（地质工程专业论文）山区煤田地震勘探技术及应用研究.pdf

摘要 由于山区地形起伏较大，表层低降速带介质纵横向展布极不均匀，特别是黄土山区， 因黄土层较厚，地震波场吸收衰减严重，致使在地表接收的反射波场的信噪比和分辨率降 低，波场运动学和动力学特征发生畸变，其影响，将直接导致山区煤田地震勘探的精度和 可靠性降低。 论文在地震勘探理论指导下，较详细地分析和论述了山区煤田地震勘探的资料采集、 处理和解释技术，并认为：因地制宜地采用合适的观测方法，如弯线、宽线或三维观测， 合适的激发与接收参数，可在较宽频带接收条件下提高采集资料的信噪比；采用合理的 处理流程和方法，如利用生产炮的折射静校正技术、叠前波场振幅能量处理技术、保幅条 件下的二维去噪技术和展宽频带技术以及合适的波场偏移技术等，可提高原始资料的信噪 比和分辨率，并校正有效波场的运动学和动力学特征畸变；根据地质目标，在解释软件 系统平台支持下，选择合适的解释方法技术，如综合速度分析技术、高精度层位标定技术、 三维可视化解释技术、相干体技术、断棱检测技术、属性参数提取技术及波阻抗反演技术 等，可提高资料解释的精度和可靠性，从而解决煤田勘探中的小构造、小断层及薄煤层厚 度预测等地质问题，同时对煤田勘探中可能存在的陷落柱及采空区等灾害地质问题亦可获 得较可靠的勘查结果。 论文在方法技术分析的基础上，结合实际山区3 d 煤田地震勘探的全过程，进一步证明 了在山区煤田地震勘探中，只要方法技术选择合适，可有效地提高煤田勘探的精度和可靠 性。 关键词：地震勘探、分辨率、信噪比、静校正、相干体、煤层、断层、陷落柱 a b s 仃a c t d u et ot h eh i g ht o p o g r a p h i ci n e q u a l i t ya n d t h em e d i u m d i s t r i b u t i o no fl o w d e c e l e r a t i o nz o n ei s v e r yi n h o m o g e n e o u s a t v e r t i c a l l ya n dh o r i z o n t a l l y i n m o u n t a i n o u sa r e a s ，e s p e c i a l l yt h ea b s o r p t i o nl o s so fs e i s m i cw a v ef i e l di st e r r i b l e b e c a u s eo ft h e d e e p l o e s s l a y e r i nt h e l o e s s i c m o u n t a i n o u sa r e a s ，t h e s i g n a l t o n o i s er a t i oa n dt h er e s o l u t i o no fr e f l e c t e dw a v ef i e l dw h i c hr e c e i v e d f r o mt h es u r f a c ew e r er e d u c e da n dt h ec h a r a c t e r so fw a v ef i e l dk i n e m a t i c sa n d k i n e t i c sw e r ed i s t o r t e d t h ea b o v ee f f e c tw i l ld i r e c t l yr e d u c et h ep r e c i s i o na n d t h er e l i a b i l i t yo fc o a ls e i s m i cp r o s p e c t i n gi nt h ea r e a s u n d e rt h eg u i d a n c eo fs e i s m i c - w a v et h e o r y ，t h i sp a p e ri sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e d a n dd i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yo fs e i s m i ca c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，i n t e r p r e t a t i o n i nm o u n t a i n o u sc o a ls e i s m i cp r o s p e c t i n g a n di ti sb e l i e v e dt h a t ：( d a d o p t i n gp r o p e r s u r v e ym e t h o ds u c ha ss l a l o m1i n e ，s w a t hm e t h o da n dt h r e e d i m e n s i o n a la r r a ya n d p r o p e rs h o ta n d r