（地球探测与信息技术专业论文）地震散射波成像技术研究.pdf

s t u d yo ns e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ei m a g i n a t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fd o c t o r c a n d i d a t e ：s h e nh o n g y a n s u p e r v i s o r ：p r o f l iq i n g c h u n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文储虢鹏曜 年占月伽 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： 汛浩币 旁办考 z , , o i o 年6 月z 多日 乙刀fd 年么月，彦日 摘要 随着亟待解决地质问题的复杂化程度和解决问题精细程度的进一步提高，多次覆 盖反射地震勘探技术暴露出的弊端和问题越来越多，虽然能较好地提高地震资料的信噪 比，但在复杂构造情况下，尤其是在山前断裂带、盆地边缘破碎带、岩浆侵入型的勘探 问题以及近地表不均匀性突出地带的探测问题，难以取得精确的成像结果，究其原因 是传统反射地震勘探技术的理论基础限定了其不可能完全逾越对地质信息完整、准确地 提取的能力。另外，传统方法只应用单一类型地震波场( 如反射波、面波、折射波等) 进行成像，成像效果和地质信息提取能力都受到一定的限制，尤其是地质情况复杂地带 效果更差。其实，地震波所携带的地质信息是非常丰富的，单一类型地震波( 如反射波) 仅体现地质属性信息的一部份或者是某一方面，限定了其精细提取地质信息的能力。本 文较系统地开展了地震散射波成像方法与技术研究，即应用更为广泛意义上的地震散射 波场进行成像。 在已有地震散射波理论的基础上，针对地震散射波传播的特性，建立了点散射地 震地质模型，在此基础上，完善了地震散射波几何运动学，总结了地震散射波的时距 规律，并将散射波的时距特征和规律与传统的反射波时距特征和规律进行了深入的分析 与对比，。与此同时，提出了“视反射波 的概念。 借助典型地质模型的地震波场数值模拟，深入分析了地震散射波的传播特征。研 究表明，传统意义上的地震反射波不是真正意义上的反射波，而是地震散射波相互干涉 的最终结果，地震散射波是孤立地质体表现出的基本特征，由于干涉效应，连续介质已 经模糊了部分地震散射波的基本传播属性，尤其是连续水平弹性界面情况下，再加上背 景噪音的影响，散射波性质就更不容易被发现。但是，当界面不规整、不均匀性突出的 情况下，地震散射波的传播性质和规律就被凸显出来了，特别是存在尖灭点、断面等异 常地质现象时，地震记录上就会出现传统意义上的异常波( 如绕射波、断面波等) ，此 时，地震散射波的传播规律和性质就体现出来了。 通过散射波时距规律分析得出，散射波的时距曲线特征只与上行波有关系，其规 律满足双曲线特征，而下行波仅与旅行时长短有关。针对转换波来说，由于上行波与下 行波的传播速度是彼此孤立的，当然其时距规律也满足双曲线特征，这为地震转换波处 理与信息获取提供了新的思路和理论支持。 基于地震散射波的传播规律，研究了地震散射波成像速度分析方法与技术，深入 分析了该技术与传统速度分析技术和基于等效偏移距地震散射波速度分析技术的异同 点和优劣性。采集数据时，在传统覆盖次数固定的前提下，由于充分利用上了所有采集 到的地震信息，在散射波速度分析时，使得叠加次数得以大大提高，这样不但使有效散 射波能量聚焦能力更强，而且能有效提高信噪比，同时利用上了绕射波、断面波等传统 意义上的异常波信息进行速度分析，因此，与传统速度分析技术相比较，该技术能更精 确地获取成像速度，尤其对构造复杂地区和低信噪比地区的地震资料，能有效避免传统 技术中异常波的伪能量团影响的弊端，同时可减小多次波的影响。 在地震散射波速度分析技术的基础上，研究了地震散射波时间域成像方法与技术。 基于点散射地质模型，无须进行道集选排，而是基于散射波时距双曲线规律，通过单点 寻优成像。在传统覆盖次数一定的情况下，该技术比传统水平叠加成像技术的叠加次数 大大提高了；另外，由于获取了精确的成像速度，同时利用上了传统意义上的绕射波、 断面波等异常波信息进行成像。因此，该技术不但有效提高了信噪比，而且能大大提高 成像精度；同时，因成像位置和区域可以根据实际情况来定义，对采集数据所覆盖的区 域均可进行成像，所以比传统成像技术扩大了成像区域，所获取的地质信息更加丰富。 在速度分析和成像技术的基础上，编制了相关软件，并建立了数套典型地质模型 ( 水平层模型、断层模型、薄互层模型、角度不整合面模型、凹陷模型) 进行成像处理 与效果分析，取得了预期的效果。 针对实际资料，建立了合理的地震散射波处理流程，从处理工艺上分析了该技术 的优越性，并与传统的标准成像处理流程( 包括叠后偏移成像、叠前偏移成像、基于等 效偏移距的地震散射波成像等) 进行了对比与分析，得出速度获取的精确成度直接影响 到成像质量的好坏，本文方法与技术获取的速度精确度高，而且处理流程直观明了、简 单。在此基础上，从实际亟待解决的实际地质问题出发，针对近地表工程与环境探测、 城市活断层探测、煤田和油气地震勘探与开发问题，处理了数套实际资料( 包括单分量、 多分量) ，并与传统速度分析和叠后偏移技术处理的结果进行了对比与分析，取得了非 常丰富的认识。 