（地质工程专业论文）高精度浅层工程地震勘查软硬件系统研究.pdf

摘要 在环境与工程勘查领域，不论是道路桥梁基础勘查以及隧道勘查和检测j 建筑物的地 基勘查、建筑材料或构件的质量检测等，还是滑坡灾害调查、水库大坝及江河堤坝隐患调 查以及区域地质稳定性评价等，浅层地震勘查与检测方法技术在其领域内是必不可少且最 重要的手段之一，但由于浅地层的特殊性，如地表环境复杂、地层介质的差异性和稳定性 变化较大以及所勘查对象的尺度一般较小，因此，就方法技术而言，对资料的采集、处理 和解释均与中深层地震勘探有所不同，甚至有更高的要求，如勘查的精度、信噪比和分辨 率等。作为勘查的重要环节之一的资料采集工作，影响采集质量的因素主要有采集的方法 技术及仪器设备的精度和可靠性。 论文在地震勘查基本理论指导下，对研制开发的g d z - 2 4 a 型2 4 位d 高分辨率浅层 地震采集系统及配套的实时浅层地震反射波处理软件进行了详细的分析和论述，阐明了其 设计思想和实现过程，在整体设计框架下，完成了功能模块设计。在充分考虑了整体系统 的实时性、灵活性、有效性以及高保真性的条件下，实现了功能模块及整机系统的研发， 同时开发完成了系统支持软件和实时处理软件，经系统测试，其一致性、噪声水平、波形 畸变等性能指标均达到了设计精度要求，实际应用表明，整机的稳定性、灵活性、有效性 高，可满足浅层高精度地震勘查的需要。 关键词：工程地震、采集系统、电路、动态范围、高精度、分辨率、实时处理 a b s t r a c t a te n v i r o n m e n ta n de n g i n e e r i n gp e r a m b u l a t er e g i o n ，n o to n l yr o a db r i d g e f o u n d a t i o ns u r v e ya n dt u n n e ls u r v e ya n dd e t e c t i o n ，c o n s t r u c t i o n a lf o u n d a t i o n i n v e s t i g a t i o n ，c o n s t r u c t i o n a lm a t e r i a lo rm e m b e rm a s sd e t e c t i o n ，b u ta l s ol a n d s l i p c a la m it ys u r v e y ，r e s e r v o i rl a r g ed a m a n dr iv e rd ik es n a gs u r v e ya sw e lla st h ea r e a l g e o l o g ys t a b i l i t ya p p r a i s e ，s h a l l o ws e i s m i cs u r v e ya n dt e s tm e t h o dt e c h n o l o g ya r e a b s o l u t e l yn e c e s s a r il ya n de v e na r et h em o s ti m p o r t a n ti n s t r u m e n ta tt h i sr e g i o n ， t h e r e f o ro w l n gt oe p i s t r a t a lp a r t i c u l a r i t y ，s u c ha ss u r f a c ee n v i r o n m e n ti n t r i c a c y ， s t r a t ad i e l e c t r i co t h e r n e s sa n ds t a b i l i t yc h a n g ea sw e l la st h es c a l eo ft h e s u r v e y e do b j e c tisg e n e r a o nt h es m a l1s id e ，w h e r e f o r e ，i nt h ef ie ldo fm e t h o d t e c h n o l o g y ，i th a sd i f f e r e n tf r o mt h em i d d l e d e e ps e i s m i cp r o s p e c t i n gi nd a t a a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t a t i o n ，e v e nh a sh i g h e rr e q u i r e ，s u c ha ss u r v e y p r e c i s i o n ，s n ra n dr e s o l u t i o na n ds oo n s e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o ni so n ei m p o r t a n t p a r to fs u r v e y ，a n dt h ef a c t o r sw h i c hi m p a c tc o l l e c t i o nq u a l i t ym o s t l yh a v ea r e a