（地球探测与信息技术专业论文）多波反射地震勘探数据采集及波场分离技术研究与应用.pdf

摘要 工程地震勘探中，其勘探对象除了般层状地质构造外，更多情 况下会遇到非均匀复杂构造体，以往的几何地震学方法很难解决这类 问题，因此必须采用多波多分量地震勘探。多波多分量是地震勘探的 发展趋势。多波多分量地震勘探得到的有效信息十分丰富。本论文以 t s p 2 0 3 勘探系统为平台，结合多波多分量地震勘探应用工程，对多 波多分量数据采集进行了较详细的阐述，主要从观测系统设计、震源 选取、耦合及干扰等问题进行分析，并提出一些合理的方法。多波多 分量的数据处理大部分与常规地震勘探相同或类似，其最大的不同是 前者必须将多种波形成的波场进行分离，否则无法进j 亍其他有效分 析。为此本文用了较大的篇幅阐述波场分离方法，分析对比各种方法 的适应性和分离效果。并在此基础上提出一套适合三分量多波勘探的 波场分离方法，该方法不但利用了多波的运动学特征，最主要的是利 用了多波的动力学特征( 偏振特性) ，采用的正交变换用方差衡量其 误差最小。最后结合工程实例阐述了多波多分量地震勘探具有广阔的 应用前景。 关键词：多波多分量，数据采集，波场分离，应用，t s p 2 0 3 a b s t r a c t i nt h ee n g i n e e r i n gs e i s m i cp r o s p e c t i n g , i t so b j e c t sw i l li n c l u d en o to n l yg e n e r a l l a y e rf o r mb u ta l s oi n h o m o g e n e o u sc o m p l i c a t e dm e d i au n d e rm o r ec i r c u m s t a n c e s ，t h e u s u a lm e t h o d so fg e o m e t r ys e i s m o l o g yc a nh a r d l yr e s o l v et h i sp r o b l e m ，s op e o p l e m u s ta d o p tm u l t i w a v ea n dm u l t i c o m p o n e ms e i s m i cp r o s p e c t i n gt h em u l t i w a v e a n dm u l t i c o m p o n e n ti st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fs e i s m i cp r o s p e c t i n g m u l t i w a v e m u l t i c o m p o n e n ts e i s m i cp r o s p e c t i n gc a ng a i nq u i t ea b u n d a n ta n dv a l l di n f o r m a t i o n t h ep a p e rr e g a r d st s p 2 0 3e x p l o r a t i o ns y s t e ma st h ep l a t f o r m ，c o m b i n i n gw i t hs o m e p r a c t i c a le x a m p l e so fm u l t i - w a v e sa n dm u l t i c o m p o n e n ts e i s m i cp r o s p e c t i n g , d e t a i l e d l ye l a b o r a t e sm u l t i - w a v ea n dm u l t i c o m p o n e n td a t ac o l l e c t i o n ，c a r r i e so n a n a l y s i sa b o u tt h el a y o u td e s i g n ，s e i s m i cs o u r c es e l e c t i o n ，c o u p l i n g ，i n t e r f e r e n c ea n d s oo n ，a n dp u t sf o r w a r ds o m er e a s o n a b l em e t h o d s m o s to ft h ed a t ap r o c e s s i n go f m u l t i - w a v ea n dm u l t i - - c o m p o n e n ti st h es a m eo rm u g h l yt h es a m ea st h er o u t i n e s e i s m i cp r o s p e c t i n g t h ed i f f e r e n t i ai st h a tt h ef o r m e rm u