地震勘探原理.ppt

1 地震勘探原理 2 目录固体弹性力学的基本理论弹性波在多层介质中的传播地震勘探工作方法与技术 3 本章包括 应力分析应变分析应力与应变关系 弹性参数弹性弹性波的波动方程 Navier方程 纵波传播方程 横波传播方程 2固体弹性力学的基本理论 4 地震波可视为弹性波 弹性波在弹性介质中传播时 波经过的介质产生两种类型的变化 内部应力的重新分布 几何形态的改变 这些变化的大小及类型既与波自身的特性有关 又与地下地质体的弹性特性有关 因此 引入与介质弹性特性有关的固体弹性力学的基本理论是必要的 2固体弹性力学的基本理论 5 固体弹性力学理论研究的是外力和它引起的物体形变和体变之间的关系 如 液体在外力的作用下 只会引起大小变化 体变 不会产生形变 应力和应变则是描述外力和形变关系的最佳量 2固体弹性力学的基本理论 6 2 1应力分析 外力 体力和面力面力 通过物体接触面传递的力 也称作表面力 如水的压力体力 作用于物体内部所有质点的力 如重力 吸引力内力 应力应力 是在面力或体力作用下 物体内部假想面上单位面积上的一对大小相等 方向相反的力 是作用在该面上的力的大小的度量 2固体弹性力学的基本理论 7 2 1应力分析 2 1 1应力的概念弹性体受外力 震源 作用后会发生弹性形变 一方面这些外力在物体内部传递 另一方面在物体内部也会产生一种反抗形变的内力 以和外力想抗衡 最后达到平衡 这种抗衡的内力成为内应力 简称应力 应力定义为单位面积上所受的内力 应力并不是一个力 因为它的量纲不是力而是单位面积上的力 8 应力的方向与作用力的方向一致应力的大小 P 作用力 A 面积 或dP dA 当应力分布不均匀时 对应力概念其它方式的理解力的强度类似的表达 压强 密度 2 1应力分析 9 2 1应力分析 10 2 1 2应力的分解 当截面与应力方向不垂直时 作用在该斜截面上的合应力可分解为垂直于作用面的正应力和平行于作用面的剪应力特别注意 应力与作用面密切相关 A n A0 2 1应力分析 11 正应力 正应力亦称作直应力 以 或 n表示 正应力可以是压应力 也可以是张应力 正应力符号规定 压应力为正张应力为负与材料力学中的规定相反 12 剪应力 剪应力亦称作切应力 以 或 s表示 可分解为x和y方向的两个互相垂直的切应力分量 xn和 yn 剪应力符号规定 使物体沿逆时针方向旋转的剪应力为正使物体沿顺时针方向旋转的剪应力为负与材料力学中的规定相反 13 2 1 2应力的分解 2 1应力分析 14 过任一点O将存在无穷多个平面 每一个面都存在三个应力分量 无穷多个面则会有无穷多个应力分量 可以证明只有9个应力分量是独立的 其他的分量都可以通过这9个分量转换获得 15 主应力 弹性力学证明 平衡力系中 可以找到三个互相垂直的面 其上只有正应力 而没有剪应力 这种面称作主平面 或主应力面 其上的正应力称作主应力 最大主应力是空间一点上量值最大的正应力 一点的应力状态可以用三个主应力的大小和方向表示 依次为 xx yy zz 主应力的方向称作主应力轴方向或主方向 16 应力状态 三轴应力状态 三个主应力都不等于0当 xx yy zz时 为均压 称作静水压力或流体静压力 这种状态只引起物体体积变化 不改变其形状剪切应力 作用在 a b c 平面内的应力分量 有6个剪切力分量 xy yx zx xz yz zy 剪切应力还形成了力偶 力偶得大小为 力x力臂当物体处于无转动的静平衡状态时则有 ij ji上式为剪切应力成对定理 17 2 2应变分析 变形 物体内部质点在力的作用下的位移 使初始形状 方位 位置发生改变平移崎变 狭义变形 旋转体变应变 是变形程度 大小 的度量 2 2 1形变与应变 18 应变的概念 应变 当弹性体受到应力作用后 将发生体积和形状的变化 即应变 体积形变 指物体只发生体积变化而无形状变化的应变 它是受正应力作用的结果 形状形变 物体只发生形状的变化 它是剪切应力作用的结果 理论力学是研究物体的整体运动 弹性力学不仅要考虑物体的整体运动 而且要研究物体内部各质点的相对运动 相对运动是产生应变的必要条件 19 2 2 2应变度量线应变 e 20 2 2 2应变度量剪应变 tg 变形后偏离直角的量右行 顺时针 剪切为正 21 2 2 3均匀变形和非均匀变形根据物体内部应变状态是否变化划分为均匀变形和非均匀变形1 均匀变形 变形物体内各点应变特征相同 表现为 变形前直线仍为直线变形前平行线仍平行单位圆 椭圆可以用一点的变形代表整体变形特征 22 2 非均匀变形 各点应变特征不相同 表现为 变形前的直线变为非直线平行线变为非平行线圆变为非椭圆 C为不连续变形 非渐变的应变状态 23 2 非均匀变形 用物体内部变形单元体 应变椭圆 表示非均匀变形 褶皱 24 2 2 4应变分析一个点在所有方向上的无穷小伸长度就构成了该点的应变状态 研究应变时 必须假设形变是很小的 即满足以下假设条件 第一 假设位移为 则位移梯度值应满足第二 假设位移分量与物体在相同方向上的长度相比是很小的 25 设N为M邻近点 其向径为 受力后N点位移到 它的位移向量记为 N点对M点的相对位移是当两点十分靠近时 可用微分近似地代表该相对位移 1 M点附近的形变 M为物体内任意一点 在初始状态时其向径为 受力后位移到 称为M点的位移向量 记为 