【地震勘探方法综述9900字】

地震勘探方法综述1.透射波法在工程地震勘探中，透射波法主要用于地震测井(地与井之间的透射)、地与地之间凸起介质的勘探、井与井之间地层介质的勘探。不同的地质目的导致不同的方法和手段。但原则上采用透射波理论，利用波传播的初至时间反演表征岩土介质岩性、物性及差异的速度场，为工程地质和地震工程提供基础数据或直接解决其问题。（1）地面与井的透射地震测井被称为地震工作，在井口附近激发，并接收井中不同深度的透射波。在工程勘探中，地震测井可分为测量地层吸收和衰减参数的单分量常规测井、双分量或三分量PS波测井和Q波测井。虽然收集方法不同，但方法的原理基本相同。1）透射波垂直时距曲线地震测井是测量透射波传播时间与观测深度的关系，称为透射波垂直时距曲线。假设地下为水平层状介质，传输速度为V1、V2…Vn，厚度为h1、h2…hn，底部界面深度为Z1、Z2、…Zn。在地面激发，在井中接收，发射波相当于直达波。然而，在均匀介质中，由于波通过速度界面时的传播效应，透射波的垂直时距曲线比直达波更复杂。是一条虚线，折叠点的位置对应界面的位置。因此，根据透射波垂直时距曲线的拐点，可以确定界面的位置，时距曲线每条直线的倒数斜率就是地震波在各层介质中的传播速度，即该层的层速度。很容易得到N层介质，对应的透射波垂直时距曲线方程为：其中t为传输时间(s)；Zi是I层的底部界面深度(m)；Vi是I层的波速(m/s)。图3-47是多层介质透射波的垂直时距图。从图中可以看出，利用垂直时距曲线的断点可以确定相应地层的厚度，根据折线各段的斜率可以计算出各层的地层速度，进而可以得到地震波不同深度h以上地层的平均速度。即：其中h和hi是总厚度和ith层的厚度(m)，t和ti是透射波在ith层中的传播时间和单向传播时间(s)；Vi是I层中透射波的速度(米/秒)。图3-47地震测井测量系统示意图2）资料采集①仪器设备在工程地震测井中，用于主干道工程编号的仪器设备包括地面记录仪器、常用的624通道工程数字地震仪和转换面板。带推动装置的地下地震检波器一般为单分量、双分量或三分量。多分量检波器主要用于纵波和横波测量、激励装置、信号传输电缆和简易绞车等。测量系统如图3-48所示。图3-48地震测井的各种方法②激发激发方式有两种:地面激发和井激发。地面激发主要有锤击、坠重、打击板(横向打击板)、炸药等。对于井激发，激发源主要是爆炸源、电火花源和机械振动源。当激振力方向垂直于地面时，可以激发P型和SV型透射波。当激振力的方向与地面水平时，可以激发SH型透射波。③接收井下检波器的作用是拾取地震波引起的井壁振动，并转换成电信号，通过电缆送到地面记录系统。一般要求具有耐温、耐电压、不漏电的性能。核心部分一般是机电耦合速度检波器，也称为换能器。对于单个组件，其方向可以是垂直的，也可以是水平的(相对于地面)；对于两个组件，换能器以90度角放置，即一个垂直，一个水平；至于三个分量，三个换能器的方位彼此成90度，即它们被放置在X-Y-Z方向上，并且在井中有两个水平分量(X，Y)和一个垂直分量(Z)。对于地面激发和井接收，测量顺序一般是从井底到井口，需要重复观测点来校正深度误差。通常，接触点和接收点之间的距离为1〜10m，可以根据精度要求选择，也可以不等距离测量。表层井旁浅孔接收和井激发，工作流程和要求同上，只是激发和接收换一个位置。地面记录仪器因素的选择与反射波法基本一致。但是在测井中，我们只需要初至波，所以仪器因素的选择要在尽可能突出初至波的基础上。此外，为了抑制或减少干扰，要求井下检波器与井壁耦合良好，检波器定位后电缆应放松，震源应与井口保持一定距离。④干扰波在地震测井中，主要干扰波是电缆波、套管波、井筒波(也称管波)等噪声。