c q u i s i t i o nm e t h o d sa n dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t vo fi n s t r u m e n t s t h i sp a p e ri su n d e rt h ed i r e c t i o no fs e i s m i cs u r v e ye l e m e n t a r yt h e o r i e s ，a n d h a sd e t a il e da n a l y s e sa n dd is c u s sa b o u tt h ed e v e l o p i n gd e v e l o p m e n t a lg d z 一2 4 at y p e 2 4 一b i ta dh i g hr e s o l u t i o ns h a l l o w s e i s m i ca c q u i s i t i o ns y s t e ma n dr e a l - t i m es h a l l o w s e i s m i cr e f l e c t i o np r o c e s s i n gs o f t w a r e ，a n dc l a r i f yc l e a r l yd e s i g np h i l o s o p h ya n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r e ，a ti n t e g r a t e dd e s i g nf r a m e ，a n df i n i s h e dt h ed e s i g no f f u n c t i o n a lm o d u l e s b eo nt h er e a lt i m eg e n d e r ，m o b i l i t y ，v a l i d i t ya n dh i g hf i d e l i t y 7 c o n d i t i o n ，r e a li z e dc l e a r i yf u n c t i o n a lm o d u l ea n dc o m p l e t et h em a c h i n es y s t e m ， s i m u l t a n e o u sd e v e l o p e da n df i n i s h e ds y s t e ms u p p o r ts o f t w a r ea n dr e a l - - t i m e p r o c e s s i n gs o f t w a r e ，a f t e rs y s t e mt e s t s ，1 e v e lo fn o i s e ，w a v ed i s t o r t i o na n do t h e r 摘要 在环境与工程勘查领域，不论是道路桥梁基础勘查以及隧道勘查和检测i 建筑物的地 基勘查、建筑材料或构件的质量检测等，还是滑坡灾害调查、水库大坝及江河堤坝隐患调 查以及区域地质稳定性评价等，浅层地震勘查与检测方法技术在其领域内是必不可少且最 重要的手段之一，但由于浅地层的特殊性，如地表环境复杂、地层介质的差异性和稳定性 变化较大以及所勘查对象的尺度一般较小，因此，就方法技术而言，对资料的采集、处理 和解释均与中深层地震勘探有所不同，甚至有更高的要求，如勘查的精度、信噪比和分辨 率等。作为勘查的重要环节之一的资料采集工作，影响采集质量的因素主要有采集的方法 技术及仪器设备的精度和可靠性。 论文在地震勘查基本理论指导下，对研制开发的g d z - 2 4 a 型2 4 位a d 高分辨率浅层 地震采集系统及配套的实时浅层地震反射波处理软件进行了详细的分析和论述，阐明了其 设计思想和实现过程，在整体设计框架下，完成了功能模块设计。在充分考虑了整体系统 的实时性、灵活性、有效性以及高保真性的条件下，实现了功能模块及整机系统的研发， 同时开发完成了系统支持软件和实时处理软件，经系统测试，其一致性、噪声水平、波形 畸变等性能指标均达到了设计精度要求，实际应用表明，整机的稳定性、灵活性、有效性 高，可满足浅层高精度地震勘查的需要。 关键词：工程地震、采集系统、电路、动态范围、高精度、分辨率、实时处理 a b s t r a c t a te n v i r o n m e n ta n de n g i n e e r i n gp e r a m b u l a t er e g i o n ，n o to n l yr o a db r i d g e f o u n d a t i o ns u r v e ya n dt u n n e ls u r v e ya n dd e t e c t i o n ，c o n s t r u c t i o n a lf o u n d a t i o n i n v e s t i g a t i o n ，c o n s t r u c t i o n a lm a t e r i a lo rm e m b e rm a s sd e t e c t i o n ，b u ta l s ol a n d s l i p c a l a