形 是 地 震 子 波 叠 加 的3 收 稿 日 期 :2009 年 3 月 23 日 ,修 回 日 期 :2009 年 4 月 21 日作 者 简 介 :贾 跃 玮 ,男 ,硕 士 研 究 生 ,研 究 方 向 :地 震 资 料 解 释 。 杨 锐 ,研 究 方 向 :勘 察 地 球 物 理 。第 37 卷 (2009)第 7 期 计 算 机 与 数 字 工 程 133  结 果 ,从 地 下 许 多 反 射 界 面 发 生 反 射 时 形 成 的 地 震子 波 ,振 幅 大 小 决 定 于 反 射 界 面 反 射 系 数 的 绝 对值 ,极 性 的 正 负 决 定 于 反 射 系 数 的 正 负 ,到 达 时 间的 先 后 取 决 于 界 面 深 度 和 覆 盖 层 的 波 速 [1 ] 。 若 地震 子 波 波 形 用 S ( t) 表 示 ,反 射 系 数 是 双 程 垂 直 反射 旅 行 时 t 的 函 数 ,用 R ( t) 表 示 ,地 震 记 录 f ( t) 形成 的 物 理 过 程 在 数 学 上 就 可 表 示 为 :f ( t) = S ( t) 3 R ( t) =∫τ ) R ( t 子 波 和 反 射 系 数 资 料 常 常 不 易 取 得 ,因 此计 算 时 常 做 这 样 一 些 假 设 :1)地 质 模 型 的 建 立 是 来 自 大 量 观 察 实 际 地 质结 构 的 经 验 性 归 纳 总 结 。2)为 了 模 型 建 立 和 计 算 过 程 中 突 出 理 论 数 值 ,去 除 了 一 些 干 扰 因 素 ,对 一 切 衰 减 、 噪 声 都 不 进 行考 虑 。3)地 层 在 横 向 上 均 匀 ,纵 向 上 是 由 大 量 具 有 不同 弹 性 性 质 的 薄 层 构 成 。4)地 震 子 波 以 平 面 波 形 式 垂 直 入 射 到 界 面 ,各薄 层 的 反 射 子 波 与 地 震 子 波 形 状 相 同 ,只 是 振 幅 及极 性 不 同 。5)所 有 波 的 转 换 、 吸 收 及 绕 射 等 能 量 损 失 都 不考 虑 。基 于 以 上 假 设 条 件 进 行 地 震 记 录 合 成 就 必 须已 知 地 震 子 波 以 及 地 层 的 反 射 系 数 ,而 反 射 系 数 又主 要 由 地 层 的 波 阻 抗 反 映 ,所 以 必 须 首 先 获 取 地 层的 速 度 和 密 度 资 料 。 速 度 资 料 可 通 过 连 续 速 度 测井 获 得 ,密 度 资 料 可 从 密 度 测 井 获 得 ,得 不 到 密 度资 料 时 ,可 近 似 假 定 密 度 不 变 ,以 速 度 曲 线 代 替 波阻 抗 曲 线 来 计 算 反 射 系 数 。 加 德 纳 根 据 实 际 资 料提 出 了 一 个 由 速 度 推 算 密 度 的 经 验 公 式 :ρ = 0. 23V 0. 25 (速 度 单 位 :s)或ρ = 0. 31V 0. 25 (速 度 单 位 :m/ s)没 有 速 度 测 井 资 料 时 ,若 有 电 阻 率 测 井 曲 线 ,则 可 用 法 斯 特 公 式 :V = K H 16 R 16其 中 ,V 是 速 度 , K 是 一 个 与 岩 石 性 质 有 关 的 参 数 ,R 是 电 阻 率 , H 是 深 度 。已 知 地 震 子 波 是 合 成 地 震 记 录 的 一 个 很 重 要的 前 提 条 件 。 在 已 有 的 地 震 记 录 上 选 取 地 震 子 波的 具 体 方 法 如 下 :1)在 地 震 记 录 上 识 别 出 单 波 ,做 出 单 波 波 形 ,再 反 复 试 验 ,检 查 找 出 符 合 实 际 的 子 波 。2)根 据 已 总 结 出 的 地 震 子 波 特 点 ,采 取 具 有 特殊 数 学 表 达 式 的 波 形 表 示 ,如 雷 克 子 波 等 。