关键词：地震地质模型：散射波勘探；运动学；复杂构造：低信噪比；处理流程：速度分析；地震 波成像 a b s t r a c t a l o n g 、析t hu r g e n t l ya w a i t st ob es o l v e dt h ec o m p l i c a t i o nd e g r e eo fg e o l o g i c a lq u e s t i o n a n dt os o l v et h eq u e s t i o nf i n ed e g r e ef u r t h e re n h a n c e m e n t ，t h em a l p r a c t i c ea n dt h eq u e s t i o n t h a tt h em u l t i f o l dr e f l e c t e dw a v ee x p l o r a t i o nt e c h n i c a lh a se x p o s e da r eg e t t i n gm o r ea n dm o r e a l t h o u g hi tc a ne n h a n c et h es i g n a l t o n o i s er a t i oo fs e i s m i cd a t aw e l l ，i nt h ec o m p l e x s t r u c t u r es i t u a t i o n ，p a r t i c u l a r l yt h ef a u l tz o n eo fm o u n t a i nf r o n t ，t h ec r u s h e dz o n eo fb a s i n e d g e ，e x p l o r a t i o nq u e s t i o no fm a g m a t i ei n t r u s i o n a sw e l la s t h e s u r v e yq u e s t i o no f n o n u n i f o r m i t yp r o m i n e n tr e g i o ni nn e a rs u r f a c e ，i ti sd i f f i c u l t yt oo b t a i nt h ep r e c i s ei m a g i n g r e s u l t t h er e a s o ni st h a tt h et h e o r yo ft h et r a d i t i o nr e f l e c t e de x p l o r a t i o nt e c h n i c a lh a sd e f i n e d i ti s i m p o s s i b l et oo v e r s t e pt h ea b i l i t yt h a t w i t h d r a w sg e o l o g i c a lf e a t u r ea c c u r a t e l ya n d g e o l o g i c a li n f o r m a t i o nc o m p l e t e l y m o r e o v e r ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so n l ya p p l yt h es o l et y p e s e i s m i cw a v ef i e l d ( f o re x a m p l er e f l e c t e dw a v e ，s u r f a c ew a v e ，r e f r a c t e dw a v ea n ds oo n ) t o c a r r yo ni m a g i n g ，t h ei m a g i n ge f f e c ta n dt h ea b i l i t yo fg e o l o g yi n f o r m a t i o ne x t r a c t i n gi s l i m i t e dc e r t a i n l y , p a r t i c u l a r l yt h ee f f e c ti sw o r s ei n g e o l o g i c a l s i t u a t i o nc o m p l e xr e g i o n a c t u a l l yt h es e i s m i cw a v ew h i c hc a r r i e st h eg e o l o g i c a li n f o r m a t i o ni sv e r yr i c h a n dt h es o l e t y p es e i s m i cw a v e ( f o re x a m p l er e f l e c t e dw a v e ) o n l ym a n i f e s t so n ep a r to ro n eh a n do ft h e g e o l o g i c a la t t r i b u t e si n f o r m a t i o n ，h a sd e f i n e dt h ea b i l i t yo fe x t r a c t i n gg e o l o g yi n f o r m a t i o n w e l l t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e dt h es e i s m i cs c a t t e r e dw a v ei m a g i n gm e t h o da n dt e c h n i c a lr e s e a r c h s y s t e m a t i c a l l y , n a m e l ya p p l y i n gt h es e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ef i e l dw h i c hi sm o r ew i d e s p r e a d s i g n i f i c a n c ef o rs e i s m i cw a v ef i e l dt oc a r r yo ni m a g i n g i nt h ee x i s t i n gs e i s m i cs c a t t e r i n gw a v et h e o r yf o u n d a t i o n ，i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c o fs e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ep r o p a g a t i n g ，t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h ep o i n ts c a t t e r i