e c e i v ep a r a m e t e r ，t h es i g n a l 一t o n o i s er a t i oo fa c q u i r e dd a t aw i l l b eh e i g h t e n e di nt h ec o n d i t i o no fw i d ef r e q u e n c yb a n d u s i n gp r o p e rp r o c e s s i n g f l o w sa n dt e c h n i q u e s ，f o re x a m p l et h er e f r a c t i o nc o r r e c t i o no fs h o t s ，t h ea m p l i t u d e e n e r g yp r o c e s s i n gm e t h o di np r e s t a c kw a v ef i e l d ，t h ek e e p i n ga m p l i t u d e2 dd e n o i s e t e c h n i q u e ，t h ew i d e n i n gf r e q u e n c yb a n dm e t h o da n da p p r o p r i a t ew a v ef i e l dm i g r a t i o n m e t h o d ，c a ni m p r o v et h er e s o l u t i o na n ds i g n a l t o n o i s er a t i oo fi n i t i a ld a t aa n d c o r r e c tt h ed i s t o r t i o no fk i n e m a t i c sa n dk i n e t i c si nt h ee f f e c t i v ew a v ef i e l d 摘要 由于山区地形起伏较大，表层低降速带介质纵横向展布极不均匀，特别是黄土山区， 因黄土层较厚，地震波场吸收衰减严重，致使在地表接收的反射波场的信噪比和分辨率降 低，波场运动学和动力学特征发生畸变，其影响，将直接导致山区煤田地震勘探的精度和 可靠性降低。 论文在地震勘探理论指导下，较详细地分析和论述了山区煤田地震勘探的资料采集、 处理和解释技术，并认为：因地制宜地采用合适的观测方法，如弯线、宽线或三维观测， 合适的激发与接收参数，可在较宽频带接收条件下提高采集资料的信噪比；采用合理的 处理流程和方法，如利用生产炮的折射静校正技术、叠前波场振幅能量处理技术、保幅条 件下的二维去噪技术和展宽频带技术以及合适的波场偏移技术等，可提高原始资料的信噪 比和分辨率，并校正有效波场的运动学和动力学特征畸变；根据地质目标，在解释软件 系统平台支持下，选择合适的解释方法技术，如综合速度分析技术、高精度层位标定技术、 三维可视化解释技术、相干体技术、断棱检测技术、属性参数提取技术及波阻抗反演技术 等，可提高资料解释的精度和可靠性，从而解决煤田勘探中的小构造、小断层及薄煤层厚 度预测等地质问题，同时对煤田勘探中可能存在的陷落柱及采空区等灾害地质问题亦可获 得较可靠的勘查结果。 论文在方法技术分析的基础上，结合实际山区3 d 煤田地震勘探的全过程，进一步证明 了在山区煤田地震勘探中，只要方法技术选择合适，可有效地提高煤田勘探的精度和可靠 性。 关键词：地震勘探、分辨率、信噪比、静校正、相干体、煤层、断层、陷落柱 a b s 仃a c t d u et ot h eh i g ht o p o g r a p h i ci n e q u a l i t ya n d t h em e d i u m d i s t r i b u t i o no fl o w d e c e l e r a t i o nz o n ei sv e r yi n h o m o g e n e o u sa tv e r t i c a l l ya n dh o r i z o n t a l l yi n m o u n t a i n o u sa r e a s ，e s p e c i a l l yt h ea b s o r p t i o nl o s so fs e i s m i cw a v ef i e l di st e r r i b l e b e c a u s eo ft h e d e e pl o e s sl a y e r i nt h e l o e s s i c m o u n t a i n o u sa r e a s ，t h e s i g n a l 一t o n o i s er a t i oa n dt h er e s o l u t i o no fr e f l e c t e dw a v ef i e l dw h i c hr e c e i v e d f r o mt h es u r f a c ew e r er e d u c e da n dt h ec h a r a c t e r so fw a v ef i