3)使 用 非 炸 药 震 源 时 记 录 的 震 源 子 波 波 形 。4)利 用 实 际 地 震 记 录 ,采 取 数 字 处 理 方 法 在 一定 的 假 设 条 件 下 求 取 地 震 子 波 。5)在 拥 有 井 中 观 测 初 至 纪 录 时 ,可 考 虑 使 用 初至 波 做 子 波 波 形 。6)在 拥 有 声 波 测 井 资 料 和 井 旁 地 震 记 录 X ( t)时 ,反 射 系 数 曲 线 R ( t) ,地 震 子 波 S ( t) ,可 由 X ( f )= S ( f ) 3 R ( f ) 得 子 波 的 谱 S ( f ) = X ( f ) / R ( f ) ,再 对 上 式 作 反 傅 氏 变 换 得 地 震 子 波 波 形 S ( t) 。3   地 质 模 型 的 建 立地 质 及 地 球 物 理 学 研 究 表 明 ,地 表 之 下 的 地 质结 构 是 极 其 复 杂 的 。 地 质 构 造 是 指 地 壳 中 的 地 层在 岩 层 地 壳 运 动 的 作 用 下 发 生 变 形 与 变 位 而 遗 留下 来 的 形 态 [1 ] 。 本 文 中 采 用 的 是 一 个 三 层 水 平 层状 均 匀 介 质 模 型 ,即 假 设 有 发 育 在 三 个 不 同 时 期 的水 平 层 状 沉 积 岩 层 。 同 时 ,为 了 体 现 地 震 勘 探 在 石油 、 天 然 气 勘 探 领 域 的 应 用 效 果 ,作 者 结 合 实 际 地质 资 料 模 拟 了 地 下 储 层 含 有 石 油 的 情 况 。一 般 情 况 下 ,随 着 埋 藏 深 度 越 来 越 大 ,岩 石 的 地震 波 传 播 速 度 会 越 来 越 大 。 深 层 的 岩 石 地 震 波 传 播速 度 通 常 要 大 于 浅 层 岩 石 的 传 播 速 度 。 而 流 体 的 传播 速 度 较 岩 石 的 传 播 速 度 要 小 很 多 。 比 如 ,砂 岩 的地 震 波 传 播 速 度 一 般 在 1800 m/ s~ 4000 m/ s ,石 油的 传 播 速 度 一 般 为 1300 m/ s~ 1400 m/ s。 在 模 型 建立 的 过 程 中 ,作 者 参 照 了 实 际 地 质 构 造 及 各 种 岩 石的 速 度 资 料 ,确 定 了 三 层 水 平 层 状 均 匀 介 质 的 速 度及 深 度 参 数 。 储 层 含 油 地 质 模 型 如 图 1 所 示 :图 1   含 油 地 质 模 型图 2   对 比 地 质 模 型在 该 地 质 模 型 中 ,作 者 设 计了 一 个 含 油 层 ,并 使 该 含 油 层 包裹 在 砂 岩 环 境 中 ,各 层 的 速 度 及深 度 参 数 如 模 型 中 所 示 。 此 外 ,为 了 更 加 直 观 地 显 示 地 震 勘 探的 效 果 ,本 文 提 供 了 一 个 参 照 模型 ,该 模 型 中 没 有 设 计 含 油 速 度134   贾 跃 玮 等 :基 于 地 震 正 演 模 型 实 现 第 37 卷突 变 层 ,在 地 震 模 拟 记 录 参 数 不 边 的 条 件 下 用 来 比照 含 油 模 型 的 效 果 。 模 型 构 造 及 参 数 如 图 2。4   地 震 模 型 正 演根 据 褶 积 理 论 ,结 合 地 质 模 型 ,作 者 在 境 中 编 写 程 序 实 现 了 二 维 地 震 正 演 。 首 先 ,为 了 最 大 可 能 的 与 实 际 情 况 相 符 合 ,地 震 模 型 中 使用 的 子 波 是 稳 定 可 实 现 的 子 波 [8 ] ,如 图 3。图 3   子 波该 子 波 是 最 小 相 位 子 波 ,有 时 称 为 前 载 子 波 ,其 能 量 集 中 在 整 个 波 形 的 前 端 。 