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浅层三维横波地震勘探方法研究

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三维 地震 勘探 方法 研究
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·煤田物探·文章编号 : 100121986 (2001) 0420050203浅层三维横波地震勘探方法研究霍全明 1, 程增庆 2, 付金生 2, 勾精为 2(11 中国矿业大学 , 北京  100083; 21 中国煤田地质总局物探研究院 , 河北 涿州  072750)摘要 : 通过对横波传播规律及运动形式的数学模型、物理模型及实测数据的研究 , 发现横波与纵波一样具有三维波场的特性 , 利用横波的这一特点就可以进行三维横波的野外观测。经大量实际资料表明 , 利用三维横波资料可以解释埋于地下 5~ 40 m 深度范围内的空洞及古巷道 , 同时能对地层进行精确地分层。关 键 词 : 工程地质 ; 三维横波 ; 地震勘探中图分类号 : 1  文献标识码 : 言浅层横波速度约为纵波的二分之一到六分之一 , 浅层横波的低速度、短波长等特点使其具有较好的分辨能力的优点 , 一般情况下可以在 5~ 50 m 的深度范围内取得较好的效果。在浅层工程地质勘探中目的层的埋深一般小于 100 m ,此时纵波的观测窗口较小 , 而横波的观测窗口相对要大一些。对于浅层土层 , 土层骨架横波速度为 100~ 800 m s, 土层骨架纵波速度为 300~ 1 500 m s, 当土层孔隙中充满流体水时 , 土层纵波速度迅速上升到 1 400 m s 以上 , 而土层横波速度基本保持不变甚至有下降的趋势。因此当潜水位较浅时浅层地震勘探中有一种现象 : 纵波的波阻抗界面少于横波的波阻抗界面 , 这种机理在深层油气藏的勘探中也得到过成功的应用。2 三维横波地震勘探的模型研究地震波在固体地层中传播的性质直接与岩石的力学性质有关。地下岩层始终处在岩体静压力、构造应力和瞬变应力的作用下 , 前两种力在短时间内是不变的 , 只有瞬变应力产生地震波的传播。在震源区以外的岩层由于受到小应力的瞬时扰动 , 其形变与外力成线性关系 , 外力消失 , 介质复原。在地震勘探中这种传播地震波的岩层称为弹性介质 , 连续弹性的波动方程已由前人推导如下 : (K+ L) 5 (K+ L) 5 (K+ L) 5= 525x 2 +525y 2 +525z 2 ,H= 5 5 5式中  ——拉普拉斯算子 ;H ——体胁变 ;Q ——介质密度 ;L, K ——拉梅常数。波动方程所描述的弹性波 (纵波和横波 ) 的位移量是一种空间物理场 , 也就是说它是 x、 y、 z、 t 的函数。从波动方程出发得到的横波波场是 x、 y、 z、 t 的函数 , 据此就可以像观测三维纵波一样可观测三维横波。由于弹性波场中存在纵波、横波、转换波和面波 , 进行三维横波地震勘探时除横波以外其它类型的波均被视为干扰波。当弹性介质中某一部分受到外力作用发生切变时 , 由于切变和切向弹力的互相作用 , 使质点成层的发生振动 , 显然如果施加作用力的条件 (即震源及其作用的介质 )是完全对称的 , 则不会产生横波。如果采用对质点运动方向有限制的震源 , 并利用对一个方向的质点运动具有方向灵敏度的检波器 , 就能够激发和接收到具有一定方向的偏振波 (横波 )。横波在一定条件下会发生偏振 , 所谓偏振就是当横波通过时 , 如果质点都在一个方向上运动 , 则称横波是在该方向上偏振。这样 , 横波就可分为两类 , 质点在入射平面内振动的波叫垂直偏振横波 , 用 示 ; 质点在垂直于入射平面的方向上振动的波叫水平偏振横波 , 用 示。图 1 对横波三维波场做了数学和物理模拟。从图 1c 中可以看出 , 在小角度区 的波场的幅度和相位一致性是较好的 , 随着辐射角度的增加 , 反射 的幅度值变得越来越小 , 其幅值满足 A 2= A 0co 。从图 1d 中可以看出 , 地震特征一致性较好的区间为 17142°~ 139136° , 图中显示在纵测线两侧约 60°区间内的横波特征的一致性和纯净性 (干扰 )均较好。从物理模型和计算模型的结果不难得出如下结论 : 波波场同纵波场一样具有三维空间特征 , 但波波场的辐射特征较纵波的复杂 , 在观测三维 波时 , 不宜采用太大的非纵偏移距方能保持横波的干扰较小的特点。收稿日期 : 2000211212作者简介 : 霍全明 (1960— ) , 男 , 山西人 , 高级工程师 , 主要从事煤田地球物理勘探工作 1·05·煤田地质与勘探Y & o l. 29 N o. 4A 2001图 1 横波三维波场数学和物理模拟结果图a——地质模型示意图 ; b——观测系统 ; c——计算得到的极化 波地震波场 ; d——物理地震模型时间剖面3 三维横波波场的野外观测在从地震模型得到三维横波波场特征的认识后 , 进行了三维横波波场的野外试验观测 (图 2)。长排列上共布置 36道 , 道距 2 m , 圆排列上共布置 36 道 , 道距 1135 m。长排列波场与圆排列波场中的反射波是一一对应的 , 120 m s、 190 m 00 m s 处的反射波信噪比较高。