但是，对传输的初至波造成干扰的主要干扰波是电缆波和套管波，下面简要介绍它们的特点。电缆波是由电缆振动引起的一种噪声。电缆振动的原因包括地面井场或井口附近的机械振动和地面滚动波扫过井口引起的新振动。在工程测井中，电缆波可能出现在第一破裂带，影响第一破裂时间的正确拾取。检波器没有推紧时，最容易受到电缆波的干扰。减少电缆波干扰的方法有推耦合、适当放松电缆、减少地面振动(包括井口)、尽量抑制地面面波对井口的干扰(如挖隔离沟等)。在使用套管(钢管)的井中进行测量时，要求套管与地层(井壁)进行固井(固井一般采用水泥)，因此透射波会在固井不良的地方形成新的套管波沿套管传播。由于套管波的速度一般高于声波在岩土中的传播速度，会对固井不良的局部井段接收到的第一波产生干扰。可以看出，在段间和固井过程中，整个第一波间断波被5200m/s速度的套管波代替。在间隔期间，由于胶结不良，第一次突破的波谷不确定。与井段相比，井段固井效果较好，首波波形稳定。研究表明，套管波对纵波干扰较大，对转换波和横波影响较小。减少套管波干扰的方法是通过提高胶结质量或回填薄壁塑料管、井砂或油砂等能快速衰减套管波的材料，使套管与原状土保持良好的接触。在后期阶段，使用滤波来抑制它。3）资料的处理解释无论是P型还是SH型的初至波，接机时间位置都是起飞前沿。拣选方式通常是人工或人机联合拣选。对于被干扰的初至波，滤波后可以拾取，当滤波处理无效时，也可以拾取初至波的最大峰值时间，经过一定的相位校正后作为初至时间。对于SH型横波，可以利用正反向激发得到的两条横波记录，用叠加法拾取初至时间。如图3-49所示，从地震测井记录中读取的透射波首次到达时间为tc。由于炮点与深井之间有一定的距离D，所以炮点到检波器的射线路径不是垂直的。如果地下是均匀介质，tc是传播波沿CA的传播时间，而：其中:hc为炮井深度(m)；d是从炮眼到井深的距离(m)；h为检波器下沉深度(m)。从图3-49可以看出，透射波沿ca传播的时间tc应转换为沿井壁BA传播的垂直时间t：其中，t和tc分别为透射波沿孔壁传播的时间和沿孔壁传播的时间。图3-49井距校正示意图根据上述公式，将每个观测点的初至时间tc转换为沿井壁行进的垂直时间t，然后在t-H(t0-H)坐标图上绘制出t(或t0=2t，发射到接收的总时间)对应的深度H，得到透射波的垂直时距图，如图3-50所示。图3-50综合速度柱状剖面图首先，根据垂直时距曲线上观测点的分布规律，根据界面位置对断点进行分层，每条直线的倒数斜率即为对应层的层速度Vi，即：式中：Vi为波在第i层的层速度（m/s);Hi为第i层底面的深度（m）；ti为波到达第i层底面的时间（s)。计算层速度后，画在VI-H坐标图上(图3-50)，得到层速度分布图。由垂直时距曲线上的t和对应的H,得到公式：式中:Vm为波的平均速度（m/s)。然后在Vm-t0坐标图上画出Vm和对应的t0(t0=2t)，得到Vm(t0)曲线，如图3-50所示。需要指出的是，实际地层不是均匀介质，所以地震波的传播速度是空间的函数，地震波沿不同射线传播的速度是不同的。真正的地震波速度应该是沿着射线的速度，这就是所谓的射线速度。在图上画出垂直的时间间隔曲线、间隔速度曲线(和平均速度曲线)，称为综合速度柱剖面(图3-50)。图3-51是实际纵波和横波测井综合速度的柱状图。图3-51北京地铁某孔P-S波测井成果图p波和SP波地震测井资料主要解决两个问题，即解决反射波资料解释中的层位标定、岩性划分和时深转换问题，以及在工程地质或地震工程中的应用问题。（2）井间透射1）跨孔法井间法也称为平均速度法，因为当源孔与接收孔之间的距离较大时，接收到的初至波可能既包含直达波又包含折射波，获得的速度将是孔间地层的某一平均速度，其中包含地层内部和折射层的信息。