e l dk i n e m a t i c sa n d k i n e t i c sw e r ed i s t o r t e d t h ea b o v ee f f e c tw i l ld i r e c t l yr e d u c et h ep r e c i s i o na n d t h er e l i a b i l i t yo fc o a ls e i s m i cp r o s p e c t i n gi nt h ea r e a s u n d e rt h eg u i d a n c eo fs e i s m i c - w a v et h e o r y ，t h i sp a p e ri sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e d a n dd i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yo fs e i s m i ca c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，i n t e r p r e t a t i o n i nm o u n t a i n o u sc o a ls e i s m i cp r o s p e c t i n g a n di ti sb e l i e v e dt h a t ：( d a d o p t i n gp r o p e r s u r v e ym e t h o ds u c ha ss l a l o m1i n e ，s w a t hm e t h o da n dt h r e e d i m e n s i o n a la r r a ya n d p r o p e rs h o ta n d r e c e i v ep a r a m e t e r ，t h es i g n a l 一t o n o i s er a t i oo fa c q u i r e dd a t aw i l l b eh e i g h t e n e di nt h ec o n d i t i o no fw i d ef r e q u e n c yb a n d u s i n gp r o p e rp r o c e s s i n g f l o w sa n dt e c h n i q u e s ，f o re x a m p l et h er e f r a c t i o nc o r r e c t i o no fs h o t s ，t h ea m p l i t u d e e n e r g yp r o c e s s i n gm e t h o di np r e s t a c kw a v ef i e l d ，t h ek e e p i n ga m p l i t u d e2 dd e n o i s e t e c h n i q u e ，t h ew i d e n i n gf r e q u e n c yb a n dm e t h o da n da p p r o p r i a t ew a v ef i e l dm i g r a t i o n m e t h o d ，c a ni m p r o v et h er e s o l u t i o na n ds i g n a l - t o - n o is er a t i oo fi n i t i a ld a t aa n d c o r r e c tt h ed i s t o r t i o no fk i n e m a t i c sa n dk i n e t i c si nt h ee f f e c t i v ew a v ef i e l d ( 要) a c c o r d i n gt h eg e o l o g i c a la i m sa n du n d e rt h es u p p o r to fi n t e r p r e t a t i v es o f t w a r e s y s t e m ，c h o o s i n gp r o p e ri n t e r p r e t a t i v et e c h n i q u e s ，s u c ha sc o m p r e h e n s i v ev e l o c i t y a n a l y s i s ，s u b t l eh o r i z o nc a l i b r a t i o n ，t h r e ed i m e n s i o n a lv i s u a li n t e r p r e t a t i o n ， c o h e r e n c ec u b e ，f r a c t u r ed e t e c ti o n ，t h ep a r a m e t e rp ic k u po fa t t r i b u t e ，t h e i