m i t ys u r v e y ，r e s e r v o i rl a r g ed a ma n dr i v e rd i k es n a gs u r v e ya sw e l la st h ea r e a l g e o l o g ys t a b i l i t ya p p r a i s e ，s h a l l o ws e i s m i cs u r v e ya n dt e s tm e t h o dt e c h n o l o g ya r e a b s o l u t e l yn e c e s s a r il ya n de v e na r et h em o s ti m p o r t a n ti n s t r u m e n ta tt h i sr e g i o n ， t h e r e f o ro w i n gt oe p i s t r a t a lp a r t i c u l a r i t y ，s u c ha ss u r f a c ee n v i r o n m e n ti n t r i c a c y ， s t r a t ad i e l e c t r i co t h e r n e s sa n ds t a b i l i t yc h a n g ea sw e l la st h es c a l eo ft h e s u r v e y e do b j e c ti sg e n e r a lo nt h es m a l ls i d e ，w h e r e f o r e ，i nt h ef i e l do fm e t h o d t e c h n o l o g y ，i th a sd i f f e r e n tf r o mt h em i d d l e d e e ps e i s m i cp r o s p e c t i n gi nd a t a a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t a t i o n ，e v e nh a sh i g h e rr e q u i r e ， s u c ha ss u r v e y p r e c i s i o n ，s n ra n dr e s o l u t i o na n ds oo n s e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o ni so n ei m p o r t a n t p a r to fs u r v e y ，a n dt h ef a c t o r sw h i c hi m p a c tc o l l e c t i o nq u a l i t ym o s t l yh a v ea r e a c q u i s i t i o nm e t h o d sa n dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fi n s t r u m e n t s t h i sp a p e ri su n d e rt h ed i r e c t i o no fs e i s m i cs u r v e ye l e m e n t a r yt h e o r i e s ，a n d h a sd e t a il e da n a l y s e sa n dd is c u s sa b o u tt h ed e v e l o p i n gd e v e l o p m e n t a lg d z 一2 4 at y p e 2 4 - b i ta dh i g hr e s o l u t i o ns h a l l o w s e i s m i ca c q u i s i t i o ns y s t e ma n dr e a l t i m es h a l l o w s e i s m i cr e f l e c t i o np r o c e s s i n gs o f t w a r e ，a n dc l a r i f yc l e a r l yd e s i g np h i l o s o p h ya n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r e ，a ti n t e g r a t e dd e s i g nf r a m e ，a n df i n i s h e dt h ed e s i g no f f u n c t i o n a lm o d u l e s b eo nt h er e a lt i m eg e n d e r ，m o b i l i t y ，v a l i d i t ya n dh i g hf i d e l i t y 7 c o n d i t i o n ，r e a li z e dc l e a r l yf u n c t i o n a lm o d u l ea n dc o m p l e t et h em a c h i n es y s t e m ， s i m u l t a n e o u sd e v e l o p e da n df i n i s h e ds y s t e ms u p p o r ts o f t w a r ea n dr e a l 。