s ts e p a r a t et h em u l t i w a v e f i e l d ，o t h e r w i s ei tc a n tc a r r yo no t h e rv a l i da n a l y s i s t h ep a p e ru s et h eb i g g e rs p a c et o e l a b o r a t et h ew a v ef i e l ds e p a r a t i o nm e t h o d s , a n a l y s ea n dc o n t r a s tt h ea d a p t a b i l i t ya n d t h es e p a r a t i o ne f f e c to fv a r i o u sm e t h o d s o nt h eb a s eo ft h ed i f f e r e n tw a v ef i e l d s e p a r a t i o nm e t h o d s ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r das e to fw a v ef i e l ds e p a r a t i o nm e t h o d ， w h i c hs u i t sf o rt h et r i s e c t i o nc o m p o n e n t sm u l t i w a v ep r o s p e c t i n g t h em e t h o dn o t o n l ym a k e su s eo ft h em u l t i w a v ek i n e t i c sc h a r a c t e r i s t i c , b u ta l s om a k e su s eo f m u l t i w a v e d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c ( p o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ) ，a n da d o p t s o r t h o g o n a lt r a n s f o r m a t i o nt h a th a st h el e a s te l l - o ri f w er e g a r dv a r i a n c ea st h es t a n d a r d f i n a l l y , t h ep a p e rw i l ls h o wt h a tt h em u l t i - w a v ea n dm u l t i - c o m p o n e n ts e i s m i c p r o s p e c t i n gh a saw i d e s ta p p l i c a t i o np e r s p e c t i v ec o m b i n i n gw i t hs o m ee n g i n e e r i n g e x a m p l e s k e y w o r d s ：m u l t i w a v ea n dm u l t i c o m p o n e n t ，d a t ac o l l e c t i o n , w a v ef i e l ds e p a r a t i o n , a p p l i c a t i o n ，t s p 2 0 3 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者签名 彰磋日期：坶年乒月谴日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文：学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：蚪柳签名 目期：诎延年月j 垒e t 笫一章绪沧 第一章绪论 1 1 国内外开展多波多分量地震勘探情况 多波多分量地震，是指用纵横波震源激发，利用三分量检波器记录地震纵 波、横波( 包括快、慢横波) 转换波，从而使野外记录的地震数据信息更为丰 富，为地质构造的成像、裂隙和孔道的确定的解释等提供特定的信息“”。 多波多分量地震勘探同通常采用的单一纵波勘探相比，所能提供的地震属性 ( 如时间、速度、振幅、频率、相位、偏振、波阻抗等) 信息将有成倍的增加， 并能衍生出各种组合参数( 如纵横波速比、各种弹性系数等) 。利用这些参数估 算地层岩性、孔隙度、裂隙等将比只用单纯波的可能性更大，可靠性更高。 通过三分量地震资料的观测，人们利用三分量地震记录上的运动学与动力学 特征以快横波的偏振方向指示裂缝带的优势方位：利用分裂时差来推算裂缝与裂 隙密度等物理与几何参数。 利用纵横波速度比，传播时问比，振幅比，泊松比等来研究岩石7 l 隙度的变 化，孔隙流体性质，裂隙发育区，岩性变化等等这些参数的预测对储层研究具有 直接的物理意义。