26 其分量形式是 如果记为则上式可写为式中矩阵 A 为位移梯度N点位移到N 由上图可知 1 1 27 2 M点的应变分析因为MN dr 则其长度为形变后 它相当于点经过位移到点 则它的长度为的相对伸长e可表达为 28 其中 式中是的方向余弦 记为 并令 29 1 5 30 通过计算化简 则得到M点在任意方向上的伸长度为为应变张量 它是由9个分量组成 也是一个对称张量 可由 1 5 式求出 31 3 应变分量的物理含义 1 正应变 取设取时 则 表示y和z方向无伸长度 只存在x轴方向上得伸长度 由式可求得同理可求得沿y和z轴上单位长度得伸长值 1 7 32 2 切应变 变形体不仅在三个坐标方向上有相对伸长 或压缩 而且还会产生旋转 即夹角也会发生变化 见下图 假设两个正交线元素MN和MP 受力后 相对位移分别是du1和du2 假设 dx MN dr1 dy MP dr2 MN MP的相对位移du1和du2对可由 1 1 式求出 33 注意 MN位移后不仅有x轴方向上的相对伸长 而且产生了旋转 即夹角变化 使y和z轴上也产生了形变 即使x轴方向上的伸长影响到y轴方向的压缩为和z轴方向为 MN平行于x轴 故dy dz 0 则du1的分量可表示为 同理MP的相对位移du2 MP平行于y轴 dx dz 0 则du2的两个分量可表示为 34 从上面的分析可知 1 受力变形后 互为垂直 变为不垂直 角度变化为 2 形变在x y z轴上都有相对伸长或压缩 3 假设形变很小时 则 也很小 可以近似看作 35 令 同理可推出 三维空间中 1 11 在三维空间中 分别代表任意两个坐标轴方向的剪切形变 为得一半 称为切应变 36 4 体应变 或体胀率 体胁变 假设初始体积为体积形变后的体积为则有定义体应变 体胀率 为 1 12 1 13 37 将 1 12 式和 1 13 式代入 由于 略去高次项 式中为哈密顿算子 38 因此 体应变可表示为上式说明了位移矢量的散度 即的三个分量在方向上的变化率 有正负之分 正代表了弹性体的膨胀 负则代表了压缩 变形体的位移可归纳为三种状态 平移 转动和纯形变 1 14 39 2 3应力和应变的关系 2 3 1应力和应变的关系方程前面分析了某一点处的应力和应变状态 但还未涉及到弹性体本身的特性 应变是应力产生的 应力和应变之间应该有一定的关系 找出这个关系 就可以反映出弹性体本身的物理特性 这个关系就是物态方程 它是从实验总结出来的规律 这个规律就是广义虎克定律 广义虎克定律说明 当固体在弹性极限内时 应力和应变成正比 即在弹性极限内 固体中任何一点的6个应力分量都与所对应的6个应变分量成线性函数 40 其数学表达式为 1 15 式中系数是弹性系数 它反映了介质的物理特性 1 15 式中共有36个未知的弹性系数 41 1927年勒夫证明 当弹性是应变的单值函数 线性函数 时 弹性系数 因此36个弹性系数可减少到21个 线性在地震上是具有非常重要的意义 弯曲的波前可近似地表示为平面波的线性叠加 反射波可近似地表示为各层反射的线性叠加 褶积模型 地震数据处理的许多方法 都用到了线性叠加原理 42 当固体是各向同性弹性介质时 勒夫进一步证明弹性系数可以减少到两个 拉梅系数和 即 则 1 15 式可变为 1 17 式 43 可把上式写成矩阵形式 44 将体应变代入上式中则得 1 18 式 该式式广义虎克定律得拉梅形式 1 18 45 2 3应力和应变的关系 2 3 2弹性系数 模量 分析当应力在弹性极限范围内 应力与应变成正比 其比例系数就是弹性系数 拉梅系数和 当固体是各向同性介质时 弹性系数可以减少到2个 它们就是拉梅系数 杨氏模量E 反映弹性体的抗压 拉 能力 E越大抗压能力越强 泊松比 反映弹性体横向拉伸 或压缩 对纵向拉伸 或压缩 的影响 泊松比越大 纵向压缩越小 负号表示纵 横向应变增量的方向是相反 1 19 1 20 46 47 剪切模量 阻止弹性体产生切应变的弹性系数 在切应力相同的条件下 越大则切应变越小压缩模量 体变系数 K 反映介质的耐压特性 K越大则体形变越小 1 21 1 22 1 23 48 对一个稳定的物体 上述的弹性系数都是正值 由 1 23 式可知当时 表示物体是不可压缩的 流体的为0 5 大多数岩石的为0 25 49 2 4弹性波传播方程 一 弹性波动方程的建立弹性动力学研究的是弹性体内质点的相对运动状态 因此 位移向量不仅是空间的函数 而且也是时间的函数 其内任一单元的运动状态应符合牛顿第二定律 弹性体运动微分方程 可将应力 应变和运动微分方程归纳为三组基本方程 1 应力 应变的关系方程 反映了物体受力后的弹性状态 也称物态方程 即 1 18 式 2 应变和位移的关系方程 反映了弹性体在空间的几何关系 即 1 9 式3 运动微分方程 反映了弹性体受外力作用后的运动状态 50 2 4弹性波传播方程 式中为单位质量介质所受体力F的三个分量 将上述三式化简 消去应力 应变分量 经整理后得出以位移分量表示的弹性力学方程 1 25 1 24 51 2 4弹性波传播方程 上式的矢量表达式为 式中是拉普拉斯算子 是体变系数 上式称为Navier方程 它代表了在均匀 各向同性介质中 用位移表示的弹性波传播方程 1 26 52 2 4弹性波传播方程 二 纵波 横波方程的分离1 纵波方程 只有体变 