t i m e p r o c e s s i n gs o f t w a r e ，a f t e rs y s t e mt e s t s ，1 e v e lo fn o i s e ，w a v ed i s t o r t i o na n do t h e r p e r f o r m a n c e se q u a lt od e s i g na c c u r a c yr e q u i r e ，p r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w st h a t ， c o m p l e t em a c h i n e s t a b i l i t y ，m o b i l i t y ，v a l i d i t yi sh i g h ，a n dc a ns a t i s f yt h ed e m a n d o fs h a l l o wl a y e rh i g hp r e c i s i o ns e i s m i cs u r v e y 。 k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gs e i s m i c ，a c q u i s i t i o ns y s t e m ，c i r c u i t ，d y n a m i cr a n g e ， h i g hp r e c i s i o n ，r e s o l u t i o n ，r e a l t i m ep r o c e s s i n g 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 田 7 k0 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 啪位搏 。咖么年，f 月j 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： 井与丫互先红 立一否年，月，日 导师签名： h l 2 口口歹年，月，f 日 工程硕士学位论文 第一章绪言 1 1 工程地震勘查发展现状与趋势 工程地震勘查是应用地球物理勘查中的一种重要方法，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浅地层结构、岩性和物性变化以及灾害地质现 象等的方法技术。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，反演计算发生折射、反射或透射 的地质界面或不均匀体的埋藏深度、产状及起伏形态等特征，同时判断波所通过的地层岩 土介质的性质。 近3 0 年以来，随着国民经济建设发展的需要，将能源地震勘探方法技术应用于环境与 工程勘查领域，如公路、铁路建设中的基础勘查，建筑场地的地基勘查，水库、坝址基础 勘查，灾害地质现象调查以及建筑结构体的检测等，就方法技术及仪器设备的发展而言日 趋成熟，主要表现为： ( 1 ) 、仪器设备 就性能指标而言，主要为高采样率( ps 级) ，真2 4 位a d 转换，低输入噪音( 0 5 l lv ) ，波形畸变小( 4 k h z ) 以及数字传输等；就功能而言，除 正常采集外，主要表现为激发方式多样、道数配置灵活、实时质量控制和实时处理功能配 套齐全，适应性广等特点。 ( 2 ) 、方法技术 由于浅层地震勘查的特殊性，即勘查目标深度浅( 一般小于5 0 0 r e ) ，纵横向变化大， 勘查目标多样且精度要求高等，致使勘查方法亦表现为多样性，如针对不同的勘查目标， 可选择反射波法、折射波法、透射波法或瑞雷面波法等，相应配套的多方法资料实时处理 系统亦成为浅层地震勘查之必需。目前常见的资料实时处理系统主要有浅层地震反射波处 理系统、折射波资料处理系统、面波资料处理系统、桩基检测和常时微动测量系统等，支 撑环境有d o s 和w i n d o w s 两种，整体而言，其系统功能的完备性、有效性和处理结果的精 度仍略显不足，有待于进一步开发和完善。 正是由于勘查目标和方法技术的多样性，要求资料采集系统具有较高的性能指标和一 机多用的灵活性。目前国内使用较多的浅层地震采集系统主要有：美国g e o m e t r i c s 公司生 产的r x 系列( 2 4 6 0 道) 、n x 系列( 2 4 - 6 0 0 道) ；西安石油仪器总厂生产的g d z 2 4 系统( 2 4 4 8 道) 、重庆仪器厂生产的d z q 4 8 系列( 1 2 - 4 8 道) ，吉林大学工程技术研究所生产的s e 2 4 0 4 系列( 2 4 道可扩展至4 8 道) ；北京水电物探研究所生产的s w s 一2 一3 系列( 2 4 道) 等。整 体而言，上述系统均采用集中式采集且不带遥爆系统，较适合于浅层环境与工程地质勘查。 