利用横波双折射( 横波分裂) 研究介质的各向异性。转换波在 高速岩体之下的成像能力明显地高于p 波。从长远来看，多分量接收，多波勘探， 发展矢量解释，可能形成所谓的矢量勘探方法。 上述这些优势导致了多分量地震勘探技术近年来的快速发展。 多分量地震勘探技术发展历程主要经过以下三个过程： l 纯横波勘探 1 8 2 8 年泊松从弹性体运动方程中推证横波，1 8 9 7 年o l d h a m 在天然地震信号 中证实了横波的存在，直至1 9 1 1 年l o v e 提出另一类l o v e 波，横波勘探逐渐地走 进研究与实际应用中来。苏联较长时间是进行p s v 转换横波的研究，在这方面 贝尔宗作出了重大贡献。她著有“地震反射转换波”一书，并于7 0 年代将转换波 用于石油勘探，由于转换波的处理比较复杂，苏联在8 2 年提出了非对称观测系统 以解决共反射点叠加问题，在横波震源问题解决了之后，现在也同时研究水平极 化横波。1 9 8 5 年普兹列夫等人发表了“横波和转换波的地震勘探方法”一书，这 是一本全面阐述横波勘探的专著，它标志着苏联的横波勘探已达到比较成熟的阶 段。 美国和西欧国家对横波的研究较苏联晚些，比较有意义的工作是7 0 年代初 开始的。由于要用地震勘探直接寻找油气田，所以美国、法国和西德都纷纷开展 了对横波的研究。近年来，由于横波震源及处理解释方法有了新的突破，使得 中南大学硕士学位论文第一章绪论 横波地震勘探有了很大进展。1 9 7 7 一1 9 7 8 年，美国大陆石油公司在美国得克萨斯 综合利用纵波纵横波研究了碎屑岩的剥蚀情况，1 9 7 7 1 9 7 9 年以大陆石油公司及 赫德森湾石油及天然气公司为主扩大到1 3 家公司，在北美的七块地区进行了s h 波的地震勘探，同时阿科公司也有三个队伍在北美进行横波勘探。法国c g g 公 司从1 9 6 9 年开始在泰国、北美和法国等地进行了横波勘探。采用两分量接收，同 时记录p 波和p s v 波，求出泊松比，用彩色剖面显示，它们在转换波的处理方面 有一定特色。西德于1 9 7 1 年在西德北部进行横波试验研究。用炸药震源，进行了 三分量观测，在不同距离上获得了横波记录，1 9 7 6 年在北部再次进行了更为深入 细致的试验研究。此外西德的p a r k l a s e i s m 0 s 公司在研究生产横波震源和接收 装置方面有一定的优势。我国横波勘探工作起步较晚，主要工作始于六五期间。 四川石油管理局从1 9 8 0 年开始在川中遂宁地区开展了横波试验工作，采用三排 井对称激发的方式获取s h 波，继而研究了一套处理程序，并进行了纵横波资料 的联合解释。1 9 8 5 年石油部物探局用引进的横波可控震源在河南、内蒙等地进 行了s h 波资料采集的野外试验。 2 纵横波联合勘探 在纵波勘探难以发挥作用的地区，可使用横波来进行构造勘探，如在高速灰 岩裸露区，往往很难得到好的纵波记录，而横波却可以获得。这主要是由于高速 一。 高频干扰了纵波，而横波速度低，到时晚，常可避开干扰。美国德克萨斯西部的 三个盆地。就在纵波未果的情况下使用了横波方法，得到了较好的资料。概括起 来，同常规纵波勘探相比，纵、横波联合勘探具有以下特点：可以提取更多的物 性参数信息，减少地球物理反问题的多解性；对比分析，可以提取更可靠的构造 和岩性参数，确定储层特性，实现直接检测油气；在某些地区，纵波勘探无法得 到好的记录，横波可以弥补：研究介质的各向异性。纵横波联合勘探的主要缺点 是投资力度大，在深目的层情况下，横波采集困难。 3 多波多分量地震勘探 近年来，随着多分量检波器的研制成功及多波多分量地震方法研究的深入， 多分量转换波地震技术有了新的进展，在数据采集、处理、解释等诸方面都有很 大突破，并在实验和实际生产中取得了明显的效果。 多波多分量地震勘探有其独特的优点：采集费用增加不多，但得到三倍于常 规纵波勘探的地震数据，所包含的反射波信息量极大提高，这是因为三分量地震 勘探仍然采用常规纵波震源激发，震源的费用没有增加，记录的数据量增加了 两倍：同时记录了三种波( p - p 波、p s v 波和p - s h 波) ，可以得到纵波速度、 横波速度以及三种波的成像剖面，提高了构造解释的精度( 如气烟囱区的构造成 像，填补纵波弱反射区和陡倾界面成像等) ：由于利用纵波速度研究岩性存在 i i 南大学硕士学位论文 严重多解性，利用纵波与横波的速度比值，可以降低这利，多解性：可以联合利用 纵波和转换波的旅行时、振幅等特性，进行气藏识别研究：可利用上行转换横波 的分裂研究裂缝，进行裂缝参数提取等。 从国家七五科技攻关开始，我国就开始了多分量转换波地震勘探技术的研究 工作。在十几年的理论方法研究的同时，在实验室的物理模型、岩样、岩芯的多 分量数据观测和野外实际资料的处理、解释实践中，不断地修正、改进，逐渐完 善这一系统的研究。到八五结束时，已经实验了多个区块的单分量转换波提取研 究；一九九七年，同美国德二i = 古公司合作，在己知的煤层气富存区开展了煤炭系 统的第一块较为完备的三维九分量的地震勘探研究；1 9 9 8 年以来，中国矿业大 学连续在河北、淮南及河南的几个煤矿进行了三维二分量及三维三分量的地震 勘探研究，取得了丰富的理论方法研究成果和经验。