n gs e i s m i c g e o l o g i c a lm o d e l ，b a s e d o nt h i s ，c o n s u m m a t e dt h es e i s m i c s c a t t e r i n gw a v eg e o m e t r y k i n e m a t i c s ，s u m m a r i z e dt h es e i s m i cs c a t t e r i n gw a v et i m e - d i s t a n c ec u r v er u l e ，a n dh a sc a r d e d o na n a l y z i n ga n dc o n t r a s t i n gt h et i m e - d i s t a n c ec u r v ec h a r a c t e r i s t i ca n dr u l e f o rs c a t t e r i n g w a v ew i t ht r a d i t i o n a lr e f l e c t e dw a v e ，a tt h es a m et i m e ，p r o p o s e dt h ec o n c e p to fa p p a r e n t r e f l e c t e dw a v e w i t ht h ew a v ef i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et y p i c a lg e o l o g i c a lm o d e l ，t h i sp a p e r 1 1 1 a n a l y z e dt h es e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h o r o u g h l y t h er e s e a r c hh a s i n d i c a t e dt h a tt h es e i s m i cr e f l e c t e dw a v ei nt h et r a d i t i o n a ls i g n i f i c a n c ei sn o tr e f l e c t e dw a v ei n f a c t ，b u ti st h ef i n a lo u t c o m ew h i c ht h es e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ei n t e r f e r e dm u t u a l l y t h e s e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ei st h eb a s i cf e a t u r ew h i c h t h ei s o l a t e dg e o l o g i c a lb o d ya p p e a r e d a sa r e s u l to ft h ei n t e r f e r e n c ee f f e c t ，t h ec o n t i n u o u sm e d i u ma l r e a d yb l u r r e dt h ep a r t i a ls e i s m i c s c a t t e r i n gw a v eb a s i cp r o p a g a t i o na t t r i b u t e ，p a r t i c u l a r l yi nt h ee l a s t i cc o n t a c ts u r f a c es i t u a t i o n w i t hh o r i z o n t a la n dc o n t i n u e s i na d d i t i o nw i t ht h ei n f l u e n c eo fb a c k g r o u n dn o i s e ，t h e s c a t t e r i n gw a v en a t u r eh a sn o tb e e nd i s c o v e r e de a s i l y b u t ，w h e nc o n t a c ts u r f a c en o tn e a ta n d n o n u n i f o r mp r o m i n e n t ，t h ep r o p a g a t i o nn a t u r ea n dt h er u l eo ft h es e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ea r e h i g h l i g h t e d ，e s p e c i a l l yu n u s u a lg e o l o g i c a lp h e n o m e n o n ，s u c ha st h i no u tp o i n t ，f a u l ta n ds oo n t h e r ew i l lb et h ee x t r a o r d i n a r yw a v ew i t ht r a d i t i o n a ls i g n i f i c a n c ei ns e i s m i cr e c o r d ( f o r e x a m p l ed i f f r a c t e dw a v e ，f a u l ts e c t i o nw a v ea n ds oo n ) ，a n dt h es e i s m i cs c a t t e r i n gw a v e p r o p a g a t i o nr u l ea n dt h en a t u r eh a sb e e nm a n i f e s t e da tt h i st i m e t h r o u g ha n a l y z i n gs c a t t e r i n gw a v et i m e d i s t a n c er u l e ，t h i sp