但就性能指标、适应性和完备性而言，差异较大，主要表现为： 、a d 转换器的差异：以n x 和d z q 4 8 型仪器为代表的采用2 4 位定点一型a d 转换器的采集系统，提高了采集信号的保真度； 、采样率和频带宽度的差异：以d z q 4 8 和s e 2 4 0 4 型仪器为代表的具有高采样率( p s 级) 和宽频带接收( 0 。1 - 4 k h z ) 的采集系统，保证了记录信息的高分辨率特性； 、输入噪音和波形畸变差异：以n x 、d z q 4 8 型仪器为代表的具有低噪音( 0 ， o 。 为平面谐波的频率，v r 为面波的传播速度。将 该式代入波动方程可求得k 、f 的值分别为： k 2 。擘，2 。霉 ( 2 4 2 ) 式中 k ? 一4 2 2 ( 1 一等) ，? 一锄2 ( 1 - k 2 ) 玎。堡，k 。丘，r 。三 ( 2 4 3 ) y sys| 九为面波波长。由于自由表面上的位移不受限制，则位移连续条件无意义，而自由面上的 应力为零。则有应力连续的边界条件为， a 口+ 2 ( 坐) 。0 d z 岸+ 坐) 。0 ( 2 4 4 ) 1 3 ：吣 一 工程硕士学位论文 将( 2 4 1 ) 式代入( 2 4 4 ) 式，则可求得满足常数a 和b 的一组方程。经分析可知在自 由表面存在瑞雷面波并且0 k 。 假设弹性介质为绝对刚体( 一) ，则可求得：瑶- 0 9 1 2 7 5 v s ：。可见面波比横波 传播要慢。 下面考虑面波的质点位移规律，理论分析可知，面波在x 及z 方向上的两个分量为： h 塑一丝 a xa z a 矽a 砂 wio + o a z缸 将式( 2 4 1 ) 代入上式，经推导可得： ( 2 4 5 ) 寺一等咖争引v 亿4 6 ， 万 dl、 w 一彳。( 2 - - 量一z 一石k 1e 丑a r ) ec o s 等。一毒) j 匝 式中：c 。、f x i 2 一2 ，a 为任意常数。从方程( 2 4 6 ) 式可见，在x 轴和z 轴方向上的 三一k 振动u 和w 在相位上差号要，其振幅也不同。由此可得结论：将u i 矽两分量合成后瑞雷面 波使介质质点沿椭园轨道运行，因此它是面的椭园极化波，如图2 1 8 所示。 为使f = - j 题有数量的概念，我们取at ，则咋一3 k ，一0 9 2 v s 。由上述方程可算 出k ，一5 3 3 ，一2 4 8 , c - 0 7 3 。贝i j ( 1 5 6 ) 式变为 一。(e等z一百248a 0 5 8 e 2 ) s i n 等( f 一毒) 一o ( ek 一厶) 争( f 一三二) w。(。一荨。+百248ao 8 5 e 1 4 7 e 2 ) c o s 等( f 一毒) w 一 ( o h+ h ) 。二三( f 一若 ) ( 2 4 7 ) 由上式可见，介质质点振动的振幅随深度z 迅速地衰减，且衰减系数与波长九成反比，即 波长越大，波随离开自由界面的深度衰减越慢，即面波在介质中穿透越深。 现以二之为参数，按式( 2 4 7 ) 计算位移分量u ，结果见图2 1 9 。 k 从图中可见，位移垂直分量恒为正值，且在= o 1 附近有极大值，位移水平分量， k 在二为0 1 o 2 之间其数值改变符号。因此，在z = 0 处( l f 0 4 2 ，萨o 6 2 ) ，从( 2 4 7 ) a r 式看出，由于u 是正弦函数，w 是余弦函数，且，和矽同号，两者合成之后形成一长轴垂 直地面的质点逆时针方向转动的椭园轨迹，其长短轴之比w u 一1 5 ；随着深度z 增加， 分量变号，质点向反方向作顺时针方向的椭园运动，由于w 值总大于u 值，故它仍是一长 轴垂直地面的椭园，仅幅度变小了。 1 4 工程硕士学位论文 图2 1 8 瑞雷面波的传播图2 1 9 瑞雷面波质点位移图 对于三维空间中瑞雷面波的传播问题，经研究其结论同二维空间是一样的。但在三维 空间中，由于面波的能量差不多只集中在大约等于一个波长砧的范围内，因此它从震源o 出发传播时，其波前近似是一个高度为h 。a r 的园柱体，如图2 2 0 所示。如果震源作用时 间为a t ，则与面波有关的振动将发生在厚度为r 一缸的园柱层界限内，园柱外围为其波 前，内周为波尾。该园柱层的体积为wt2 , - t h ，其中，是面波波前的半径。由于震源 的能量是一定的，所以能量密度随波的传播半径r 增大而减小，其振幅将随厂六而衰减，这 比体波按厂的球面扩散的衰减要慢得多。这样，在远离震源处，面波有可能强于体波。 2 4 2 面波的波散 面波在传播过程中有别于体波的另一个特征是具有波散现象。所谓波散( 频散) 现象 是指面波在介质中的传播速度是频率的函数，即速度随频率而变。面波亦是一个脉冲波， 根据频谱分析可知，如果面波的传播速度是频率的函数，那么构成面波脉冲的每一个单频 波都有其自己传播的速度，物理上称它为相速度v ( 通常指波峰或波谷的传播速度) 。由于 相速度随频率而变，于是各分振动的相位随波的传播而改变，由这些分振动叠加之后的总 振动( 构成面波脉冲) 的波剖面在传播过程中就会发生变化，那么整个面波脉冲的传播速 度就可以这样理解，把面波脉冲包络线的极大值的传播速度作为整个面波传播速度，并称 之为面波脉冲的群速度u ，参见图2 2 1 。一般物理教程中都已证明，相速度v 和群速度u 之间有如下的关系 【，。v 一：td _ v ( 2 4 8 ) d ：t 式中a 是单频波波长。可以看出群速度可以大于或小于相速度以它决定于j y 是正值还 是负值。正的称为正常波散，反之称速度具有异常波散。