地矿部所属单位则主要是利 用现有纵波勘探装置进行p s v 转换波的试验研究。9 0 年代，我国也将煤层气的 勘探开发研究列入国家能源开发的重点投资项目。先后有多个部门设立了与煤层 气相关的项目研究，其中最关键、最有效的技术是基于地震各向异性理论的多分 量转换波地震勘探技术。 1 2 本论文研究的内容 本论文以t s p 2 0 3 勘探系统为依托，主要围绕多波多分量地震勘探这个主题， 从多波多分量野外数据采集、多波多分量波场分离技术以及实际应用等方面较系 统的阐述了地震多波多分量地震勘探在工程上的应用。 对野外数据采集，本论文第三章结合t s p 2 0 3 勘探系统重点讨论了观测系统 的设计( 与常规单波勘探有较大的区别) 、震源选取以及耦合和干扰等问题。 多波多分量地震勘探，与常规单波地震勘探最大的不同是三分量检波器能同 时接收到纵波、转换s v 波以及s h 波，所以多波多分量地震勘探数据处理部分最 关键的环节之一就是将这三种波进行有效分离，从而可以利用这三种不同特性的 波进行分析处理。另外在很多情况下我们利用地震反射波，但实际上检波器接收 到的信号中还会含有直达波、面波甚至折射波等干扰波，必须将这些波分离出去， 也就是说将反射波提取出来。本论文第三章着重对这两方面问题进行阐述。对于 反射波提取，给出一个模型，通过某种变换算出其r 值和p 值，证明了r p 变换 提取反射波的有效性。本文的重点之一是纵横波的分离，对于各种分离方法，按 利用地震波不同特性详尽阐述其分离过程，并对其进行了分析评价，最后在此基 础上总结提出了一套适合三分量纵横波分离方法。 最后从实际应用的角度出发对成果解译进行较详细的阐述，通过实例分析证 实了多波多分量地震勘探具有广阔的应用前景。 中南大学硕士学位论文第二章多波多分量反射地震勘探理论基础 第二章多波多分量反射地震勘探理论基础 2 1 多波在界面处的反射 2 11 反射波的形成 在几何光学中，当光线射到空气和水的分界面时，会发生反射和折射，并 服从斯奈尔定律“2 。 地震勘探中当地震波在地下岩层中传播，遇到分界面也会发生反射，透射 和折射，形成反射波、透射波和折射波，这里所说的透射波就是几何光学中的折 射波，而地震勘探中的折射波，是一种在特殊条件下形成的波。在这里先介绍一 下反射波的形成。 反射定律揭示了入射波入射到界面射线的变化规律。它告诉我们入射角等于 反射角：入射线、反射线位于反射界面法线的两侧，入射线、反射线和法线同在 一个平面内，此平面叫做射线平面，它和弹性分界面垂直在地震勘探中，当我们 沿某一测线激发和接收地震波时，入射波和反射波都位于过测线并和反射界面相 垂直的射线平面内。 设入射波的振幅为4 ，反射波的振幅为以，反射波和入射波振幅之比，叫 做反射界面的反射系数，用字母j r 表示，写为： j r=塑(2-1) 4 根据反射理论，可证明当波垂直入射到反射界面上时，反射系数为： 尺：生：旦! 坠：旦堡：兰丑 ( 2 2 ) 爿。n + p y , z 2 + 互 式中p l 、k 、p ：、表示分界面上下两种介质的密度和波在介质中传播的速 度。z ，= 岛k 、z ：= p ：表示上下介质的波阻抗。 反射系数写成一般式为： r ：旦匕二丛垡：互二塾 p 。吒+ p _ z 。+ z ( 2 - 3 ) 反射系数的物理意义是说地震波垂直入射到反射界面上后，被反射回去能量 的多少，说明在界面上能量的分配问题。 1 ) 形成反射波的条件 当r = 0 ，即z 。= z 。时，不产生反射，这实际上是一种均匀介质，不存在 分界面，只有z 。z 。，即r 0 时，才产生反射，所以形成反射波的条件是地 下岩层中存在着波阻抗分界面，在实际的t s p 勘探中，勘探目的层基本属于同 沉积岩层，密度变化的趋势远小于速度变化。可假设它为常量，这时反射系数可 中南大学硕士学位论文第二章多波多分量反f i f 地震勘探卫g 论攀础 简化为： r ：匕二垡( 2 4 ) + 屹一。 反射的强弱主要决定于分界面上下介质的速度。 2 ) 反射波的强度 从式( 2 - i ) 可知a 。= 彳，r ；当4 一定时，乓大小主要决定于尺，z 。与z 。差 别越大，凡越大，反射波越强，反之就弱。 3 ) 反射波的极性 r 有正负值的问题，当z 。 z 。时，r 0 ，反射波与入射波的相位相同，都 为正极性：当z 。 a p a y ，主偏振平面为( z ，x ) 或( z ，y ) ，轨迹 巾i i i 大学硕士学位论文筇二章多波多分量反刺地震勘探理论基础 形态在垂直平面上为椭圆。而横波的主偏振平面为( x ，y ) ，质点轨迹在水平面 上为椭圆”1 。 折合走时( s ) 0l o123 4 5678 一肿m 从 a v 、，一 榔 m m v - m 八， 一 z 、l 、t 分别是垂直、径向、切向记录 p 一纵波，p s 一转换横渡，s 一横渡，l q 一面波 图2 - 7 三分量位移记录图 t i = 08 3 st z = o8 9 s ztz t 1 _ 1 8 3 s t 2 - 2 0 9 s t i = c ) n o 一能= o 7 一 图2 - - 8 质点偏振轨迹图 1 5 t t 中南大学硕士学位论文第二章多波多分量反射地震勘探理论基础 2 3 三分量检波器 多波地震勘探的发展跟三分量检波器的出现和发展密不可分。