井间法可用于测量P波和S波在钻孔间岩体中的传播速度、弹性模量和衰减系数。这些参数可用于评价岩体质量。图3-52是井间测量示意图，其中一个钻孔激发，另两个钻孔接收弹性波。因为钻孔之间的距离是已知的，所以同一地震波的传播速度可以通过不同的到达时间来计算。检波器采用钻孔三分量固定式检波器，可分别接收纵波和横波。为了避免干扰，保证接收到的波有足够的能量，钻孔之间的距离通常很小(通常为几米到十米)。如果钻孔倾斜，必须在计算时进行校正，以保证计算速度的准确性。图3-52跨孔法测量示意图速度计算公式为：其中，Vp和Vs分别为横波和纵波的速度(m/s)；x为同一水平面上两个接收孔之间的距离(m)；δTP和δts是纵波和横波到达两个地震检波器的时差。然后，根据各测点的速度计算结果，得到随深度变化的速度剖面。2）井间法①资料采集由于发射的地震波在井中激发和接收，使用的信息仍然是初至波，因此激发和接收的仪器设备、方式和要求与地震测井基本相同。不同的是井内有多个激发点，即从井底到井口有一定的间隔。在另一口井中接收的往往不是一个检波器，而是按一定间隔设置的一个检波器。每次激发，不同接收点的多个地震检波器同时接收。为了满足CT成像的技术要求，激发井和接收井采集一次后，激发和接收布置应互换井位，重新采集，以保证信息场的完整性。②透射CT成像技术透射层折成像原理可表示为：其中:t为透射波的传播时间(s)；V(X，z)是地层中透射波的传播速度(m/s)；Si是射线路径。Vi(X，z)可以通过求解上述公式得到，由它可以建立地层速度结构，即成像。用透射波传播时，寻找地层剖面的速度结构是标准的地震层析成像问题。透射CT成像的技术路线如图3-53所示。由于初至波可能同时包含直射波和折射波，因此需要采用直射和弯曲射线相结合的方法。图3-53透射CT技术路线图（3）地面凸起介质的透射地面凸起介质的勘探思路与井间透射法基本相同，但激发和接收所需的仪器设备完全用于地面地震勘探。通常使用单分量纵波或横波探测器。当剖面线厚度较小时，可以用直达波的思想计算凸介质的速度分布，类似于井间法，也可以用透射ct的思想反演速度分布场，透射CT技术一般用于不规则凸介质的速度成像，如大坡度的岩土山梁。2.反射波法反射波法在工程地震勘探中应用广泛。反射波会在各种具有弹性差异的界面上产生。反射波法主要用于探测断层，确定层状大岩层的速度和厚度。（1）反射波法观测系统在浅层反射波法野外数据采集中，为了抑制干扰波，突出有效波，可以根据不同情况选择不同的观测系统，应用最广泛的观测系统是广角测距观测系统和多覆盖观测系统。广角测距观测系统将接收点布置在临界点附近进行观测，因为在这个范围内反射波的能量相对较强，可以避免声波和表面波之间的干扰，尤其是对于“弱”反射界面。图3-54显示了同一界面的反射波振幅与位置之间的关系，显示了能量在临界点附近增加的特征。在实际工作中，广角测距观测系统和多覆盖观测系统经常结合使用，以获得良好的采集效果。临界点附近的最佳广角观测范围通常可以通过现场试验来确定。图3-54同一界面的反射波振幅变化特征多覆盖观测系统是根据水平叠加技术的要求设计的，因此首先引入了水平叠加的概念。水平叠加，又称共反射点叠加或共中心点叠加(图3-55)，是将不同激发点和不同接收点接收到的同一反射点的地震记录进行叠加，可以压制多次波和各种随机干扰波，从而大大提高信噪比和地震剖面的质量，提取速度等重要参数。多重覆盖观测系统是目前地震反射法中应用最广泛的观测系统。图3-55共反射点示意图具体而言，在选择偏移距离和检测距离之后，每个激发时间、激发点和整个阵列同时向前移动一段距离，直到测量到整个截面。