n v e r s i o no fw a v ei m p e d a n c ea n ds oo n ，c a nh e i g h t e nt h ep r e c i s i o na n d t h er e l i a b i l i t y o fi n t e r p r e t a t i o n t h et e c h n i q u e sn o to n l yc a ns o l v et h eg e o l o g i c a lp r o b l e m so f s m a l lt e c t o n i c ，s m a l lf a u l t ，a n dt h et h i nc o a lb e dp r e d i c t i o ni nt h ec o a ls e i s m i c p r o s p e c t i n gb u ta l s o c a np r o v i d ec r e d i b l e s u r v e y r e s u l t so ft h eg e o l o g i c a l d i s a s t e r si n c l u d i n gt h ec o l l a p s ec o l u m na n dm i n e d o u ta r e a ，w h i c hp o s s i b l ya p p e a r i nt h ec o a ls e is m i cp r o s p e c ti n g b a s e dt h ea n a l y s e so fm u l t i f a r i o u sm e t h o da n dc o n n e c t i n gt h ew h o l ep r o c e s so f p r a c t i c a l3 dc o a ls e i s m i cp r o s p e c t i n gi nt h em o u n t a i n o u sa r e a s ，t h ep a p e rp r o v e d f u r t h e rt h a ta sl o n ga st h ec h o s e nt e c h n i q u e sw e r er i g h tw ec a ni n c r e a s et h e p r e c i s i o na n dt h er e l i a b i l i t yo fc o a ls e i s m i cp r o s p e c t i n ge f f e c t i v e l yi nt h ea r e a s k e yw o r d s ： s e i s m i ce x p l o r a t i o n ；r e s o l u t i o n ；s i g n a l - t o n o i s er a t i o ：s t a t i c c o r r e c t i o n ：c o h e r e n c ec u b e ；c o a lb e d ；f a u l t ：c o l l a p s ec o l u m n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注 明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 碍填乞 沙占年，f 月f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 码网仡 h f 叫 ) o 驴6 年，f 月1 日 z 力犀1 1 月e l 第一章绪言 1 1 煤田地震勘探发展历史与现状n 坩1 地震勘探是应用地球物理勘探中的一种重要方法，是以研究人工激发的弹性波在地下 介质中的传播为基础的包括一整套探测地层结构( 包括矿床本身) 的方法。理论上，由爆 炸或撞击激发的弹性波从激发源向各个方向传播，可穿透地下很深的地层，同时在地层中 产生透射、反射和折射。人们用专门的仪器记录这些振动，并通过观测和研究振动波场的 运动学和动力学参数特征，反演发生折射或反射的地质界面的埋藏深度、产状及起伏形态 等构造特征，同时判断波所通过的岩石或矿床的性质。因此，地震勘探方法特别适用于解 决地质构造问题，尤其适用于寻找沉积型的能源矿产，如石油、天然气和煤；对于其他沉 积型的金属和非金属矿产如岩盐、铝土矿等亦可采用人工地震的方法进行勘探。除解决地 质构造问题外，随着方法技术的发展，近2 0 年来，人们亦尝试利用波场的动力学信息直接 探测能源矿产。 地震勘探作为一种地球物理方法产生于上世纪2 0 年代初，它发展的初始阶段主要以地 震学的理论前提和方法为基础。二十世纪之初，苏联学者加利金在发展记录振动的方法和 观测解释方法研究地球内部结构方面取得很大成功。1 9 1 9 年，明特罗普( m i n t r o p ) 获得了 折射初至波法的专利，1 9 2 7 年反射波法得到工业上的应用。1 9 3 3 年开始在反射波法中应用 组合检波。