三分量检波器 质量的高低直接影响到数据采集的可靠性。从三分量检波器的结构来说，目前国 际上常用的三分量检波器有以下两种： 第一种是x 、y 、z 正交型，其中z 用于检测垂向分量，可用垂直检波器，x 、y 分别用于检测水平分量，可用水平检波器。由于该类型检波器使用了两种类型的 检波器一垂直和水平检波器，而垂直检波器和水平检波器性能很难制造的完全一 致。第二种是5 4 7 4 。对称正交型检波器。其三个轴u 、v 、w 之间互相正交并且与 垂向轴z 夹角都是5 47 4 。，呈对称轴分布。由于这种检波器采用同一类型的芯体， 可以保证三个方向性能一致“” 3 7 1 。 y 图2 95 4 “三分量检波器接收分量示意斟 为了将矢量波场分离成常规意义下的纵波( z ) 分量和转换横波径向( x ) 分量与横向( y ) 分量，必须将斜三分量数据体变换成采集坐标系下的正三分量 数据体，称之为坐标旋转变换或斜三量的分离。坐标旋转变换公式为 x ：粤p 一矿) y ：鱼何+ n 一鱼矽 6 、 7 3 z = 掣p + v + 叻 中南大学硕士学位论文筇二章多波多分量反射地震勘探理论基础 ， 八 x 图2 - 1 0 斜三分量与采集坐标系的关系示意图 图2 1 0 是斜三分量与采集坐标系的关系示意图。可以看出经过旋转变换，反射 纵波就基本集中在z 分量上了，反射横波集中到x 和y 分量上。 1 7 中南大学硕士学位论文第三章多波反射地震勘探野外数据采集 第三章多波反射地震勘探野外数据采集 3 1 观测系统设计 对于爆炸震源的多波( 转换波) 勘探，其观测系统的设计不同于p 波勘探的 观测系统设计。 多分量转换波地震勘探的观测系统要综合考虑两个主要的指标，一是要利于 反射p 波的接收：另一个是在p 波有效接收的基础上，要激发接收能量足够强的、 具有与p 波能量可比的转换横波，而转换横波的产生只在入射p 波角度达到一定 大时，才有足够强的转换横波产生，这就是横波时窗如图3 一l 所示为入射p 波角 度从o 开始逐渐增大到9 0 。时，反射p 波与转换横波反射振幅的绝对值变化情况 从图上可以看到，横波时窗以2 5 。为中心：当兼顾考虑p 波反射能量时，我们可以 得出结论：在1 0 。5 0 。范围内，p 波与转换s 波具有能量可比性，是最佳的观测 时窗以往的野外观测设计中，有人认为：入射角越大，越有利于转换s 波的产生 和接收，而设计了相当大的炮检距，这反而不利于p 波与转换s 波的接收和对比解 释“。 图3 - 1 反射p 波与转换s 波振幅绝对值随入射角度变化由线 圈3 1 中a 表示振幅：风为p 波的反射系数：咒；为p s 波的反射系数。尽管转 换波在小炮检距能量弱，但考虑到纵波较强，如果缺乏小炮检距数据会导致纵波 速度分辨率和精度降低，从而会影响转抉波的处理。在能避免近炮点干扰和满足 横波时窗的情况下，尽量减小最小炮检距。 对于道间距的选择，应满足空问采样定律缸丸。2 ，其中：ax 表示道问 距：五表示信号最小波长。 具体针对t s p 2 0 3 系统来说，采用如下图所示的观测系统，一般最小炮检距 1 5 2 0 米，炮( 道) 间距l 2 米。当然可根据探测深度要求适当改变，国外有 一l ，南大学硕士学位论文 筇三章 多波反射地震勘探野外数据采集 用大炮问距探测隧道前方一千多米的成功实例。对于在灰岩地区对岩溶这种点式 异常体进行探测时，可以采取更小的炮点距如l 米，同时增加炮点数如3 0 个， 这样可增加反射波通过岩溶的几率。 介 介 最大炮检距 a 厂1 而面f 一7 、 透射渡 图3 - 2 观测系统 炮点数一般为2 4 个，炮点数可适当增减，但最小不要小于1 8 个。 炮点位置的选取( 放在左边墙还是右边墙) 需根据岩层产状与隧道轴的关系 来确定。从理论上来说，应该选取岩层倾角与隧道轴成锐角的一边。这样两个检 波器才有可能接收到足够的从界面传过来的反射波。如图3 - 3 所示。 接收点 接收点 图3 - 3 地点位置布置 炮检点不在一条直线上，如果采用非纵观测，会造成反射波同相轴追踪困 难，由此出现的时差配套软件无法进行校正，势必影响预报的准确性。在隧道旋 工时有时采取的开挖方式有所不同，有的采取全断面开挖，有的采取台阶式开挖 一 中南大学硕士学位论文第三章多波反射地震勘探野外数据采集 方式。对于全断面开挖，可以很简单的实现炮检点成一水平直线的要求。但对于 台阶式开挖方式，大多数都会遇到上面台阶长度不够( 远小于5 0 米) 的情况， 如果都按离地面l 米的高度布置，这时接收点甚至一部分炮点必须布置在下面台 阶位置， 图3 - 4 非纵观测图3 - 5 纵向观测 就会出现非纵观测( 如图3 - 4 ) 。这是肯定不可以的。如果按图3 5 所示布置， 则会出现以哪个地面为基准面的问题，如果前面的炮点以上台阶为基准地面，后 面的炮点和接收点以下台阶为基准地面。