为了便于在观测系统上找到共中心道集的位置，常用综合平面法来表示多覆盖的观测系统。如图3-56所示，在本观测系统中，炮点移动轨迹的数量计算如下：图3-56单边激发6次覆盖观测系统示意图其中:v为拍摄点移动轨迹数；n为排列的接收通道数；n为覆盖次数；d为激发点之间的距离(m)；S为常数，单侧激发S=1，双侧激发S=2；δx是检测距离(m)。此外，还有双边激发的多覆盖观测系统和三维观测系统，目前在浅震中很少使用。（2）反射波理论时距曲线1）水平界面的反射波时距曲线假设地下介质如图3-57所示，有水平波阻抗界面R，界面埋深H，界面上覆盖层波速为V1。O点激发产生的地震波传播到界面R后，一部分能量反射回地面D1、D2、D3等点接收反射点O*，通常称为虚源点。由于O点和O*点在界面上是对称的，所以在地面上接收到的反射波可以看作是波速V1充满整个空间的介质，与O*点发出的直达波相同，因此我们可以很容易地得到反射波的时距曲线方程如下：其中:t为接收反射波的时间(s)；V1是界面上覆盖层的波速(m/s)；h为界面埋深(h)；x是发射点和接收点之间的水平距离(m)。图3-57水平两层介质的反射波时距曲线示意图上式经移项后可得：以上公式为双曲方程。与T轴对称，最小点在焦点正上方。在激发点接收到的反射波时间t0称为双向垂直时间，即公式()中x=0时的t值。如果V1已知，则可以根据时间t0确定水平界面的埋深。从公式()可以看出，双曲线渐近线的斜率为，即当接收功率远离源O，即距离X足够大时，反射波时距曲线与直达波时距曲线重合，所以我们可以说直达波时距曲线是反射波时距曲线的渐近线。如果界面r同时为折射界面(即v2>v1)，则在xM点接收到以临界角入射的折射光线，这不仅是折射波的初始光线，也是反射波的光线，所以反射波和折射波的时距曲线在xM点相切，或者在该点有相同的传播时间。因此，在临界点附近，反射波会受到折射波的干扰。根据反射波时距曲线方程，其斜率(即视速度)的倒数可由下式求得：其中:V*为反射波时距曲线斜率的倒数(视速度)(m/s)。从上面的公式可以看出，在焦点附近，V*趋于无穷大，而在远离焦点的地方，V*趋于真速度V1。表观速度变化的原因在于反射波到达每个观测点的入射角不同。另外，可以看出，反射界面越深，视速度越大，时距曲线越平坦。2）倾斜界面的反射波时距曲线如图3-58所示，有一个倾斜的反射界面r，倾角ψ，V1覆盖层介质的波速。如果在o点激发，沿x方向观察反射波的传播时间，根据波射线传播原理和虚源法可以得到相应的时距曲线方程。图3-58倾斜界面的反射波时距曲线图同样，我们可以把测量线上任意一点D接收到的A点反射的波看作是虚源O*发出的直达波，那么反射波从源0到D点的传播时间；可以写成：其中:t为反射波从o源到d点的传播时间；O*D是o*点到D点的距离。。按照余弦定理可得：式中：ψ为界面R的倾角。（3）反射波资料处理及解释目前，浅层反射波法采集的野外资料通常是多覆盖观测系统获得的共激发点地震记录，除有效波外，往往还伴随着各种干扰波，无法进行直接的地质解释。因此，必须对这些数据进行滤波、校正、叠加等处理，得到可靠的反射波地震剖面，才能进行进一步的地质解释。在此基础上设计了反射波数据处理系统。1）反射波的资料处理系统随着微机技术的应用和发展，国内外一些部门和单位根据浅层反射波的特点开发了反射处理系统，并在生产实践中得到广泛应用，取得了良好的经济效益。2）反射波法资料解释对野外采集的地震数据进行处理后，得到的主要结果数据是水平叠加(或偏移)后的时间剖面。因此，它们是反射波资料地质解释的基础。一般来说，反射层的结构形式、接触关系和断层分布可以通过比较时间剖面上的波来确定。然而，这种地质解释的准确性往往受到许多因素的影响。