由 于 大 多 数 脉 冲地 震 震 源 (如 炸 药 震 源 ) 产 生 的 原 始 脉 冲 是 接 近 最小 相 位 的 ,因 此 在 地 震 正 演 模 型 中 的 地 震 子 波 选 取一 般 都 选 择 最 小 相 位 型 子 波 [ 7 ] 。 二 维 地 震 正 演 模型 实 现 的 主 要 程 序 及 关 键 步 骤 注 释 如 下 :n = 5000 ;     采 样 点 数 50 ;     道 间 距 0. 002 ;     采 样 间 隔 3 ;     界 面 数m = 80 ;     道 数 [1000 1500 2000 2500 ] ;     第 1 层 速 度 [1000 1500 1300 2500 ] ;     第 2 层 速 度 [1000 1500 2000 2500 ] ;     第 3 层 速 度h (1 ,1) = 800 ;h (2 ,1) = 1200 ;h (3 ,1) = 1800 ;     该 模 型 为 各 层 平 行 ,无 倾 角 (m/ 2 + 1) 3 n 3     坐 标 范 围p = 2 ;     图 像 中 显 示 数 字以 下 部 分 为 子 波 采 样 200 ;f = 20 ; 60 ;b = 30 ;     子 波 参 数 0 : ( 1) 3 2 3 f 3 . 3 - b 3 ;     视 速 度 h (3 , :) . 3 1 :; h (3 , :) . / 1 :; h (3 , :) . 3 1 :; h (3 , :) . / 1 :; h (3 , :) . 3 1 :; h (3 , :) . / 1 :;i = 2 :i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ; ) ; ) ; ) ;1) = 1) ;1) = 1) ;1) = 1) ;以 上 程 序 段 使 用 循 环 控 制 各 个 层 速 度 变 化i = 1 :   设 定 反 射 面 深 度j = 2 :i ,j) = h (i ,j - 1) m/ 2) ;     炮 检 距= 0 ;= 0 ;= 0 ; (1 :m) 3 (1 :m) 3 (1 :m) 3 i = 1 :   反 射 系 数i) = 3 3 (i + 1) - i) ) / (i + 1) + i) ) ;i) = 3 3 (i + 1) - i) ) / (i + 1) + i) ) ;i) = 3 3 (i + 1) - i) ) / (i + 1) + i) ) ; n ,m) ;b = 180 ;     划 分 网 隔i = 1 :   一 次 反 射 波j = 1 :80if j 30 & &j < = 50 ;z = 2 3 h (i ,j) / i) ;t = z/ ;x (t ,j) = x (t ,j) + i) ; 2 3 h (i ,j) / i) ;t = z/ ;x (t ,j) = x (t ,j) + i) ;7 卷 (2009)第 7 期 计 算 机 与 数 字 工 程 135  1) ;     褶 积 处 理 及 道 集 成 像 n + 1 ,m) ; (0 : (n + 2) ) 3 i = 1 : : ,i) = x ( : ,i) ,+ (i - 3 : ,i) ,‘ b’ ) ;[ - 0 ,) ;‘ 时 间 t’ ) ;在 L 境 中 调 试 程 序 无 误 后 ,运 行 该程 序 可 以 得 到 基 于 含 油 地 质 模 型 的 地 震 正 演 波 形记 录 ,如 图 4 所 示 。与 之 形 成 对 比 的 是 不 含 速 度 突 变 层 的 水 平 三层 地 质 模 型 地 震 正 演 记 录 ,如 图 5 所 示 。