则会出现“高度”不一致的错误。事实 上此时我们可以根据地震波的激发和接收的位置可以发现，反射波的波传播路径 都在隧道洞径范围外的掌子面前方和隧道侧面发生而与洞径内是否开挖无关，也 就是说只有掌子面前方和侧面的反射波信号被检波器接收到。因此，我们可以以 上台阶为基准地面按图3 - 5 进行纵向观测。 3 2 震源选取 进行地震勘探，震源的选取至关重要。地震震源可归结为冲击和振动震源两 种。 冲击震源( 如炸药) 是以一个单个、高能量脉冲将能量传入地下。这种高能 量脉冲传输，从野外数据采集的效率来讲是合适的，但是它所形成的波形的振幅 和相位，从一个位置到另一个位置是变化的。与此形成对照的是，振动震源则是 在一个相当长的时间间隔内，传输一个低功率信号。应用振动震源中，这种近地 表引起的非线性畸变是经常的。 t s p 2 0 3 系统目前采用的是冲击震源，使用一定量的炸药。埋藏的炸药源比 其他震源具有如下优点：它的能量高，并且有很宽的频带宽度，因此它能产生很 好的、清晰的反射。由源产生的水平传播的相干噪声，例如面波，由于源是被掩 埋着的，因而减弱( 而面波对于t s p 2 0 3 来说是干扰波) 。另外，由于从源到接 收器只有条射线段必须通过高吸收带，因此反射信号受地表的吸收减少。它的 缺点是：因为埋藏炸药的介质变化，使得从一个爆炸点到另一个爆炸点的输出能 量和源信号发生变化。 爆炸所产生的能量与炸药的物理化学性质有关，也与炸药量大小有关。适合 中南大学硕士学位沦文 锕三章 多波反射地惩勘探野外数据采集 于地震勘探的炸药有两种：硝铵炸药和三硝基甲苯( t n t ) 。炸药必须具备防水 性能。 炸药量的大小，要根据激发岩性、探测深度、最大偏移距和仪器的灵敏度等， 根据试验确定。实践证明，当炸药量比较小时，增加炸药量，能提高反射波的振 幅。但当炸药量增加到某一个值q 以后，再增加炸药量，反射波的振幅增加的 很少，相反，会增加干扰波的能量，甚至出现非线性失真。激发地震子波的振幅 a 与药量q 的关系： a = c q ” ( 3 一1 ) 式中m 是个可变系数，当炸药量较小时，m 达到1 1 5 ：当炸药量较大时， m 可减小至o5 o 2 。这是由于炸药量较小时，对岩石的破坏作用很小，爆炸的 大部分能量转为弹性波：而当炸药量增大时，大部分能量损耗于破坏周围的岩石， 分配给弹性波的能量比例减小。当然振动振幅与炸药量的关系随不同地震地质条 件而异。围岩性质好的围岩，用小药量可以激发较大振幅的地震波：而对于围岩 性质较差的围岩，由于地震波在其中衰减较大，所以用大药量可能只接收到较小 的振动振幅。 当药量过大时，振幅会出现非线性失真。图3 - 6 是在宜昌沪溶西高速公路某 隧道采用较大药量时出现非线性失真的情况。 图3 6 炸药量过大出现非线性失真 地震子波的频率f 与药量q 的关系 f = o n _ o ( 3 2 ) 从( 3 - 2 ) 式中可看出，药量小，地震子波频率高。然而反射波能量不足。 大幅度增加炸药量，会使反射波的主频降低，降低了探测的分辨率。还会破坏隧 道结构，围岩扰动大。因此，不能认为炸药量越大越好。必须根据围岩性质选取 合适的炸药量。 中南大学硕士学位论文第三章多波反射地震勘探野外数据采集 f 0 图3 7 频率f 与药量q 的关系 根据岩性和炮点位置的不同略有变化，一般来说，围岩性质好，药量可适当 减少。反之则适当增加药量。离接收点越远药量要略有增加。 此外，电雷管的选取亦至关重要。一般要求满足以下条件：要求电雷管的延 时非常短，最好是无延时的瞬发电雷管，如果现场客观条件所限，必须采用延时 尽量短且为同一段同一批次的电雷管。这主要是因为触发器一开启，主机便开始 记录，如果电雷管有延时( 或各炮点记录延时不一致) ，而t s p 2 0 3 系统无时差 校正，则实际上人为延长了地震波波的传播时间，影响其计算地震波速度。如果 电雷管虽然有延时，但如果延时一致的话，因为t s p 2 0 3 系统计算纵波速度并不 以某一炮点记录为准，而是通过最小二乘算法将所有炮点记录的初至连成一条直 线，计算其斜率则得到地震波传播速度，所以是可行的。图3 8 是采用电雷管延 时较长且延时不一致的地震记录，从图上可看出，各地震记录的初至参差不齐， 有些炮检距大的地震记录的初至比炮检距小的地震记录的初至还小，而最小的初 至时间为7 6 m s ，其炮检距只有2 0 m ，据此推算出来的波速只有2 6 3 m s ，与实际岩 层速度相差非常大，显然这些数据明显是不合格的。图3 - 9 为采用无延时电雷管 的地震记录，从图上可看出，各炮点记录的纵波初至基本在一条直线上，且炮检 距大的初至时问长，与实际情况一致。尤其是横波的初至也可从图上非常明显的 辨别出来。拾取初至时无需人工手动调整，计算机直接拾取的即为准确的初至。 c i ，南火学_ r o j i 士学位论文 第三章多波反射地震勘探野外数扼采集 图3 8 采用电雷管延时较长且延时不一致的地震记录 3 3 耦合问题 图3 9 采用无延时电雷管的地震记录 t s p 2 0 3 系统的耦合问题包括炮点和接收器两个方面的耦合。 