a p e ro b t a i n e dt h a tt h e r e l a t i o no ft h es c a t t e r i n gw a v et i m e d i s t a n c ec u r v ec h a r a c t e r i s t i co n l yr e l a t i n gw i t ht h e u p g o i n gw a v e ，a n dt h er u l ef o l l o w i n gh y p e r b o l i cc u r v ec h a r a c t e r i s t i c b u tt h ed o w n g o i n g w a v eo n l yr e l a t e sw i t ht h el e n g t ho ft h et r a v e lt i m e a sf o rt h ec o n v e r t e dw a v e ，t h e p r o p a g a t i o nv e l o c i t i e so fd o w n g o i n ga n du p g o i n gw a v ea r ee a c ho t h e ri s o l a t e d ，c e r t a i n l yt h e t i m e - d i s t a n c ec u r v er u l ea l s of o l l o w i n gh y p e r b o l i cc u r v ec h a r a c t e r i s t i c t h i sp r o v i d e so n e n e wm e n t a l i t ya n dt h e o r yt os u p p o r tf o rs e i s m i cc o n v e r t e dw a v ep r o c e s s i n ga n di n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n b a s e do nt h ep r o p a g a t i o nr u l eo fs e i s m i cs c a t t e r i n gw a v e ，t h i sp a p e rs t u d i e do ns e i s m i c s c a t t e r i n gw a v ei m a g i n gv e l o c i t ya n a l y s i sm e t h o da n dt e c h n i c a l ，a n da n a l y z e dt h es i m i l a r i t i e s a n dd i f f e r e n c e st h o r o u g h l ya sw e l la ss u p e r i o r i t y i n f e r i o r i t yo ft h et e c h n i c a lw i t ht h et r a d i t i o n v e l o c i t ya n a l y s i st e c h n i c a la n dt h et e c h n i c a lo fb a s i n go ne q u i v a l e n to f f - s e t t i n gs e i s m i c s c a t t e r i n gw a v ev e l o c i t ya n a l y s i s w h e nd a t aa c q u i r i n g ，u n d e rt h ep r e m i s eo ft r a d i t i o nf o l d n u m b e rf i x e d ，t h es c a t t e r i n gv e l o c i t ya n a l y s i st e c h n i c a ln o to n l ym a d et h ef o c u s i n ga b i l i t yo f e f f e c t i v es c a t t e r i n gw a v ee n e r g yt ob e 蛐r o n g e r ，b u ta l s oc o u l de n h a n c et h es i g n a l t o - n o i s e r a t i oe f f e c t i v e l y , s i m u l t a n e o u s l yu s e do nt h ei n f o r m a t i o nw i t ht h et r a d i t i o n a le x t r a o r d i n a r y w a v eo fd i f f r a c t e dw a v ea n df a u l ts e c t i o nw a v ee t ct oc a r r yo nv e l o c i t ya n a l y s i s b e c a u s et h e t e c h n i c a lu s e do nt h es e i s m i ci n f o r m a t i o nw h i c hf u l l ya l lg a t h e r e d ，s i m u l t a n e o u st h et i m e so f s t a c k i n gn u m b e ri sa b l et oe n h a n c eg r e a t l y t h e r e f o r e ，c o m p a r e d 诵t ht h et r a d i t i o nv e l o c i t y a n a l y s i st e c h n i c a l ，t h et e c h n i c a lc o u l dg a i nt h ei m a g i n gv e l o c i t yp r e c i s e l y , e s p e c i a l l yt ot h e s e i s m i cd a t ao fc o n s t r u c t e dc