由于波散现象，面波的波包变得 比较伸长，同时振幅逐渐平滑，各处的波剖面类似正弦线段，但波包的前面部分和后面部 分的波长是不相同的，正常波散，前面部分波长较长，异常波散则相反。 图2 2 0 面波波前示意图 面波的频散特点已被利用于工程勘察， 图2 2 1面波的相速度和群速度 1 一相速度2 一群速度 因为瑞雷面波向地下传播的范围约等于一个波 1 5 工程硕士学位论文 长k 的深度。所以在地面测量得到的瑞雷波速度被认为是二分之一波长深度内的介质的平 均弹性性质。故用可改变振动频率的震源激发瑞雷面波，即改变瑞雷波的波长九，每次激 发用不同的频率，频率由高到低，探测的深度则由浅变深。在地面两个固定接收点放置检 波器，测定瑞雷波在接收点间的传播时间和频率，即可计算平均传播速度露和深度h ，分 析所测量的结果，可进行速度分层，经换算后可得到各分层的横波速度参数。 2 5 地震勘探的分辨率 2 5 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辩地质体的最小宽度。 根据广义绕射理论，在地面o 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 2 2 所示。 现在从o 点发出一球面波，当波前到达界面上时，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，c ，a 为波 长，则第一菲涅尔带半径为： r 石丽；，胆+ 坚) ：一( 兰) ： ( 2 5 1 ) v 、24 。、2 。 t ，1 其中：t 为双城程时，t 为周期，且a 。，界面深度h - - ：v l ，化简上式得： ( 2 5 2 ) 对于浅层而言，地震波主频较高， ，则有： a 1 ： 3 c 厂一厂 ，兰仁。，竺 ( 2 5 3 ) ，- 一卜一_ f 一 0 o 2 、九 v2 分析( 2 5 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。 曩o i 图2 2 2 球面波遇到平面反射层的情况 1 6 工程硕士学位论文 2 5 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 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 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 i 4 , - - , 1 8 波长之间。 2 6 地震波的速度 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。下面分别介绍它们之 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 6 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： 矿乎= 鼯 f 层= 厩焉 ( 2 6 1 ) ( 2 6 2 ) 式中：入，i j 一拉梅系数；p 介质的密度；e _ 杨氏模量；o 一泊松比。 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o - 一- - 0 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 6 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 1 。 表2 1 各类岩石的波速 岩石成分 速度l ，p ( 朋s 1 ) 沉积岩 15 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 1 7 工程硕士学位论文 2 6 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 6 1 ) 和( 2 6 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 1 0 3 1 v o 笛 ( 2 6 3 ) 式中：u 一速度( k m s ) ；p 一密度( g c m 3 ) 。 图2 2 3 给出了按式( 2 6 3 ) 式计算的理论曲线和测定的速度与密度的关系。从图2 2 3 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 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 2常见岩土介质的波速和密度 岩土介质 速度l ，p ( m s 。1 ) 密度( g c m 3 ) 粘土 4 0 01 6 0 01 8 2 2 湿沙5 0 0 1 2 0 0 1 2 1 7 泥岩 1 6 0 0 3 2 0 0 2 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 2 4 0 0 1 3 i 8 灰岩 2 5 0 0 6 0 0 02 3 2 9 泥灰岩 2 2 0 0 4 0 0 0 2 1 2 7 图2 2 3 地震波速度与岩石密度的关系 1 8 工程硕士学位论文 2 6 4 地震波速与构造历史和地质年代的关系 许多实际观测资料表明，同样深度、成分相似的岩石，当地质年代不同时，波速也不 同，年老的岩石比年轻的岩石具有较高的速度。