图中长排列为纵排列观测到的横波记录 , 分辨率高、信噪比也高 , 在图的左下方有一组规则干扰波 ; 右图为圆排列观测到的横波记录 , 37 道是 0°处观测到的 , 72 道是 180°处观测到的 , 54 道为 90°处 , 54 道为纵排列处的记录道。直达波比较单纯的区间是 47 道至 65 道之间 , 而反射横波一致性和干扰较小的区间是 45 道至 67 道之间 , 直达波在纵测线两侧 4615°的区间内一致性较好 , 反射横波在纵测线两侧 5615°的区间内一致性较好且干扰较小。在非纵距变大时波场较复杂且干扰波越来越复杂。图 3 是不同地表条件下取得的三维横波单炮记录 , 图 3 图中 110 m s、 190 m s、 280 m s 处的反射波信噪比较高 , 直达波的视速度为 360 m s, 在 100 m s 处的叠加速度为 140 m s, 在 200 m s 处的迭加速度为 200 m s, 在280 m s 处的叠加速度为 320 m s。这种自上而下速度逐渐递增的速度规律与地层的差异压实作用是相符合的 ; 图 3b 是水泥地表取得的单炮记录 , 浅层地表混凝土厚 38 土层速度为 330 m s, 直达波的视速度为 938 m s, 反射波的迭加速度为 620 m s, 显然地表的混凝土对地震波起到了一定的制约作用 ; 图 3c 是厚沥青地表取得的横波记录 , 沥青厚度 42 直达波的视速度为 638 m s, 反射波的迭加速度为 410m s; 图 3d 是薄沥青地表取得的单炮记录 , 直达波的视速度为 420 m s, 反射波的迭加速度为 380 m s。4 应用实例通过三维横波的波动理论分析及波场的研究与观测 , 设计了适合浅层三维横波地震勘探的野外观测系统 , 借鉴三维高分辨率纵波地震勘探的成果 , 对激发及接收等参数进行了图 2 在草坪地表条件下进行的波场调查野外试验 , 利用纵波的一些处理软件进行处理。图 4 是三维横波的系列时间剖面 , 该剖面的信噪比和分辨率均较高 , 最浅的目的层埋深为 612 m , 612 m 深的界面为砾石层顶界 , 砾石层底界埋深为 1216 m , 砾石层内幕有一些杂乱的反射。图5 是在沥青地表条件下获得的地震时间剖面 , 图中 A 处为一充填的地下水渠绕射波 (充填物为混凝土 ) , 充填渠道的直径为 018 m ; 图中 B 处为一水渠空腔 , 空腔高约 016 m , 宽约 115m , 空腔绕射波强于充填水渠的绕射波。5 结束语本文从波动理论、数学模型、物理模型及野外的实例观测系统地研究了三维横波的激发、传播规律及特征 , 建立了一整套三维横波地震勘探的设计、采集、处理及解释系统。在多种地表条件下取得了高信噪比的浅层三维横波地震资料。·15·第 4 期 霍全明 , 程增庆等 : 浅层三维横波地震勘探方法研究图 3 不同地表条件下取得的三维横波单炮记录a——草坪地表取得的记录 ; b——水泥地表取得的记录 ; c——厚沥青地表取得的记录 ; d——薄沥青地表取得的记录图 4 三维横波的系列时间剖面1——砾石层顶界面反射波 ; 2——砾石层底界反射波。系统研究了浅层三维横波地震勘探的数据采集方法 , 设计制造了具有简便、高效、安全的浅层横波震源 , 并在野外取得了大量的浅层横波资料。确定的浅层三维横波的数据处理流程 , 经处理解释获得了地下 5~ 50 m 深度范围内的高信噪比的浅层反射信息 , 得到了地下埋深 20 m 以浅的直径大于016 m 的地下空洞及水渠的绕射波和浅层地层横向变化特征等小构造的反射信息。参考文献\[ 1 \]  王振东 1 浅层地震勘探应用技术 [M ] 1 北京 : 地质出版社 ,19881\[ 2 \]  陈滋康 1 用物探技术探测浅层洞穴 [A ]1 当代地质科学技术进展 [M \], 1987— 1988 年版 , 武汉 : 中国地质大学出版社 , 19881图 5 沥青地表条件下获得的地震时间剖面\[ 3 \]  程增庆等 1 三维地震的横向分辨率 [J ]1 石油地球物理勘探增刊 , 19861\[ 4 \]  俞寿朋 1 高分辨率地震勘探 [M ] 1 北京 : 石油工业出版社 ,19931\[ 5 \]  李庆忠 1 走向精确勘探的道路 1 北京 : 石油工业出版社 , 19941\[ 6 \]  T H D. M lo J \]. xp lo 19911\[ 7 \]  T h B, D E . rt on po \]. 1975,401\[ 8 \]  W A , L L D.“ as a p J \]. 976, 411\[ 9 \]  T ro W. D fo r \]. 1977, 421\[ 10 \]  H r E M. 2A , A N ew of \]. 19851\[ 11 \]  L , Ko r C. H m \]. 1989, 541on im en l m of se ic N G . Ch n in 00083, Ch 2. R n te xp lo h dm in eo 72750, Ch T h on m of mo fo rm w it is w e in th w of In t of th is on th w be A of p of th w at th 40 m p th w ic lo 5· 煤田地质与勘探 第 29 卷
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