o m p l e xr e g i o na n dl o ws i g n a l - - t o - n o i s er a t i oa r e a , w h i c hc o u l d a v o i dt h em a l p r a c t i c eo ft h ee x t r a o r d i n a r yw a v ef a l s ee n e r g yg r o u pa f f e c t e di nt h et r a d i t i o n a l t e c h n i c a le f f e c t i v e l y , s i m u l t a n e o u s l ym a yr e d u c ei n f l u e n c eo f m u l t i p l ew a v e i nt h ef o u n d a t i o no fs e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ev e l o c i t ya n a l y s i st e c h n i c a l ，t h i sp a p e r s t u d i e do nt h es e i s m i cs c a t t e r i n gw a v ei m a g i n gm e t h o da n dt e c h n i c a li nt i m ed o m a i n w i t h t h ep o i n ts c a t t e r i n gg e o l o g i c a lm o d e l ，t h et e c h n i c a ld o e sn o tn e e dg a t h e r sc o l l e c t i o n ，b u tb a s e s o nt h es c a t t e r i n gw a v et i m e d i s t a n c ec u r v eh y p e r b o l i cr u l e ，a d o p t ss i n g l ep o i n to p t i m i z a t i o n i m a g i n g c o m p a r i n g 、而t ht h et r a d i t i o n a lh o r i z o n t a ls t a c k i n gi m a g i n gt e c h n i c a lu n d e rt h e p r e m i s eo ft r a d i t i o nf o l dn u m b e rf i x e d ，t h es t a c k i n gn u m b e ro ft h ei m a g i n gt e c h n i c a li s e n h a n c eg r e a t l y m o r e o v e r , b e c a u s eg a i n e dt h ep r e c i s ei m a g i n gv e l o c i t y , s i m u l t a n e o u s l yu s e d o nt h ei n f o r m a t i o nw i t ht h et r a d i t i o n a le x t r a o r d i n a r yw a v eo fd i f f r a c t e dw a v ea n df a u l ts e c t i o n w a v ee t cc a r r yo ni m a g i n g ，t h e r e f o r e ，t h et e c h n i c a ln o to n l ye n h a n c e dt h es i g n a l t o - n o i s er a t i o e f f e c t i v e l y , b u ta l s oc o u l di n c r e a s et h ei m a g i n gp r e c i s i o ng r e a t l y ；a tt h es a n l et i m e ，b e c a u s e t h ei m a g i n gp o s i t i o na n dt h er e g i o nm a ya c ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o nt od e f i n e ，s o l o n ga st h er e g i o no ft h eg a t h e r i n gd a t ac o v e r e dm a yc a r r yo nt h ei m a g i n g t h e r e f o r e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li m a g i n gt e c h n i c a l ，t h ei m a g i n gt e c h n i c a lc a ne x t e n di m a g i n g r e g i o n a n dt h eg a i n e dg e o l o g i c a li n f o r m a t i o ni sr i c h e r i nt h ef o u n d a t i o no ft h ev e l o c i t ya n a l y s i sa n di m a g i n gt e c h n i c a l ，c o m p i l e dt h er e l a t e d s o f t w a r e ，a n de s t a b l i s h e ds e v e r a ls e t so ft y p i c a lg e o l o g i c a lm o d e l s ( h o r i z o n t a ll e v e lm o d e l ，f a u l t m o d e l ，t h i ni n t e r b e dm o d e l ，a n g l ep l a n eo fu n c o n