图 6   含 油 地 质 模 型地 震 响 应 波 形 局 部 放 大 图对 比 以 上 两图 可 以 得 出 ,在 深度 和 地 震 波 传 播速 度 相 同 的 区 域 ,由 于 子 波 相 同 ,在模 型 层 参 数 相 同的 整 个 局 部 地 震响 应 波 形 是 相 同的 ,差 别 在 于 是 否存 在 传 播 速 度 突变 层 。 在 含 油 模 型 中 ,由 于 速 度 突 变 层 的 存 在 ,在突 变 层 边 缘 处 发 生 了 波 形 干 扰 ,相 位 极 性 发 生 翻转 ,在 速 度 突 变 层 底 界 面 振 幅 增 强 产 生 “ 亮 点 ” 现象 ,整 个 速 度 突 变 层 振 幅 较 其 他 层 有 明 显 增 大 。 在地 震 波 频 率 属 性 部 分 ,对 两 模 型 的 地 震 波 记 录 进行 频 率 测 量 。 发 现 速 度 突 变 层 的 频 率 较 对 比 模 型的 频 率 小 一 些 ,这 也 印 证 了 若 储 集 层 的 储 集 性 能 变好 、 储 集 层 中 聚 集 了 油 气 ,会 造 成 地 震 反 射 波 频 率下 降 的 经 验 理 论 。在 局 部 放 大 图 中 可 以 看 到 明 显 的 振 幅 变 化 特征 。5   结 语本 文 利 用 大 数 据 处 理 和 图 形 显示 功 能 ,实 现 了 对 具 体 地 质 模 型 构 建 二 维 地 震 波 场正 演 ,检 验 了 地 震 勘 探 中 的 褶 积 模 型 。 该 地 震 正 演模 型 可 以 与 其 他 专 业 地 震 正 演 软 件 所 得 结 果 相 媲美 。 L 供 了 良 好 的 数 学 语 言 ,减 少 了 程序 编 写 的 工 作 量 ,这 一 点 克 服 了 用 其 他 语 言 编 制 地震 正 演 模 型 困 难 的 缺 点 。 从 L 件 的 使用 方 便 程 度 来 看 ,它 远 非 一 般 的 编 程 语 言 环 境 所 能比 拟 。 本 文 也 有 一 定 的 不 足 之 处 , 当 需 要 对 模 型参 数 修 改 时 ,只 能 在 原 程 序 代 码 中 对 具 体 参 数 进 行编 辑 ,尚 未 实 现 模 块 可 视 化 功 能 ,在 以 后 的 研 究 中有 必 要 进 一 步 开 发 该 程 序 ,以 达 到 方 便 快 速 实 现 正演 模 型 的 目 的 。参 考 文 献[1 ]姚 姚 . 地 震 波 场 与 地 震 勘 探 [ M ]. 北 京 :地 质 出 版社 ,2006[2 ]刘 卫 国 . L 序 设 计 教 程 [ M ]. 北 京 :水 利水 电 出 版 社 ,2005[3 ]周 艳 萍 . 基 于 L 现 地 震 速 度 切 片 成 图[J ]. 工 程 地 质 计 算 机 应 用 ,2008 , (3) :21[4 ]张 剑 . 基 于 发 环 境 的 球 体 重 力 正 演[J ]. 工 程 地 球 物 理 学 报 ,2007 ,4 (5) :461[5 ]张 彬 . 一 种 基 于 地 震 视 应 变 计 算 方 法的 实 现 [ C]. 地 壳 构 造 与 应 力 文 集 ,2006 (18) :139[6 ]王 正 林 . 精 通 M ]. 北 京 :电 子 工 业 出 版社 ,2007[7 ]张 胜 业 ,潘 玉 玲 . 应 用 地 球 物 理 原 理 [ M ]. 武 汉 :中国 地 质 大 学 出 版 社 ,2004[8 ]陈 义 群 . 基 于 工 程 物 探 软 件 快 速 开 发[J ]. 地 球 物 理 进 展 ,2004 ,19 (4) :802
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