首先是数据采集和数据处理的质量。高信噪比、高分辨率的时间剖面是保证解释质量的基本条件。在采集或处理中，方法或参数的选择不当也会影响地震剖面的质量，甚至造成伪影，影响解释的精度。此外，地震剖面的解释也受到分辨率的限制。①时间剖面的表示形式地震数据数字化处理后，得到的时间剖面如图3-59所示。图中纵轴垂直向下，表示t0时间，剖面两侧分别标注0ms、10ms、20ms坐标值作为对应的t0时间。每隔10ms有一条水平线，称为定时线。该坐标的值表示每个CDP点排列在地面上，两个CDP点之间的距离是磁道间距的一半。图3-59地震时间剖面实例图每个CDP轨迹的振动模式用波形线和可变面积显示法(使波形的正半圆为黑色)表示，不仅可以显示波形特征，而且可以更显著地显示不同强弱的波动景观，便于波形比较和同相轴跟踪。由于反射界面总是有一定的稳定延拓范围，来自同一反射界面的反射波形也有相应的稳定性，在时间剖面上形成了持续一定长度的清晰同相轴。由于地震波的双向传播时间与界面的正常深度大致成正比，因此根据同相轴的变化，可以定性地了解地层波动和地质构造的概况。但时间剖面不是反射界面的深度剖面，也不是地质剖面。必须经过一定的时深转换过程，才能进行定量地质解释。②反射波的对比识别在时间剖面上，反射层位通常是同相轴的形式。在地震记录上，同相的连线称为同相轴。因此，在时间剖面上对反射波的跟踪实际上变成了同相轴的比较。我们可以根据反射波的传播时间和波形相似性来识别和跟踪同一界面上的反射波。本文主要从幅频特性、波形相似性和同相性等方面对波形进行比较。这些标志不是相互孤立的，也不是一成不变的。反射波的波形、振幅和相位与许多因素有关。一般来说，激发和接收受地表条件的影响，会使同相轴由浅至深发生类似的变化，而与深部地震和地质条件变化有关的影响往往只使一个或几个同相轴发生变化。所以在波浪对比中，要善于分析研究各种影响因素，找出同相轴变化的原因，严格区分是地质因素还是地表等其他因素。另外，在时间剖面的识别中，除了规则界面的反射波外，还要对一些特殊波如多次波、绕射波、剖面波的特征有足够的了解，才能做出正确的地质解释。3）时间剖面的地质解释结合已知的地层条件和钻孔资料，在时间剖面上发现特征明显、易于连续追踪、具有地质意义的反射波同相轴，作为全区解释对比的标准层。在没有标准层的剖面中，相邻剖面的结构特征可以作为控制解释的参考。断裂带同相轴的变化特征主要包括:(1)反射波同相轴的错位；反射波同相轴突然增大或减小或消失；反射波同相轴突变，反射混乱或出现空白区；标准反射波同相轴发生分叉、合并、畸变和强相位转换；等等。上述特征是识别断层的重要标志，常伴有绕射波和剖面波。当断层特征明显，绕射波和剖面波清晰时，也可以从时间剖面确定剖面的产状要素。沉积岩层中的不整合面往往是侵蚀面，其波阻抗变化很大，因此反射波的波形和振幅也变化很大。特别是对于角度不整合，往往有多组反射波组，在时间剖面上视速度差异明显，沿水平方向逐渐合并并尖灭。此外，当地震地质条件复杂或处理过程中方法和参数选择不当时，时间剖面上的同相轴会出现突变，甚至造成假象、假结构和错误解释。我们必须注意在工作中避免这种情况。4）解释成果图件在对时间剖面和地质解释进行比较和识别之后，可以构建诸如深度剖面和结构图之类的图作为解释的结果。①深度剖面图深度剖面的构建是通过计算和处理将X〜t0坐标下的反射波转换成XH坐标下的地质构造，这是数据处理系统中引入的时深转换。假设在时间剖面上有一个反射波同相轴[图3-60(a)]，其平均速度已知为V，则D1、D2、D3等点对应的界面深度可由下式得到：其中:hi为di点的对应界面深度(m)；v是反射波的平均速度(m/s)；Toi是Di点接收反射波的时间。