f o r m i t ym o d e l ，h o l l o wm o d e l ) t oc a r r yo n i m a g i n gp r o c e s s i n ga n da n a l y s i sw i t ht h ee f f e c t ，t h i sp a p e rh a sm a d eag o o dp r o g r e s s i nv i e wo ft h ea c t u a ld a t a , t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e ds t a n d a r ds e i s m i cs c a t t e r i n gw a v e p r o c e s s i n gf l o w , a n a l y z e dt h i st e c h n i c a lc o n g e n i t a ls u p e r i o r i t yf r o mt h ep r o c e s s i n gc r a f t ，a n d c a r r y o nc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gw i t ht r a d i t i o n a ls t a n d a r di m a g i n gp r o c e s s i n gf l o w ( p o s t - s t a c ki m a g i n g ，p r e s t a c ki m a g i n g ，b a s e do ne q u i v a l e n to f f s e ts e i s m i cs c a t t e r i n gw a v e i m a g i n ga n ds oo n ) ，w h i c ho b t a i n e dt h ep r e c i s eo ft h eg a i n e dv e l o c i t yb e c o m i n gi m m e d i a t e i n f l u e n c et ot h ei m a g i n gq u a l i t y t h eg a i n e dv e l o c i t yp r e c i s i o no ft h et e c h n i c a li nt h i sa r t i c l e v i s h i g h ，m o r e o v e rp r o c e s s i n gf l o wd i r e c t v i e w i n gp e r s p i c u i t ya n ds i m p l e b a s e do nt h i s ， u r g e n t l ya w a i t st h ea c t u a lg e o l o g i c a lq u e s t i o nw h i c hf r o mt h er e a l i t yi ss o l v e dt oe m b a r k ，i n v i e wo ft h en e a rs u r f a c ee n g i n e e r i n ga n de n v i r o n m e n ts u r v e y , t h eu r b a na c t i v ef a u l ts u r v e y , t h ec o a lf i e l da n do i lg a ss e i s m i ce x p l o r a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tq u e s t i o n ，t h i sp a p e rh a s p r o c e s s e ds e v e r a ls e t so fa c t u a ld a t a ( i n c l u d i n gs i n g l ec o m p o n e n t , m u l t i - c o m p o n e n t s ) ，a n d c a r r yo nc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gw i t ht h er e s u l to ft h et r a d i t i o nv e l o c i t ya n a l y s i sa n d p o s t - s t a c km i g r a t i o nt e c h n i c a l ，h a so b t a i n e dav e r yr i c hu n d e r s t a n d i n g k e y w o r d s ：s e i s m i cg e o l o g i c a lm o d e l ；s c a t t e r i n gw a v ee x p l o r a t i o n ；k i n e m a t i c s ；c o m p l e xs t r u c t u r e ；l o w s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ；p r o c e s s i n gf l o w ；v e l o c i t ya n a l y s i s ；s e i s m i cw a v ei m a g i n a t i o n 目录 第一章引言。1 1 1 课题研究意义一1 1 2 地震散射波勘探技术的提出5 1 3 国内外研究现状与分析7 1 4 本文的研究内容：1o 1 5 本文的创新点：一1 l 第二章地震散射波基本理论1 3 2 1 地震散射波基本概念13 2 1 1 地震散射分类。1 3 2 1 2 一次散射与多重散射1 4 2 1 3 散射波场。1 4 2 2 地震散射波勘探地质模型15 2 2 1 水平层状介质模型15 2 2 2 块状介质模型：l6 2 2 3 点状散射介质模型17 2 3 地震散射波的产生及其时距关系2 0 2 3 1 散射波的定义2 0 2 3 2 地震散射波时距方程与时距曲线2 2 2 3 3 散射波与反