群 警 蠡 中南大学硕士学位论文 第三章多波反射地震勘探野外数据采集 炮点的耦合主要包括几何耦合和阻抗耦合。 几何耦合要求炮孔的直径应与炸药的直径基本一致，当直径相等时几何耦合 为i o o 。另外几何耦合中闷孔十分重要，闷孔质量高低关系到有效波的强度大 小，如果闷孔质量不高，则有效波的强度要减小很多，而声波干扰会增大( 见图 3 一l o ) 。闷孔可采用注水的方法，这要求炮孔要向下倾斜一定角度。但当遇到松 散岩体或衬砌质量不高时等情况时采用注水方法就不可行，这时可采用充填锚固 剂的方法。 阻抗耦合定义为炸药的特性阻抗与介质的特性阻抗之比，亦即 r=plup2v2(3-3) 式中，r 为阻抗耦合，p 1 、p2 分别为炸药和岩石的密度，u l 、u 2 分别 为炸药的起爆速度和岩石的纵波速度。 如果炸药的特性阻抗和介质的特性阻抗接近时，可激发较强的地震波能量。 接收器的耦合主要是围岩和套管的几何耦合，这方面的耦合非常关键，关系 到接收质量高低的问题。一般情况下要求用环氧树脂进行耦合。 3 4 干扰 圈3 - 1 0 接收器套管与孔壁耦合不好的记录 为了研究不同的地质问题，每种地震勘探方法只利用定类型和形式的波， 在仪器接收到的所有振动中，只有可用来解决所提出的地质任务的波被称为有效 波或有效信号。因而所有妨碍有效波或信号的识别和追踪的其他波都属于干扰范 畴。t s p 勘探系统利用的是地震反射波法，其有效波是反射纵波和反射横波。因 此除了工业电干扰等外界引起的干扰外，还有一些规则的波对t s p 来说都属于干 扰波。 规则的干扰波： 中雨大学颂= f ：学位论文第三章多波反劓地震勘探野外数据采集 面波。主要由爆炸直接产生，或者当一次或二次空间波到达地面时间接形 成。它是浅层地震反射勘探中的一种主要干扰波。面波沿地表传播，其振幅随着 传播距离的r 的平方根衰减，因此要比体波按r 的倒数的球面扩散衰减要慢得多。 在远离震源处，面波振幅还有可能强于体波。与有效反射波相比，面波的频率一 般较低，速度也较低，其时距曲线为直线。面波的能量强弱与激发岩性、激发深 度以及表层地震地质情况有关。在有淤泥和原砂土地区，由于地层对有效波的能 量吸收较强烈，有效波能量减弱，面波能量相对会增强；在疏松的低速岩层中激 发或所用炸药量过大，会造成激发频率降低，使面波能量相对加强。为了减弱面 波能量，我们必须做好三方面的工作：1 、选取较好的激发介质；2 、采取较小的 激发能量；3 、将炸药埋至一定的深度。 声波。它的实质是在空气中传播的弹性波。特点是速度稳定，在地震记录 上形成尖锐的强的初至波，频率高，延续时间长。如图3 - l l 所示，卜9 炮点地 震记录和第l l 炮点地震记录都不同程度的受声波的干扰。在隧道超前地质预报 中，这类波主要是由于炮孔密封不好和震源埋藏深度非常浅时引起的，所以必须 严格闷孔质量。 z 息刖 霞 匿 詈 f 曩 e j 。 ! 1i 图3 - 1 1 声波干扰 直达波。直达波是由爆炸点出发，沿着直线路径到达检波器的纵波和横波所 构成的，它出现在地震记录的初至部分，振幅很大。此类波无法在野外采集实现 压制，可通过后期数据处理剔除。 多次反射波。多次反射波反映了反射波法测量中广泛出现、并且是特别复杂 的种现象。地面和分化层的下界面，多半是来自下面的能量的一个良好反射界 面，因而波到这里后又发生向下的再反射。在深部两个界面之间也可以发生这样 的反射波，一般我们直接观测到的这种多次波能量往往是比较弱的，但是如果许 中南大学硕士学位论文第三章多波反射地震勘探野外数据采集 多的层间多次波通过重叠却可构成地震记录的基本部分。这种干扰波，在数据采 集阶段是无法避免的，但是我们可以在数据处理部分将其滤掉。 外界因素引起的无规则干扰： 在隧道施工过程中十分容易产生机械振动，如风钻机打钻、放炮、风机通风 以及汽车开动等，不同类型的机器振动等产生的频谱以及视速度不同，波形特征 各异，它们一个共同的特点是当干扰源离观测系统较近时能量较强，当干扰源离 观测系统远时能量较弱。 另外还有工业电5 0 h z 干扰，工业电干扰的特点是地震在整个共炮点记录上 或其中某些道的记录上出现5 0 h z 的正弦波。干扰波振幅大小受输电线路输送的 电压、输电线额粗细、输电线与检波器问的距离等制约，有时其强度可超过地震 反射波许多倍。以上这些无规则干扰在数据采集过程的几十分钟中，必须尽量严 格避免。 第四章多波多分量分离技术 第四章多波多分量分离技术 多波地震勘探数据处理与常规地震勘探最显著的差别就是必须将接收到的 多波数据进行分离处理。分离处理除纵、横波转换波的波场分离外。实际还应 该包括之前的有效波提取，亦即将其他干扰波分离出去。 4 1 反射波提取 t s p 2 0 3 系统利用的是反射波原理，因而只有反射波才是有效信号。但在多 波勘探中，接收器接收到的信号不仅有随机的噪声干扰信号，还有直达波、面波 等干扰波。如何提取反射波，或者说如何将直达波、面波等其他干扰波分离出去 是数据处理的重要环节之一。其提取效果直接影响到探测的质量。 4 1 1 直接切除直达波 在t s p 所接收的反射波中，越迟到达接收器的信号说明从隧道到引爆点的 距离越远。