1 9 4 0 年反射波法工作采用1 0 - 1 2 道多道仪器，二次大战后增至2 4 道，1 9 6 0 年 到1 9 8 1 年，大多数地震队采用4 8 - - 9 6 道，近年来向更多道( 1 0 0 0 ) 记录仪发展。而其 间地震仪的记录方式经历了三次变革，其一，从1 9 2 7 年至1 9 5 2 年，多采用光点记录，资 料采用人工处理，记录的动态范围小，信噪比低、效率低；其二，从1 9 5 3 到1 9 6 3 年，发 展为模拟磁带记录，资料可用模拟计算机回放处理，动态范围增大，信噪比有较大提高， 处理达到半自动化；其三，从1 9 6 4 年至现在则发展到数字磁带记录，高覆盖次数观测，资 料用数字计算机处理，动态范围很大，精度、自动化程度和效率都得到了很大提高，扩大 了解决地质问题的能力。 现在，地震勘探技术仍在以数字化为主要标志继续迅速发展。仪器方面正向无线遥控 遥测、高采样率、超多道( 1 0 0 0 0 ) 发展；野外工作方法技术方面则是发展非炸药震源、 高分辨率勘探、。三维勘探、多波多分量勘探等，以解决复杂构造，深层构造，地层岩性圈 闭、储层研究以及直接找油、气等地质问题；在数据处理方面，为了适应地震数据采集量 猛增的需要，已实现用大容量的磁带和硬盘进行地震记录( 单盘容量达到百兆千兆字节) ， 多c p u 并行计算机处理；为了充分利用地震波场的信息，在不断引进其它基础学科和新兴 技术的先进成就的基础上，发展了层析技术、求解粘弹性介质和各向异性介质等的波动方 程正反演技术、地质目标参数反演技术和地质目标综合预测技术等；就解释方法技术而言， 已完全抛弃了手工解释，代之为计算机交互解释技术和多学科综合的虚拟现实技术，从而 大大提高了地震勘探的精度、可靠性以及解决地质问题的能力，同时，工作效率亦获得了 很大提高。 正是由于地震勘探方法技术的优势和解决各种地质问题的能力，多年以来，西方世界 在应用地球物理勘探方面的投资中百分之九十用于地震勘探。世界上的墨西哥湾油田、中 东油田、里海油田和北海油田等许多大中型油田的前期勘探都采用了地震勘探方法技术。 在我国，自大庆油田发现以来，9 5 的新油田的前期勘探亦采用了地震勘探方法。 就煤田地震勘探而言，方法技术的发展水平与油气地震勘探的技术水平基本同步。由 长安大学t 程硕十学位论文 于煤田勘探采用地震勘探方法技术时间较晚，且所要求解决的地质问题较油气勘探简单， 因此，许多地震勘探的新方法技术并未完全得到应用。尽管如此，近1 5 年来，在煤田勘探 的不同阶段，采用2 d 、2 5 d 和3 d 地震勘探方法，解决煤闭勘探中的地质问题，包括煤系 地层的埋深、起伏变化、断裂展布、煤层厚度以及可能存在的灾害地质问题，已表现出较 强的能力，并得到了充分认可，列入了勘探规范。 由于煤阳地震勘探的地质目标埋藏浅( 一般小于1 o k m ) ，厚度薄( 一般小于6 0 i i i ) ， 灾害地质现象的空间尺度相对较小( 一般小于1 0 l o m 2 ) ，地表条件较复杂，特别是基岩或 黄土山区，因此在目前的方法技术条件下，针对勘探的不同阶段，对地震波场均要求做到 保持振幅、保持精度、高信噪比和分辨率，以便获得精度和可靠性较高的勘探结果。故采 用高精度、高分辨率和高信噪比地震勘探方法技术是现阶段煤田勘探的地质任务和要求所 决定的。就目前的地震勘探方法技术水平而言，已基本可实现，但在实际山区煤田地震勘 探的整个过程中，由于种种原因，如投资因素、质量控制因素、方法技术选择及限制因素 等，其勘探结果尚难尽如人意。 1 2 研究目的和意义 本论文研究的目的主要是在地震勘探理论指导下，通过分析和研究山区高精度煤田地 震勘探方法技术，包括在资料采集、处理过程中的提高分辨率和信噪比技术以及在资料解 释中提高精度和可靠性技术等，以便在实际山区煤田地震勘探中，较好地解决：由于山 区地形起伏变化较大和下部地层倾角相对较大等所造成的地震波场成像精度和可靠性不高 等问题；由于山区表层低降速带纵横向变化大，吸收衰减严重，致使波场的分辨率和信 噪比降低等问题；在高分辨率和信噪比处理成果资料的基础上，如何采用合适的综合解 释方法技术，以提高地质解释的精度和可靠性等问题。最终，结合实际，为山区煤田勘探 确定合适的地震勘探方法技术。 1 3 主要研究内容及成果 1 3 1 主要研究内容 在地震勘探方法理论指导下，主要分析和研究： ( 1 ) 、针对山区地表和低降速带变化特征，合适的煤田地震资料采集方法技术； ( 2 ) 、针对l n 区地震波场特征，合适的煤田地震资料处理方法技术； ( 3 ) 、针对不同的地质目标，合适且精度和可靠性较高的综合地震资料解释技术。 1 3 2 主要研究成果 ( 1 ) 、根据基岩或黄土山区的特殊地表条件，经过分析研究确定的采集方法技术和参 数结果。主要的采集方法技术试验包括弯线、宽线和三维采集技术； ( 2 ) 、根据山区地震波场特征，经方法技术试验研究确定的有效处理技术及流程结果。 主要的处理方法技术试验包括山区静校正、振幅处理、去噪及提高分辨率处理和成像处理 等技术等： ( 3 ) 、根据不同的勘探目标，如煤系地层的构造展布特征、煤层厚度以及灾害地质现 象等，经解释方法技术试验研究确定的切实有效且精度和可靠性较高的综合地震资料解释 技术成果。