以D1、D2、D3等点为圆心，以相应的法向深度hi为半径，圆弧包络即为所需的反射界面，如图3-60(b)所示。需要指出的是，地震剖面线在地面上可以分布在不同的方向，反射界面的出现是一定的，所以需要的深度也是不同的。在计算反射界面深度时，通常分为正常深度、视深度和真实深度。图3-61显示了三个深度之间的几何关系。根据反射波的传播规律，所讨论的反射波是穿过X截面的射线平面(即图中穿过O、M、N点的平面)中的波信息。因此，当用地震方法得到剖面上O点的深度时，就得到射线平面上界面上O点到M点的距离，称为法向深度，用H表示..此外，还有从o点沿射线平面到界面的垂直距离，称为视深度，用hx表示，以及从o点到界面(射线平面外)的垂直深度，称为真深度，用hZ表示。图3-60t0法构制深度剖面示意图图3-61不同深度之间的几何关系图从图3-60可以看出，各种深度知觉有如下关系：其中:ψ为界面沿X方向的视倾角()；a为剖面x与界面倾向的夹角()；h、hX和hZ分别是正常深度、视在深度和真实深度(m)。②地震构造图地震构造图是以地震资料为基础，用等深线(或等深线)和地质符号绘制的平面图，用以表示某一地下层的起伏。它能反映山区某些地层的构造特征，是区域地震勘探的最终成果图。地震构造图的方法有两种:一种是用时间剖面数据绘制t0等值线图，经空间校正后转换成真实深度的地震构造图；另一种是根据地震深度剖面绘制等轴测深度构造图，然后转换成真实深度的地震构造图。3.折射波法折射波法是工程地震勘探中应用最广泛、最成熟的方法之一。当下介质速度大于上介质速度时，以临界角入射的地震波沿下介质界面滑动，同时在上介质中产生折射波。根据折射数据，可以可靠地确定基岩上覆盖层的厚度和速度，并根据各层的速度值判断岩性、压实度、含水率和地下潜水界面。基岩面的深度可以通过折射波法得到，折射波法是指新基岩界面的埋深。当基岩上部风化裂隙发育或风化层较厚时，新鲜基岩面形成坚硬稳定的地下岩层，可减少给工程带来危险的机会。此外，地层岩性也可以由界面速度值决定。折射波法可以准确圈定低速带，指示断层、断裂带、岩性接触带等。（1）折射波法观测系统1）测线类型根据不同的工作内容，可以选择不同类型的测线。常见的测线类型如图3-62所示。当激发点和接收点在一条直线上时，称为纵线。当激发点和接收点不在一条直线上时，称为非纵线。非纵线根据排列关系和相对位置的不同可以分为横线和弧线。在作品中，纵线是主线，非纵线一般只布置为辅助线。它可以解决一些特殊问题(如探测古河床和断裂带等。)在某些特定情况下弥补纵线的缺点。采用纵线观测时，根据线间组合关系的不同，可分为单支路时距曲线观测系统、遇时距曲线观测系统、多遇时距曲线观测系统和追逐时距曲线观测系统。时距曲线观测系统是根据地震波时距曲线分布特征设计的一种观测系统。在各种时距曲线观测系统中，遇到时距曲线观测系统是应用最广泛的。图3-62测线类型示意图2）相遇时距曲线观测系统相遇时间距离曲线的观测系统如图3-63所示。当在两端的O1点和02点激发同一个观测断面时，可以得到S1和S2两条相反的相遇时距曲线。交会时距曲线观测系统可以弥补单一方向时距曲线的不足，可以从不同方向反映界面的变化。图3-63中S1和S2的相遇时距曲线分别反映了界面的BC和CA剖面，BC剖面是S1和S2相遇时距曲线所反映的共同剖面，具有正反两个方向的信息，能够正确反映折射界面的变化。当工作条件或地下地质条件复杂，利用一般的相遇时距曲线无法得到目标层折射波的相遇剖面时，可在两端增加激发点，扩大观测剖面，采用图3-64所示的多次相遇时距曲线观测系统。在图中，S1、S2、S1、S4在不同的接收剖面上形成多条相遇时距曲线，而S3、S4、S1、S2则形成同一界面的平行追逐时距曲线。图3