而直达波的斜率与反射波相反，引爆点与接收器距离越小则所接收的 信号越早。据此可以将直达波分离出去。 h j ? i i 。? ， 。一s 一一一 ， ，。 、。， r _ _ 一 一一一一一 ( a ) 倾斜界面反射情况( b ) 纵波波速3 0 0 0 m ，s 时距曲线( c ) 纵波波速7 0 0 0 m s 时距曲线 图4 1 反射波与直达波时距曲线 图4 - 1 为反射面倾角较大( 5 0 。) 时的反射示意图，无论在波速较快的岩层 中还是在波速较慢的岩层中，直达波的斜率和反射波的斜率截然相反( 见图4 1 b 和c ) ，可以直接在t x 域内利用上述特征进行较好的分离。 面面面 删删酬雌 ， o o “ ” ” ， 恃播时问 中南大学硕士学位论文第四章多波多分量分离技术 4 12 t p 变换提取反射波 为此进行t p 变换( 即r a n d o n 变换) ，在t p 域内进行提取“”“1 。 卜2 吉2 警 m ， l r = t p x 反之称为反变换，其变换式由( 4 - 1 ) 式可得： r t = ：r 一+ _ x ，p ，印， 以上两式中的参数x 与t 分别表示时域中炮检距与地震波走时：p 表示 时域中地震波时距曲线上每点切线的瞬时斜率，亦可称为射线参数或慢度：y 为 视速度：t 表示上述每条切线在t 轴上的截距。 。 t x 臣 4 - 2 反射波时距曲线，射线拳数p 和截距7 对水平层状介质而言，其反射波时距曲线方程为： 卜“吾= 竽 由( 4 3 ) 式和( 4 1 ) 式，可得p 的表达式： d tx p 。磊2 忑鬲萨 ( 4 - 3 ) ( 4 - 4 ) 中商大学硕士学位论文第四章多波多分量分离技术 因而有 ，：；! 丝( 4 - 5 ) 一i = = = = 一 ， 4 1 一p 二1 ，2 再由( 4 1 ) 式可得： 一p x = 半一p 南1 e ， v ，一n 2 ，= 将( 4 - 5 ) 式代入上式 r 2 = ( 2 h v ) 2 ( 1 一p2 v 2 ) = 墩l p 2 v 2 ) ( 4 7 ) 将( 4 - 7 ) 式改写成( 4 - 8 ) 式，得到在f p 域中反射波曲线： 吾+ 南叫 ( 4 _ 8 ) 由上式可见，双曲线的反射波在- 一p 域内变为椭圆，其二半轴分别为双程垂 直旅行时和波的慢度。 对在t x 域中时距曲线为直线型的直达波而言，由于其p 值为定值，在t p 域 内变为一个“点”，在一一p 域中的p 轴和椭圆之上。反射波双曲线的渐近线为直达 波时距曲线，且其截距为0 。反射波最大斜率点即直达波在t p 域的位置。面波速 度vr ，j 、于直达波v ，因而位于椭圆之外的p 轴上，折射波始点与反射波相切，而位 于椭圆上，斜率为l v 。多次波在t _ - p 域中也有较大变化，与一次反射波有明显 的区别。 为此在r p 域中对其进行如下处理即可： 面波与直达波。直达波在t p 域中变为个“点”，且均在p 轴上，因此只须 切除即可。尤其对面波，通过由t x 域向t p 域转换时，选择最大p 值，使其小于 1 ，则可较好地压制面波。 折射波。折射波在t p 域中变为一个“点”，因此该点能量较强，可采用屏幕 中南大学硕士学位论文第四章多波多分量分离技术 z r o t 0 2 $ o i 中南大学f ! ： ：学位论文第四章多波多分量分离技术 其中( 4 一l o ) 式为正变换式。先固定斜率p ，然后改变截距，对时域n 道中 信号进行扫描，倾斜叠加之后则得t p 域中第p 道记录。重复以上步骤，便实 现了从时域到t p 域记录的变换：( 4 1 1 ) 式为反变换式。很明显，它也是应用 倾斜叠加，因此只需采用一个控制参数，就可以使用同一个程序对记录进行正或 反的变换。步骤流程见图4 - 4 。 图4 - 4 多波信号分离- b 提取步骤流程图 攀 在实际应用中，p 值主要通过地震记录上同相轴的视速度矿来确定。 下面用试验模型简单说明求取t 、p 过程。该模型两个反射界面的深度分别童 为1 8 7 7 m $ 1 j 3 0 5 4 m ，直达波和各反射界面在不同偏移距接收的传播时问可从采集豁 的地震记录上得知。 根据p = d t d x = _ 1 ，而v = 苦，其中v 为视速度值，缸为水平方向的传播 y 出 距离。因此对于只：_ a t = 三血，而f i = ，一只一，计算出的f 值和p 值见表 h x 一x e - 1 4 - 1 。从表中可发现直达波在f p 域变成一个在p 轴上的某一定点，而反射波在 r p 域为随偏移距增大而p 值随着增大的椭圆曲线。 图4 5 为直达波和反射波的旅行时曲线图，其中最上面一条为直达波的，后 面两条为反射面1 和反射面2 的旅行时曲线。 图4 6 为经过变换后各波在t p 域内的情形，横坐标为射线参数p ( 亦即慢 度) ，纵坐标为截距时间f 。从该图上可清楚的看出，经过- 一p 变换，直达波变 成了p 轴上的一个点，只需直接切除。第一个界面的反射如红线所示，第二个界 面的反射波如蓝线所示。 中南大学硕士学位论文第四