主要的综合解释方法技术试验包括综合速度分析技术、高精度层位标定技术、 三维可视化解释技术、相干体技术、断棱检测技术、属性参数提取技术及波阻抗反演技术 6 在 号予o ( 4 ) 、在地震方法技术试验研究的基础上完成的实际山区3 d 煤田地震勘探应用成果。 2 长安大学工程硕士学位论文 第二章地震勘探基本理论 2 1 地震波的能量、吸收和衰减 地震波从激发、传播到被接收，其振幅和波形都要发生变化，影响因素归纳起来主要 有三类，第一类是激发条件的影响，它包括激发方式、激发强度，震源与地面的耦合状况 等，第二类是地震波在传播过程中受到的影响，包括球面扩散、地层吸收、反射、透射、 入射角大小以及波型转换等造成的衰减；第三类是接收条件的影响，包括接收仪器设备的 频率特性对波的改造以及检波器与地面耦合状况等。此外，地下岩层界面的形态和平滑程 度等也会对波的能量有所影响。如图2 1 1 所示。在此，我们仅讨论第二类因素的影响， 其它问题在以后章节讨论。 2 1 1 地震波的能量与球面扩散 地震波的传播实质是能量的传播。根据一般波动理论可知，波在介质中传播时的能量 等于动能e ，和位能e 。之和。假设波通过的介质体积为w ，介质的密度为p ，对于谐和振动 来说，波的能量e 可用下式表示： e = e + e 口, o a 2 f 2 形 ( 2 1 1 ) 图2 1 1影响地震波振幅的因素 式中a 表示波动的振幅，表示波的频率。 上式说明波的能量和振幅平方、频率平方及介质的密度成正比。于是包含在介质中单 位体积内的能量( 称能量密度) 占亦应正比于振幅平方 3 长安大学t 程硕十学位论文 g ：鱼o c ，p a 2 厂2 g = ，一 w 。 ( 2 1 2 ) 定义单位时间通过单位面积的能量为波的能通量密度或波的强度i ，因为实际地震勘探是 在波前面的单位面积上观测波的能量信息的，如果时问d t 内通过面积d s 的能量为 g v d t d s ，则波的强度i 为 i ：占v d t d s ：s va 2 v o ca( 2 1 3 ) = 一= s l z 1 o ， d t d s 式中v 为速度。因此波的强度i 正比于波的振幅平方。 现在我们来研究球面波的能量密度。图2 1 2 表示一个从中心o 发出的球面纵波的波 前示意图，二个球面的半径分别为和，以孙，2 为半径的部分球面面积分别为s 、s ：。 于是单位时问内流过面积& 的能量应等于流过面积墨的能量，有 i l s l = 1 2 s 2 ( 2 1 4 ) 因此 生：堕 厶s 2 根据s 。和s ：具有相同的立体角拯， 擒：s _ a ，l ：s _ 2 ，_ 2 气r i 所以 要= 等 ( 2 1 5 ) 从立体角定义出发，有 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 图2 1 2 球面波能量密度示意图 代入( 2 1 5 ) 式有 ，。2 l = 一i i ( 2 1 8 ) j 2巧 因为强度i 正比于振幅平方a 2 ，因此有 鱼芘生 ( 2 1 9 ) 4 l吃 说明波的振幅与波的传播距离成反比，这就是前面所讨论的波的球面扩散 2 1 2 波的吸收衰减 由于地下介质的非完全弹性和不均匀性，当地震波通过地层介质传播时，出现波的吸 收现象。此时，介质的振动粒子之间产生摩擦，地震波的一部分能量转换成热。地下介质 弹性越好，能量损失就越少。这表明分选、胶结好的地层波的吸收作用也小。由于这个原 因，可得出以下结论，一般情况下，波的吸收随着深度的增加而减小。 在地震勘探中，地震波的振幅a 随传播距离r 的增加按指数规律衰减，即 a = a o e 一口 ( 2 1 1 0 ) 其中以为初始振幅，q 为吸收系数，用单位波长衰减的分贝数表示。 地震学家常把式( 2 1 1 0 ) 表示为 a = e - i o r y 或 a = e - x r o 其中0 为吸收介质的品质因子，t 为旅行时间。 4 长安大学工程硕士学位论文 参数q 是介质的函数，指数( 一劫可作为沿着整个传播路径r 的积分表示， 即 么= e x p ( 一i r o 土剞d r 其中9 纠和y 纠分别为与传播距离有关的品质因子和速度。 矿扛夕，则可得到更简单的表达式 a = e - 。2 q 矿 比较式( 2 1 1 0 ) 和( 2 1 1 2 ) ，我们得出 假如使用虿和矿代替p 纠和 口= r o l 2 q 矿= 矿o r 一 ( 2 1 1 3 ) 式( 2 1 1 3 ) 表明，吸收系数与地震波的频率成正比，与地层速度v 和品质因子成反比。 表明介质的口值越大，吸收系数越小，能量的损耗越小。p 值为一无量纲量，通常被定义 为：在一个周期内( 或一个波长距离内) ，振动所损耗的能量与总能量之比的倒数。 地震波的频率越高，地层的速度越低，地层的吸收作用就越显著。而对于较低频率成 分的波，相应吸收较少。可见，弹性波在实际介质中传播时，随着传播距离的增大，高频 成分很快被吸收，而只留下较低的频率成分。这样地震波在实际介质中传播时，实际介质 相当于一个滤波期，滤去了较高的频率成分而保留较低的频率成分，岩土介质的这种作用 称为大地滤波作用。