无形变 为无旋场 即弹性介质中到处都有对 1 26 取散度 且有整理得到 1 27 53 2 纵波方程 为无源场 即弹性介质中到处都有对 1 26 取旋度 由场论可知整理得到由亥姆霍兹的涡旋运动定理可知 任一个向量场 如果在定义域中有散度和旋度 则该向量场可以用一个标量位的梯度场和一个矢量位的旋度场之和来表示 因此有 分别表示位移场的标量位和矢量位 统称位移位 则分别表示力场的标量位和矢量位 统称为力位 1 28 1 29 54 将上式分别代入 1 27 1 28 得上式是在外力作用下用位函数表示的弹性波动方程 也称达朗贝尔方程 为纵波传播速度 为横波传播速度 这个方程将震源特征和波的特征联系在一起进行研究 称为 波的激发问题 考虑到在地震勘探中外力作用的时间很短 经过一段时间后力位函数可视为零 若只研究弹性介质对波的特性 即为 波的传播问题 因此上述方程可以改写为齐次方程 1 30 1 31 55 横波 S波 有两个质点振动方向 沿Z轴振动的S波分量为垂直偏振剪切波 称为SV波 沿Y轴振动的S波为水平偏振剪切波 称为SH波 P波传播方程 SV波传播方程 SH波传播方程 传播方向为X轴方向 通常岩石的泊松比为0 25 又有 56 作业 1 什么是应力和应变 简述应变的分类和特点 2 应力和应变的关系 有哪些弹性系数 3 写出均匀 各向同性 理想弹性介质中的弹性波Navier方程 达朗贝尔方程 4 简述在均匀 各向同性 理想弹性介质中 球面纵波 横波的达朗贝尔解和位移解 并说明其物理含义 57 5弹性波在多层介质中的传播 本章包括 在粘弹性介质中弹性波的传播和大地滤波作用多层介质中弹性波的传播地震勘探中的薄层问题一个反射波地震道形成的物理机制绕射波地震波波导效应 58 5 1在粘弹性介质中弹性波的传播和大地滤波作用 1 在粘弹性介质中弹性波的传播粘滞性介质 弹性体受力后 不能立即达到稳定的形变状态 而是逐渐地产生形变 外力取消后 也不能立即恢复 而是逐渐恢复原状 形变是时间 t 的函数 这种弹性介质称为粘滞性介质 地层对弹性波的吸收作用 弹性波在粘弹性介质中传播时 由波产生的弹性能将有一部分要转化成热能而被消耗 从而使弹性波的波形和振幅发生变化 损失掉弹性波中的高频成分 振幅要按指数衰减 这种现象叫做地层对弹性波的吸收作用 59 5 1在粘弹性介质中弹性波的传播和大地滤波作用 粘滞介质中的内摩擦力称为粘滞力 通常用粘滞系数来表示粘弹性介质的非弹性程度 佛各特 Voiget 假设 应力和应变的关系包括两部分 一部分满足虎克定律的弹性形变 另一部分则是与应变的时间变化率有关的粘滞应变 因此 虎克定律在粘滞性介质中 必须增加应变的时间变化率项 称为粘滞项 有 60 5 1在粘弹性介质中弹性波的传播和大地滤波作用 1 4 1 61 在此假设上可得粘滞性介质中的弹性波传播方程 两边取散度div 整理后得纵波的传播方程 两边取旋度rot 整理后得横波的传播方程 1 4 2 1 4 3 1 4 4 5 1在粘弹性介质中弹性波的传播和大地滤波作用 62 以沿x方向传播的平面纵波为例 研究在粘弹性介质中波的传播特点 设平面P波的位移位为 只讨论x方向 故y z 0 有 式中 为体变系数 代入粘滞P波方程 可解K值为 1 4 5 1 4 6 1 4 7 5 1在粘弹性介质中弹性波的传播和大地滤波作用 63 1 4 8 1 4 9 1 4 10 1 4 11 式中 将K代入中 得 其中 64 讨论 1 位函数振幅随传播距离呈指数衰减 称为吸收系数 令 则 称为衰减系数 越大 波的振幅衰减越快 2 特性分析 当不变时 不同的频率的影响 当较低时 与成正比 速度V与频率无关 65 当较高时 与成正比 速度V与频率有关 有频散现象 地震勘探属于低频勘探 吸收使高频衰减严重 导致波形随距离的变化 3 大地滤波作用 弹性波在实际介质中传播时 实际介质就相当于一个滤波器 滤掉了高频部分而保留了低频分量 这种滤波作用称为大地滤波作用 它使得脉冲地震频谱变窄 地震波延续度增长 各波之间将会产生干涉现象降低了地震分辨率 地层反褶积处理消除大地滤波作用或者做一些补偿 66 67 4 吸收和扩散的相对重要性频率较低 传播距离较近时 几何扩散的作用大于吸收作用 随着频率的升高和传播距离的增加 吸收损失增大 最终会变成导致能量损失的主要因素 68 左图表明 能量既随着传播距离衰减也随频率衰减 实际地震波随频率的衰减程度 比距离造成的衰减程度高 右图表明 振幅与多种因数有关 除了扩散和吸收 还有野外工作 处理 微曲多次波 透射波损失 绕射 三涉及能量的重新分配等 69 5 品质因素 地震波的吸收还可以用品质因素Q描述 定义 在一个周期内 或一个波长范围内 振动所耗损的能量与总能量之比的倒数 即 Q是一个无量纲的量 介质的Q值越大 能量耗损越小 Q与地层吸收系数的关系为反比关系 70 6 吸收的测量在实验室中测定 但总是测量高频情况下的吸收系数 野外测量吸收 应考虑分界面处的能量分配和其他重要因数的影响 下表所示是不同岩石的吸收常数 对于某种特定的岩石 吸收近似为常数 吸收系数与地震频率近似呈正比 71 5 2多层介质中弹性波的传播 凡是弹性分界面的个数大于1个时 就称为多层介质 弹性波投射到多层介质时 除保持单层介质的基本特点外 还涉及到以下几个新问题 第一 