速度与构造运动的关系，在不同地区也有 不同的表现。在强烈褶皱地区，经常观测到速度增大；而在隆起的构造顶部，则发现速度 减低。一般来说，地震波在岩石中的传播速度随地质过程中的构造作用力的增强而增大。 根据在实验室对岩石样品的分析发现，地震波的速度与压力之间有一定的关系，速度随压 力的增加而增加。此外压力的方向不同，地震波沿不同方向传播的速度也就不同。 2 6 5 地震波速与埋藏深度的关系 大量实际资料表明，在岩石性质和地质年代相同的条件下，地震波的速度随岩石埋藏 深度的增加而增大。其原因主要是埋藏深的岩石所受的地层压力大的缘故。在不同地区， 特别是在基底埋藏深度不同时，速度随深度变化的垂直梯度可能相差很大。一般来说，在 浅处速度梯度较大；深度增加时，梯度减小。 此外，经大量实际资料统计分析，在沉积岩地区，岩层波速与岩层的埋藏深度和电阻 率有如下经验公式： 三 u 一2 x 1 0 3 ( z r ) 6 ( 2 6 4 ) 式中：u 一速度( m s 。1 ) ；z 一深度( m ) ；r _ 电阻率( q m ) 。该经验公式在没有地震测 井和声波测井资料而只有电测井资料的地区，可用来换算速度资料。 2 6 6 地震波速与孔隙度的关系 大部分岩土介质是由呈颗粒状的各种矿物组成的，这种颗粒状结构的岩土可以看作是 由许多不同性质的小球堆积而成，小球与小球之间具有空隙，一般粗颗粒结构的岩土其孔 隙度相对大些，如砂岩，而细粒结构的岩土的孔隙相对小些，如灰岩。因此，一切固体岩 土介质从结构上说，它们基本上由二部分组成，一部分是矿物颗粒本身，称岩石骨架( 或 基质) ，另一部分是由各种气体或液体充填的孔隙，这就是本章开始讨论的双相介质。显然 地震波在这种结构的岩土中传播时，实际上相当于波在骨架本身和孔隙两种介质中传播。 尽管孔隙中充填了各种气体和液体，根据一般常识，波在气体或液体中传播的速度要低于 岩石骨架固体中的传播速度。因而，波在双相介质中传播的速度与孔隙度成反比，即同样 岩性的岩土介质，当孔隙度大时，其速度值相对变小。1 9 5 6 年威利( w y l i e ) 等人提出了 一个较简便地计算速度与孔隙度之间关系的公式，称为时间平均方程 一1 。g 二盟i 里 (26d-5 ) 一l 一一 、6 t j ， y 匕k 式中9 为孔隙度；v 为岩石的速度；圪为岩石骨架中传播的速度，k 为孔隙中充填介质的 速度。根据该公式作出了某些岩石的理论关系曲线，参见图2 2 4 。 综合研究后认为，当孔隙度由3 提高到3 0 ，速度变化可达9 0 ，这说明孔隙度是 影响速度的重要因素。 显然孔隙度的变化意味着岩石密度变化，它同密度成反比关系，即孔隙度变大，密度 相对减小。可见速度的变化实际上随岩石密度的增大而增大。 孔隙度与密度一般呈线性关系，它们之间有如下的经验关系式 p p ，妒+ ( i 一妒) p 。 ( 2 6 6 ) 式中以和p 1 分别表示岩石骨架和充填物的密度。图2 2 5 表示孔隙度与密度之间的关系。 1 9 工程硕士学位论文 表2 3 给出了部分实际岩土介质的妒、p 和咋参考值，可明显看出三者之间的变化关系。 | 一吃劈釉- 囊霓t l一一为铂i 石x 譬 心 气l ，o h t 、 、 u 、 心 、一 2 j 、 ，“_ i 一童 e4011 图2 2 4 时间平均方程曲线 图2 2 5 孑l 隙度与密度关系曲线 表2 3岩土介质砂、p 、v ，参数表 ， 岩土性质总空隙度庐( )密度p ( g c m 3 ) v p ( k m s ) 粘土 5 3 01 8 2 2 0 6 - 2 0 泥岩3 2 5 2 2 2 61 - - 4 5 粉砂岩 3 2 0 2 3 2 81 5 - 一5 砂岩 3 2 52 3 2 8 1 5 5 灰岩2 1 52 3 2 9 2 - 6 火成岩 1 62 5 3 74 - - - 6 5 2 6 7 地震波速与频率和温度的关系 试验资料表明，对于较坚硬、致密的岩层，纵波与横波的速度变化与频率无关，这说 明纵波和横波基本不存在频散现象。速度随温度可能有很微小的变化，一般每升高i o o c ， 速度降低5 6 ，如图2 2 6 所示。由图可见，纵波速度比横波速度降低相对要快。 7 畸 二 e - 上 、 越 瑗 翅 温度 _ t 暑 链 馏 窝 摹 图2 2 6 波速与温度的关系 2 6 8 沉积岩地层速度的一般分布规律 ( 1 ) 、在沉积岩中速度的空间分布规律决定于地层的沉积顺序及岩性特点。沉积岩的 基本特点之一是成层分布，根据形成沉积的各种条件( 如岩性、孔隙率等) ，可以将整个地 质剖面划分为许多地层，在各层中波传播的速度是不同的，因此，速度在剖面上的成层分 布就成为沉积岩的基本特点，而这一特点恰恰是使用地震勘探的有利前提。 2 0 舯 姗 舯 棚 姗 舯 啪 工程硕士学位论文 ( 2 ) 、速度与深度和地质年代有关，这个关系基本上是平滑变化的。所有影响因素的 共同作用表现出速度变化具有方向性，一般速度随着深度的增加而增大，速度梯度变化是 随深度的增加而减小。速度垂直梯度的存在也是速度剖面的又一重要特点。 ( 3 ) 、由于工区地质构造与沉积岩相的变化，也会引起速度的水平方向变化。一般说 来，速度的水平梯度变化不会很大，但考虑