高频成分的损失，改变了脉冲的频谱成分，使频谱变窄，因而使激发 的短脉冲经大地滤波作用后其延续时间加长，分辨率降低。如图2 1 3 所示。 一卜一 输人 大地滤波 图2 1 3大地滤波作用对波形的改造 牝 输出 2 2 地震波在分层介质中的传播 实际地下介质是具有多界面的分层介质，地震波从一种介质传到另一种介质时，在两 种介质的弹性分界面上，会产生透射、反射、折射以及转换波、二次波、多次波等，这些 波的传播方向也要发生变化。研究这些波的传播规律，对地震勘探有着十分重要的意义。 2 2 1 透射与反射 地震波在介质中传播时，遇到介质的弹性分界面会发生透射与反射。根据反射定律： 反射角等于入射角，并且反射线和入射线与界面法线在同一平面内，如图2 2 一l 所示。 图2 2 1 平面波的入射、透射和反射 在弹性分界面上，由于分界面两边的弹性波传播速度不同，当波从一种介质进入 另一种介质时，会产生“折射”现象。这时在弹性分界面上，波的传播方向发生变化， 透射波与入射波不再具有相同角度。根据折射定律，入射角、透射角和两边介质中波 5 长安大学工程硕士学位论文 的传播速度之间有下述关系： 竺l 旦：生 ( 2 2 1 ) 一= o 厶厶1 ， s i np u 2 式( 2 2 1 ) 称为斯奈尔定律。 式中：a 入射角；b 透射角：q 一入射波传播速度；呸透射波传播速度。已经证明， 当平面波垂直入射到界面时，反射波、透射波和入射波的振幅具有下述关系： a ，= p 2 v 2 - p l v lm 仍+ 岛 a ，= 虹a 。r = ! 生a f 见呸+ 岛q ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式中：a ，一入射波振幅；a ，一反射波振幅；a ，一透射波振幅；n 、p 2 分别为入射介质 和透射的密度；式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 可写成 r ：生： a l 鱼生二旦垫：至凸 见+ 岛z 2 + z l t = 垒：堑堡：圣兰! a j仍呸+ 岛qz 2 + z l ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 式中：i 卜反射系数；t _ 透射系数；z = 岛q ，z ：= 胁介质的波阻抗。根据公式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) ，不难看出： r + t = l( 2 2 6 ) 公式( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 所给出的关系，对入射角不等于零时不适用，反射系 数随入射角增大而变化，它与两边介质的波阻抗有关，是油气储层的有效检测手段之一， 但在入射角较小时，它们是近似的。由上述关系式，可得出以下几点重要结论： ( 1 ) 、反射波产生的条件 当界面两边介质的波阻抗相同，即z ：= z ，时，在界面上只有透射而无反射，只有当界 面两边介质的波阻抗有差异，即z ，z 时，才会有反射波产生。 ( 2 ) 、反射波的强度 界面两边的波阻抗差别( z ：一z ，) 愈大，反射波强度愈强。此外，反射强度还与两边 介质的波阻抗之和( z ，+ z 。) 有关。( z ，+ z ) 愈大，反射强度愈弱。由于一般地层的波 阻抗随深度增加而增大，所以当有相同的波阻抗差时，深层的反射比浅层的弱。 ( 3 ) 、反射极性 当z ： z ，时，r o 。反射波与入射波的相位相同。当z ，( z 时，r 0 ，反射波与入射波 的相位相反，相差1 8 0 。，这种现象称为“半波损失 。利用反射波的极性，对判断地下岩 性，特别是研究油气储层是很有用的。 ( 4 ) 、透射波的强度与极性 透射系数t = 1 一r ，当反射系数r 为负时，透射系数t 可以大于l 。并目无论z ：) z 。， 还是z ， f 。时，横波t i 、r 。分别减弱，而反射纵波r 。继 续增大。当入射角a = f 。时，横波z 和r 。都一0 ，而纵波r 。达到最大值。 由上可见，波的能量分配随入射角的变化是相当显著的。这在进行地震勘探时，是必 须加以注意的。 01 02 03 04 0钟7 08 0 人黼 c ) 图2 2 9 同类波和转换波的能量分配 2 3 地震勘探的分辨率 2 3 1 横向分辨率 横向分辨率也叫水平分辨率，是指地震波在横向上能分辫地质体的最小宽度。 根据广义绕射理论，在地面0 点观测到的波的能量主要是由一个确定范围内的绕射点 形成的绕射波对该观测点的“贡献。这个确定范围我们称为菲涅尔带。如图2 3 1 所示。 现在从0 点发出一球面波，当波前蓟达界面上时，形成绕射，考虑到所有绕射对o 点 的贡献，认为要使得所有绕射迭加后产生相长干涉，其绕射波时差必须在二分之一周期范 围内，否则产生相消干涉。此时，绕射源发出的能量主要集中在界面上以半径r 为圆周带 内( 即第一菲涅尔带内) 。