多层介质的物理模型如图 如果存在n个弹性分界面 则有 n 1 个地层 72 第二 弹性波入射到多层介质物理模型中 波的转换 更复杂 每一个入射点 透射点 反射点上都形成如象单层那样的四个新波 在多层中有很多个入 透 反 射点 则它将形成一套反射波系 透射系 折射波系和面波系 第三 能量分配也比单层更复杂 除了与介质的弹性特性有关外 还与入射波的能量 倾角等因素有关 第四 在多层模型中会出现薄层效应 即研究薄层厚度与波长的关系 5 2多层介质中弹性波的传播 73 5 2多层介质中弹性波的传播 1 反射和透射波系到第n次界面反射和透射波的个数为在界面上第一次反射的波称为一次反射波 在某界面上两次以上的反射波称为多次波 地表接收到的反射波是所有波的叠加 74 利用传递矩阵实现转换波的计算 采用分层递推法来完成的 每一个层归纳为一个基本的层矩阵的形式 然后形成多层介质的传递矩阵 同时 考虑实际问题时 一般只考虑一次反射 透射和折射波 5 2多层介质中弹性波的传播 75 2 折射和面波系满足折射波的形成条件 则可形成折射波系 还可以形成折射 反射系 反射 折射系或者折射 反射的多次波 此外 还形成面波系 面波存在着频散现象 即速度随频率变化 5 2多层介质中弹性波的传播 76 5 3地震勘探中的薄层问题 1 定义 薄层的概念是相对的 是以地震的纵向分辨率为依据的 对地震子波而言 不能分辨出地层顶 底反射的地层为薄层 垂直分辨率 Rayleight将可分辨极限 Resolvablelimit 定义为当两个波形相差二分之一周期时 干涉效应达到最小 77 1 a e依次增加高截频 带宽分别为1 1 5 2 2 3 2 6倍频程 2 f h改变滤波斜坡 斜坡分别为120 60 24dB 倍频程 3 i j同样的带宽的滤波器向高频移动 78 从图可知 随着频带的拓宽 主峰值越来越尖 但当带宽超过一定倍频程后 子波不会发生很大的变化 频带边界的斜率变陡时 子波也变的越来越细长 具有相同频谱现状和相同倍频程宽度的两个子波在频率范围内的频谱可以互相取代 则这两个子波具有相同的波形 时间比例不同 频率越低 在时间域内子波越宽 79 子波的极性在SEG的标准格式规定最小相位为正反射 波阻抗增加的界面上产生的反射波 波形开始向下振动 用负数表示 对于零相位正反射波 子波的对称中点是一个由正数表示的波峰 80 地震子波具有不同的频谱 不同的延续度 不同的相位 不同的波长等 薄层厚度的概念是相对的 通常定义厚度满足下列不等式的地层为薄层 或其中为地层厚度 为波在薄层内传播的双程旅行时 T为视周期 81 反射波的垂直分辨率的图示 82 2 薄层的干涉效应1 产生微屈多次波2 干涉效应 薄层内一次反射波和多次反射波相互叠加干涉所产生的效应称为薄层的干涉效应 地面上所接收的是这些波互相叠合的总振动 5 3地震勘探中的薄层问题 83 3 薄层的频谱特征分析1 高速 低速 薄层 韵律型薄层 V3V1或V1 V2V2 V1或V3 V2 V1 当薄层厚度一定时 相对过低和相对过高频率的波得到加强 而中频的波受到压制 好似一个带阻滤波器 3 薄层具有滤波作用 4 当折射波的波长接近于薄层厚度时 薄层对折射波也有选频作用 层越薄 则频谱的高频成分越丰富 5 3地震勘探中的薄层问题 84 5 3地震勘探中的薄层问题 85 4 薄层的调谐作用1 来自地层的上 下界面的波相互干涉 在四分之一视波长地层厚度处出现了相对振幅的极大 或极小 这种的现象称为波的调谐作用 这时的厚度称为调谐厚度 2 当厚度减小到调谐厚度以后 间隔时间 T不再发生变化 波形趋于稳定 可利用相对振幅曲线求取薄层的近似厚度 3 可利用调谐效应来确定薄层的厚度 即可分辨出四分之一波长的薄层厚度 薄层的干涉和调谐在模型实验中很容易得到 但是在实际问题中并不是很容易观察到 真正要分辨岩层的厚度 必须要发展高分辨率勘探以及利用一些岩性预测技术 86 87 88 楔状体的振幅与时差的关系图 a V3 V2 V1 b V1 V3 V2 89 5 4绕射波 一 绕射波的产生根据惠更斯原理 波传播到空间中的点都可以看成是一个新的点源 这些点源都会产生新的绕射 如果把空间中的每一个点都看成是绕射点 就是广义绕射 如果只考虑断层和尖灭等绕射点 就称为狭义绕射 一般 我们指的是狭义绕射 90 二 绕射波产生条件1 几何点或线是不可能得到具有可观测能量的绕射波 实际观测的反射波是由反射界面上相当的一个面积内返回的能量叠加而成的 到达检波器的反射波的相位差不超过半个周期 这些波或多或少地相干干涉 产生相干干涉反射波的区域就称为菲涅尔带据绕射积分理论 地面某一个质点的振动主要来自界面上以R为半径的菲涅尔带内的二次扰动 地面观察到的绕射波是地下断点附近一段界面绕射的叠加 而不仅是地下一个物理点的绕射 91 5 4绕射波 92 夫列涅尔带半径为 式中 t为观测点到界面的双程旅行时 为视频率 H为界面深度 为波长 V为波速 当地质体长度a满足 这样的地质体相当于一个绕射点 因此 上述不等式决定了地震勘探的横向分辨率 菲涅尔带决定了水平分辨率的极限 5 4绕射波 93 5 4绕射波 绕射波产生条件 断块长度要满足 小于1 10 则不能产生绕射或者说观察不到绕射 大于1 2 产生的是反射波 凡是满足上式的断块反射段称为短反射段 实验证明在地面上接收到的反射段的总效果 就相当于一个点绕射 绕射波的强度和反射段的长度成正比 94 3 凡是满足的断块反射段称为长反射段 在长反射段的两个断点出将产生左右两个半支绕射波 相位相差180 在断点的正上方 绕射波的振幅是正常振幅的一半 称为半幅点 绕射波可以从水平叠加剖面上的断层处观察到 反而是断点的位置不容易确定 偏移后能量归位 消除了绕射波 可以很清楚看出断点的位置 5 4绕射波 95 5 4绕射波 96 97 5 5一个反射地震道形成的物理机制 1 假设 有 n 1 个均匀各向同性的介质 即有n个界面 每个界面的反射系数为 透射系数为 P波垂直入射 n个分界面是水平的 入射波位移位为 其中 a为与波前扩散和介质吸收有关的振幅系数 98 2 地震波的透射损失因透射引起的地震波振幅变弱 能量的损失 称为透射损失 第i 1个界面的透射因子为 3 地震反射记录最后 可以得到上述条件下一个地震反射记录的表达式为 5 5一个反射地震道形成的物理机制 99 100 101 5 5一个反射地震道形成的物理机制 为第j层地层的双程旅行时 为地面到第i层的总双程旅行时 如果设一个地震反射波的波形延续长度为 若令 决定了两个相邻地层的分辨能力 称为垂直分辨率 若 则两个相邻层的反射波在记录上彼此可分开 为分辨率高 若 则两个相邻层的反射波相互重叠 为低分辨率 地震勘探中要提高分辨率 当不变时 则要求有较小的 102 4 地震道的褶积模型实际的地震记录的形成机制更复杂 比如包括层间多次波 以及各种非垂直入射的条件等 但是 这样的合成记录有它的理论意思和实际意义 合成地震记录的方法主要有两种 一种是利用高斯射线方法 一种是褶积模型方法 5 5一个反射地震道形成的物理机制 103 5 5一个反射地震道形成的物理机制 高斯射线方法分为两部分 一部分是射线的运动学追踪 一部分是高斯动力学追踪 利用褶积模型的方法分三步 第一步是求取子波 求子波的方法很多 可以直接由测井资料求子波 可以由地震剖面求取子波 可以由VSP资料求取子波 还可以直接利用理论子波 如常用的雷克子波 第二步是求取反射系数 只要知道了地震模型或者知道测井资料就可以很容易求得反射系数序列 第三步是褶积 104 褶积模型法是非常理想的情况 它非常简单 而且可以说明一些实际问题 特别是在地震资料解释时 做地震地质层位对比时是必须的 因此 井旁合成地震记录一直使用于地震勘探中 高斯射线方法可以针对非均匀 非各向同性的介质 可以任意合成记录 而且它还考虑了能量的分配和波的转换等具体实际情况 因此 这是一种比较完善的方法 但是它的原理相对比较复杂 要考虑运动学和动力学问题 算法也比较复杂 换句话说 其成本要高一些 因此 它一般用来做二维或三维的合成记录来模拟地下的实际情况 105 5 6地震波导效应 当浅层存在一个夹在高速地层中的低速薄层时 若在这个低速薄层中激发 那么地震波将局限在这个低速薄层内来回反射 使其能量主要消耗在低速层内 而不向上下围岩散发 这个低速层好象一个波导管 将波控制在导管内 这样的现象叫做地震波导效应 地震波导效应主要应用于煤田勘探中 106 5 6地震波导效应 107 第二部分地震勘探工作方法与技术 本部分包括 地震测线的布置和观测系统激发地震波地震勘探中的干扰波及其特征地震波的接收共反射点多次覆盖技术地震勘探野外工作技术 108 其基本任务 齐全 准确地采集地震数据 为地震数据的处理和地震资料的解释提供第一手资料 目的 高质量 高速度地获得 高信噪比 的原始地震资料 一般是 sgy格式的数据 野外工作以地震队的组织形式来完成 由钻井班组 仪器组 站 检波器组 爆炸班组组成 其主要内容 激发 接收地震波 围绕这两个主要内容又可细分 测线及观测系统的设计 地震波的激发技术 地震波的接收技术以及地震勘探中的干扰波分析等 其工作程序 地质目标的确定 野外现场踏勘 施工设计 实验阶段和生产阶段 实验阶段的目的 选取本工区内最适合的野外方法和技术 第二部分地震勘探工作方法与技术 109 第二部分地震勘探工作方法与技术 实验工作主要有以下几项 1 干扰波调查 2 地震地质条件调查 3 选择最佳的激发条件 4 选择最佳的接收条件 5 地震仪器因素的选择 生产阶段 陆上地震勘探工作流程 1 地震测量工作 2 钻井工作 3 激发工作 4 地震波的接收 110 2 1地震测线的布置和观测系统 一 测线布置的原则与地质勘探的各基本阶段的地质任务相对应的 应遵循以下原则 1 正确地详细分析工区以前完成的全部地质 地球物理勘查的结果 2 主测线最好垂直构造走向 联络线平行于走向 能更好地反映构造形态 3 测线最好是直线 4 测线的间距随着勘探程度提高 由疏至密 5 如工区有钻井 地震测线最好通过钻井 以进行地震层位和钻井层位的对比 2 1 1地震勘探的阶段划分及地震测线的布置 111 二 不同勘探阶段的地震测线布置 区域普查 面积普查 面积详查 构造细测 1 区域普查阶段 路线普查 在未做过地震工作的新区域内开展区域调查目的 研究区域地质构造特征 包括基岩起伏 岩石性质 沉积厚度 沉积盆地边界 有利的含油 气远景区及各级构造分布带 测线的布置 若干条区域地震大剖面测线 且尽可能地穿过较多的构造单元 线距一般是几十公里或几百公里测网比例尺 1 20万 112 2 面积普查阶段对在区域普查阶段发现的含油 