假设界面上的介质是均匀的，速度为v ，波的主频为正，名为波 长，则第一菲涅尔带半径为： ，：厮= 、粤+ 争：一( 等2 ( 2 3 1 ) 其中：t 为双城程时，t 为周期，且a = ，界面深度h = w ，化简上式得： 】c 2 ，：婴+ 篓一i t 4 1 了 ( 2 3 2 ) 忙1 丁+ 而2i 、| ，q 芦 昭一纠 对于浅层而言，地震波主频较高，去“，则有： 1 0 o 9 b 7 5 5 3 2 l一；仉饥仉饥仉仉仉饥仉 o 口8 7 6 5 i 3 2 l l仉仉饥饥仉m仉仉m 长安大学工程硕士学位论文 广一厂 厂兰仁：f 丝 ( 2 3 3 ) ，一卜一= 卜一 二o ， 2 吖z v2 分析( 2 3 3 ) 式可知： 地震勘探在横向上能分辩的地质体的最小宽度是第一菲涅尔带，即当地质体的横向 长度a 小于菲涅尔带( 2 r ) 时，这样的地质体的反射归结成了一个点的绕射，此时地震勘 探难以区分出这样的反射是来自一个点还是长度为a 的地质体；当地质体的横向长度大于 或等于菲涅尔带( 2 r ) 时，则可以分辨。 第一菲涅尔带半径r 随着频率的增高而减小，随着勘探深度的增加而增大。因此要 提高横向分辨率，主要在于提高反射波的主频。 、 图2 3 1 球面波遇到平面反射层的情况 2 3 2 纵向分辨率 地震勘探的纵向分辨率是指在纵向上能够分辨岩性单元的最小厚度，它包含两个含义， 其一为正确地识别薄层顶底界面的反射，其二为确定薄层的存在以及薄层的厚度。研究表 明： 纵向分辨率与地震子波有着密切的关系，提高地震子波的主频，同时增大子波的频 带宽度，可提高纵向分辨率； 纵向分辨率的极限是1 4 波长，即当地层厚度大于1 4 波长时，能够从地震记录的 波形特征分辨；当地层厚度减薄至1 4 波长时，就不能用时差来确定地层厚度，只能利用 振幅的信息来确定地层厚度，虽然振幅分辨率对薄层厚度的分辨能力的理论极限是零，但 在实际中由于噪声的存在将限制对薄层厚度的分辨能力。因此，一般认为纵向分辨率在 l 4 1 8 波长之间。 2 4 地震波的速度及影晌因素 理论研究和大量实际资料证明，地震波在岩层中的传播速度和岩层的性质，如弹性常 数或岩石的成分、密度、埋藏深度、地质年代、孔隙率等因素有关。下面分别余绍它们之 间的关系。由于目前在石油地震勘探中主要利用纵波，本章在谈到波速时，除特别说明外， 都是指纵波速度。 2 4 1 地震波速与岩石弹性常数的关系 地震纵波和横波在介质中传播的速度与介质的弹性常数之间的关系为： = 乎= 鼯 屹2 仔志 r 一广。一 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 式中：入，| i 一拉梅系数；p 一介质的密度：e _ 杨氏模量；o 一泊松比。 长安大学工程硕士学位论文 它们都是说明介质的弹性性质的参数。泊松比。的值在泊松固体情况下约等于0 2 5 ， 只有在最为疏松的岩土介质中0 o 5 。可见。的变化不大。杨氏模量的大小和岩石的成 分、结构有关。随着岩石密度的增加，e 比p 增加的级次较高，所以地震波的速度随着岩 石密度的增加而增大。 2 4 2 地震波速与岩性的关系 大多数火成岩和变质岩只有很少或没有孔隙，因此地震波的速度主要决定于构成这些 岩石的矿物本身的弹性性质。一般说来，火成岩的地震波速度的变化范围比变质岩和沉积 岩小，火成岩地震波速度的平均值比其它类型岩石的要高。大多数变质岩地地震波速度变 化范围比较大。对于沉积岩，如砂岩、页岩和较软的石灰岩，它们的结构比较复杂，在颗 粒之间有孔隙，孔隙中可能充填了液体或充填了像粘土这类软的固体物质。这类岩石速度 是密切地依赖于孔隙率和充满孔隙中的物质。这几类岩石中的地震波速度的变化范围可见 表2 4 1 。 表2 4 1各类岩石的波速 岩石成分 速度1 ，。( 所s 一1 ) 沉积岩 1 5 0 0 6 0 0 0 花岗岩 3 5 0 0 6 5 0 0 玄武岩4 5 0 0 8 0 0 0 变质岩3 5 0 0 6 5 0 0 2 4 3 地震波速与密度的关系 经验表明，沉积岩中的波速与岩石密度有密切关系，这种关系除了式( 2 4 1 ) 和( 2 4 2 ) 由波动方程导出的严格公式外，通过对大量岩石样品作岩石物性研究，发现地震纵波速度 与岩石密度( 完全充水饱和体积密度) 之间，存在着良好的定量关系，可用加德纳公式表 示如下： p = 0 3 1 0 0 苈 ( 2 4 3 ) 式中：1 ，速度( k m s ) ：p 一密度( g c m 3 ) 。 图2 4 1 给出了按式( 2 4 3 ) 式计算的理论曲线和测定的速度与密度的关系。从图2 4 ，1 看出，这个公式对砂岩、泥岩、白云岩等岩性比较适用，对硬石膏等偏差大一些。 这些经验公式具体地反映了速度与密度之间的关系，为参数之间的换算提供了方便。 表2 4 2 给出了沉积岩类及第四系地层常见岩土介质的速度和密度。沉积岩中煤层的速度 和密度均低于砂泥岩和灰岩，其波阻抗值亦差异较大。 表2 4 2常见岩土介质的波速和密度 岩土介质 速度( m s 。1 ) 密度( g a m 3 ) 粘土4 0 01 6 0 01 8 2 2 湿沙5 0 0 1 2 0 01 2 1 7 泥岩1 6 0 0 3 2 0 02 2 2 6 粉砂岩1 8 0 0 4 5 0 02 3 2 8 砂岩2 0 0 0 5 0 0 02 3 2 8 页岩2 2 0 0 3 8 0 02 3 2 7 煤层 1 6 0 0