气远景构造带上进行的目的 研究地层的分布规律 查明大的局部构造带 可能的储油构造 测线布置 丰 字形测网 主测线垂直构造走向 一个局部构造上至少有三条测线以上的主测线 线距小于预料的构造长轴的一半 一般是十几公里 联络线平行于构造走向 线距可较大些 测网比例尺 1 10万或1 5万 113 3 面积详查阶段对面积普查阶段所发现的局部构造进行详查目的 研究已知构造的地质构造特点 范围 形态 目的层厚度 上下地层的接触关系 高点位置 与相邻构造的关系 断层的分布大小等等 提供最有利的含油气圈闭 测线布置 主测线线距1公里左右 联络线线距2 4公里 测线较密 现成的测网严格控制局部构造 测网比例尺 1 5万或1 2 5万 114 4 构造细测阶段 开发阶段 目的 在面积详查的基础上 查明构造的细部 构造高点位置 圈闭的闭合度 小断层的特征分布 了解油气水的分布关系 为钻探提供井位 测线布置 以三维测网为主 线距小 测线密测网比例尺 1 2 5万或1 1万甚至1 5000 115 数据采集系统主要由地震检波器和数字地震仪组成一 地震检波器 Geophone detectors seismometers 1 主要类型及工作原理它是将机械振动转换为电信号的一种机电转换装置 常用的有动圈式 动磁式 压电式 海上 涡流式等几种 2 1 2地震勘探野外数据采集系统简介 116 2 特性及指标要求1 具有较高的灵敏度 2 检波器的固有振动延续度尽可能小 即具有较大的阻尼系数 3 检波器的固有频率和相位特性以上三个参数是评价检波器的重要参数 它们与检波器的弹簧的弹性系数 惯性体的质量 内阻 机电耦合系数 摩擦系数等有关 117 二 地震数字仪 数字记录系统简介 1 前置放大器 属模拟电路部分 对输入 输出阻抗进行必要的匹配 使检波器接收到的地震信号不失真地送入仪器中 还对微弱的地震信号进行低噪音的线性放大 还可对各种干扰波进行滤波 2 多路转换开关 高速电子开关 对模拟连续信号进行离散采样 并将多路并行的地震脉冲信号离散变成 单道串行 的子样脉冲送入主放大器中 118 3 主放大器 能够不畸变地放大能量悬殊的地震信号 具有较大的动态范围 120分贝 是一种增益能自动变化 高速 高精度的直接耦合放大器 同时 主放还把对信号的放大的增益值记录下来 回放时可恢复信号的真振幅4 模数转换器 A D 将离散的模拟信号转换成数字信号 5 磁带记录器 将模数转换器输出的二进制数字信号记录在大容量的磁带或磁盘上 6 回放系统 把数字磁带记录中见不到的数字信号在野外及时转换成可见的模拟波形记录 其作用过程相当于记录的逆过程 119 三 对地震数据采集的技术要求1 高灵敏度 地震波经地下界面反射后传播到地面引起的振动是很微弱的 2 信号能量的自动增益控制 具有较大的动态范围 3 具有选频功能 地震仪器的频率范围一般是5 250HZ 已压制了高于250HZ的高频 4 具有较高的分辨能力 固有振动延续时间小于相邻界面的地震波的双程旅行时间 120 5 有多道接收装置 并且要求各记录道具有一致性 即对同一个地震波的反映应该相同 6 具有精确的计时装置 7 结构轻便 性能稳定 维修方便地震道 把对应于每个测点的地震检波器 放大器 记录器所构成的信号传输回路总称一个地震道 121 一 观测系统的概念及参数地震排列 每次激发时所安置的多道检波器的观测地段称为地震排列 观测系统 在地震勘探中 激发点与接收排列的相对空间位置关系 炮间距 相邻两激发点之间的距离 用d表示 道间距 相邻两接收点之间的距离 用 x表示 炮检距 第i道到激发点之间的距离 用表示 有偏移距 第一道的炮检距 用表示 D为反射点的间距 D x 2 2 1 3二维地震观测系统 122 地震排列示意图 观测系统可分 纵测线观测系统和非纵测线观测系统纵测线观测系统 激发点与爆炸点在同一条测线上 获取测线正下方的地下反射信息 易于解释 施工方便 非纵测线观测系统 激发点不在排列所在的测线上或者不在排列的延长线上 获取激发点与接收点连线下方的地下反射信息 123 124 二 观测系统的图示法1 时距平面图示法 在平面图上用时距曲线的方式来表示炮点与其观测地段的相互关系 以及它们与地下反射点的相互关系 2 综合平面图示法 普遍使用的 125 综合平面图的绘制方法 根据实际距离 选定比例尺 将地表测线以 X为间隔划分刻度 从激发点O出发 向接收排列方向倾斜并与测线呈45 角画一直线 实线或粗实线 从各接收点出发有一条直线与测线呈45 角的直线 虚线或细实线 该直线与共炮点排列线的交点为该接收点在排列中的序号 共炮点排列线上第i道的序号点垂直投影在界面的位置即为第i道的反射点 i 将所有炮的排列线按上面步骤画出 就得到观测系统综合平面图 126 三 反射波法观测系统的基本类型1 单次覆盖观测系统是指对地下反射界面连续观测一次 单边激发 中间激发 和两边激发 2 间隔连续观测系统激发点与接收点排列之间相隔一个或多个间隔进行观测 3 延长排列观测系统4 多次覆盖观测系统 见书图及表 是对反射界面上的反射点重复采样多次的观测系统 127 128 129 130 野外限制与特殊方法在野外采集的目的 是保证在同一测线每个采样点上的采集条件都是相同的 但有时并不能满足条件 覆盖间断如某些位置不能施工或必须减少药量 就需要在其他位置补炮 来补偿覆盖次数的减少或弱震源的影响 需在地震剖面上记录下来 地震剖面上记录条件的变化通常会导致初至缺失 测线两端的覆盖次数少 可在测线两端多放几炮 131 132 放炮方向的影响 133 远距离放炮 隔山炮 134 四 折射波法的观测系统完整对比观测系统 相遇时距曲线观测系统 不完整对比观测系统 追逐时距曲线观测系统 135 一 三维地震观测系统1 线性观测系统1 宽线剖面2 弯曲剖面 2 面积型观测系统1 十字型相交排列2 栅状排列3 条带排列 2 1 4三维及四维地震勘探观测系统 二 四维地震勘探在三维地震勘探的基础上在不同时间进行重复观测 即形成了四维地震勘探 136 弯曲测线应注意 共反射面元内道集叠加次数和可叠加性 弯曲多次覆盖的次数与落在同一面元内的 炮检 中心所对应的记录道数有关 137 138 三 基本参数的确定满足采样定理 139 2 2 1激发地震纵波 陆上为例 一 地震勘探对激发条件的要求 1 激发的地震波要有足够的能量 以保证获得所需要的深层反射 2 激发的地震波的频率要适中 以利于从频率域的角度来突出反射波 压制干扰波 3 重复激发时 地震记录上有很好的重复性 4 持续时间很短 具有较高的分辨率 5 不产生噪音 噪音会影响反射波的检测 2 2激发地震波 140 二 激发震源 炸药震源和非炸药震源 1 炸药震源 普通炸药 爆炸索 聚能弹 优点 爆炸速度很高 引爆后在周围介质中形成强大 脉冲尖锐 频带较宽的冲击波 缺点 成本高 且勘探效率不高 引起污染 破坏 不安全 在海水中爆炸会引起气泡效应 影响勘探效果 地震勘探中主要使用两种类型的炸药 胶质硝酸甘油和硝酸铵 起爆的速度远远大于地震波在地层中传播的速度 141 炮点钻井 142 衡量炸药激发地震波优劣的参数是 能量和频率 影响地震波能量和频率的因素主要有 炸药量和炸药与激发介质的耦合关系 1 激发条件 炸药量的大小实验证明 能量与炸药的关系为 对小药量 能量随炸药成正比增加 而对大药量 增加到一定值后 振幅不再随药量的增加而增大 能量主要用于破碎带 143 地震主频与药量的关系 是成反比关系 小药量爆炸产生的地震波的频率要比大药量的高 大药量不利于产生高频 所以药量要适中 井深 选择在低速带以下或潜水面中 炸药的深度是影响地震子波的重要因素 同时 也影响近地表的虚反射和噪音 激发岩性 湿润的含水性较好的岩石为最佳介质 如含水粘土 泥岩 充水砂岩等 144 2 激发方式 在水中 井中 坑中 在注满水的井中最佳 单井 多井组合激发 炸药震源除普通炸药外 还有爆炸索 聚能弹等爆炸索是一种地表炸药震源 爆炸索起爆后形成的波前面如图 在野外 爆炸索一般埋在浅沟中 深度0 5 1米 145 聚能弹的原理 在底部空穴表面的任意两个对称点上飞散速度相等 方向对称 使爆炸后能量聚集在空穴的轴线上 形成聚能流 在距空穴槽底一定距离上 聚能具有最大的速度和压力 其优点 能产生强大的垂直向下的爆炸能量 小而轻便于操作 适合丛林 砂丘和丘陵地区 具有较大的灵活性 146 2 非炸药震源 振动型 可控震源 撞击型 重锤震源 气锤震源 及海上的点火花气枪 蒸汽枪等 优点 克服了炸药震源的缺点 缺点 产生面波干扰 可控震源 是靠装在特别汽车上的液压振动器冲击地面而产生地震波 不同于炸药震源的脉冲波 可控震源向地下发射的是可控制的振荡波 其波函数为 147 148 振动器的频率 能量的强弱可人为控制 产生一个长时间的 频率随时间变化的扫描信号 扫描信号可以是线性的 也可是非线性的 非线性扫描可增加扫描信号中的高频成分 从而提高分辨率 149 1 可控震源的地震记录 150 将地震记录与参考道做互相关计算 去掉背景值 极大值所对应的时间为反射波到达的时间 注意 1 可控震源得到 地震记录 是描绘相关函数的 是相关子波 相关曲线 极大值所对应的时间表示波到达的时间 2 炸药震源的 地震记录 是描绘地面质点运动的 用一个地震子波的初至表示反射波到达地面的时间 151 2 可控震源的野外作业 组合叠加野外记录是多次振动叠加结果 152 3 可控震源参数选择 相关子波的波形 震源个数 扫描长度 振动次数等应选择合适相关子波的能量集中在中心部位 边叶幅度很小 这是由扫描信号决定的 主要是信号的相对频宽的影响 震源个数一般为4 6个 每个点上连续振动的次数20以上 扫描长度足够长时 相关子波的中心才突出 153 2 2 1激发地震横波 自学 要求 地震震源激发后在地下产生水平振动激发横波的震源有以下几种 1 普通炸药 对称爆炸 2 撞击震源3 可控震源 2 2激发地震波 154 有效波 那些可用来解决所提出的地质任务的波为有效波或信号 如反射波法中的反射波 折射波法中的折射波 干扰波 所有妨碍认辩 追踪有效波的其他波均属于干扰波范畴 干扰波的产生一般与震源 激发方式 激发点的介质特性 接收环境 表层介质结构及地下介质结构等有关 2 3地震干扰波分析 155 2 3 1干扰波一 干扰波的种类低频干扰 f80hz高速干扰 V 4km s按同相轴上的规律性 规则干扰不规则干扰 2 3地震干扰波分析 按频率可分 按视速度分 156 二 规则干扰波是指有一定的频率范围 一定的视速度和特征面貌 在时间上的出现具有规律性 在记录上可识别和追踪的波 1 面波 产生条件 震源较浅 井中爆炸深度浅 坑炮 表层具有明显的成层性 特点 1 能量强 频率低 5 30HZ 沿地表垂直方向衰减快 沿横向衰减慢 振动时间长 视速度低 100 1000m s 2 面波的时距曲线为直线 3 具有频散的特征 随着传播距离的增大 振动时间也越大 速度是变化的 形成 扫帚 状的特征 压制方法 检波器组合法 滤波等 157 2 声波产生条件 井浅 坑中 空中用炸药或使重锤撞击地面特点 1 速度稳定 340m s 在地震记录上形成尖锐的强的初至波 2 频率高 延续时间长 呈窄带状出现 时距曲线为直线压制方法 改善爆炸条件 处理时通过滤波等 158 3 工业干扰波 地震测线通过高压电线时 检波器电缆会受到50HZ的电压感应 产生50HZ的正弦波干扰 强度超过了地震有效信号波许多倍4 虚反射它使正常反射波波形复杂 相位数目增多 虚反射的波形 频率 视速度甚至于频率都和一次反射波很相似 压制方法 采用垂直叠加法或反褶积方法 159 160 5 多次波产生条件 存在强反射界面特点 1 与正常反射波相似 传播速度低于相同法线时间的正常反射波 2 对于简单多次波 其旅行时间是对应的一次波的倍数关系 压制方法 野外采用多次覆盖技术 共中心叠加技术及各种特殊处理等6 重复冲击产生条件 在井中和水中爆炸时 产生的气泡的脉动作用形成重复冲击特点 波的视速度与一次波相同 使后来的正常反射受到干扰 161 162 163 7 侧面波产生条件 1 陆地上地形变化剧烈的地区 黄土高原或直立的隔壁滩 2 海底的凸起 3 断面 不整合面 4 向斜两翼等压制方法 水平叠加 偏移归位等8 底波 交混回响 鸣震 底波 在海底淤泥底面产生的类似于面波形状 具有低速 低频 横向衰减慢 延续时间长 交混回响 鸣震 海上多次波 主要采用反褶积滤波压制9 浅层折射波 反射 折射波 折射 反射波 164 165 三 不规则干扰波是指没有一定的频率范围 没有一定传播方向 在时间上的出现具有随机性 在记录上形成杂乱无章的波按来源可分 自然条件引起的 微震 仪器因素引起的与激发 接收条件有直接关系 高 低频干扰 166 1 微震背景 与激发震源无关的地面扰动统称微震 特点 频带宽 1 150HZ 统计相关半径为6 9m 2 高频 低频干扰 在沼泽 流沙 泥炭等疏松介质中激发地震波时 这些介质的固有振动构成了低频背景 炸药震源在井中坚硬岩石中爆炸时 波在浅层不均匀体上的散射形成了高频不规则的干扰 此外 井口干扰 也是常见的一种高频干扰 特点 在整张记录上出现 并且无规律性 杂乱无章 167 2 3 2干扰波的观测方法在野外勘探之前应对工区内的干扰波先作调查 以了解和掌握区内干扰波的性质 特点 分布范围等 通常采用以下方法 1 浅井或土坑爆炸 小排列 道距1 2m 接收 2 采用直角排列可查明干扰波的传播方向 3 也可采用方位观测法 168 噪音分析或噪音检测a 噪音分析 b 频率 波数示意图 169 总结 干扰波和有效波之间在动力学和运动学的差异主要表现在 1 频率差异 2 波的传播方向 视速度 的差异 3 波的随机性差异 波的统计效应 4 质点振动方向的差异 5 波到达时间差异这些差异决定了可用滤波 方向特性 相关性等来提高信噪比 并对地震勘探仪器 观测方式 处理技术等提出相应的要求 170 2 4共反射点多次叠加技术 梅恩 Mayce 1962 提出了多次叠加方法 水平多次叠加法 在野外采用多次覆盖的观测方法 并将观测记录经过动 静校正 水平叠加等技术处理后 则可获得水平叠加剖面 称这一套野外观测处理技术为水平多次叠加法 也称共中心点 共反射点 共深度点 法 可达到压制干扰提高信噪比的目的 171 其优点 只要参数合理 可使 道完全同相叠加 可以压制各种干扰波 只要存在剩余时差的波 无论是高速 低速或者多次波 由于观测的是同一个地下点 叠加后就不会出现 平均效应 蚯蚓化 现象 对 个叠加道来说 由于其炮点 检波点 观测时间等都不相同 叠加后必然对随机干扰的压制能力增强 可利用水平叠加资料提取速度 静校正值 并为偏移叠加奠定基础 2 4共反射点多次叠加技术 172 2 4 1共反射点叠加原理一 水平界面的共反射点时距曲线多次覆盖的观测方法就是以M为对称中心 A点为共反射点或共深度点 CRP或CDP M点为共中心点 CMP 为共深度点或共反射点道集 简称CDP道集 N为叠加 或者覆盖次数 共深度点的时距曲线为 2 4共反射点多次叠加技术 173 与共炮点反射波时距曲线方程形式相似 仍为双曲线 但两者反映的地下信息不同1 共炮点反射波时距曲线反映地下一段界面的信息 而共深度点反映地下一个点的信息 2 共深度点时距曲线的极小点 始终在中心点M的正上方 即表示M点的回声时间 而共炮点时距曲线则表示了炮点的回声时间 对水平界面来说 由于炮点O和M点深度时一样的 但对倾斜界面就完全不同了 3 叠加道的道距是2d 叠加道中第一道检波器 最小的检波距离 的距离x1为偏移距 2 4 1共反射点叠加原理 174 二 倾斜地层的共中心点时距曲线 当界面倾斜时 对称于M点的激发点和接收点所对应的反射点不再是一个点 而是一个反射面元 因此 这些道集不再是共反射点道集 而是共中心点道集 共中心点的时距曲线方程为 2 4 1共反射点叠加原理 175 176 倾斜界面的共中心点时距曲线与水平地层一样仍是一条双曲线方程 其顶点在M点的正上方 且