近地表精细地质模型及探测技术
发布网友
发布时间：2022-04-25 12:29
共1个回答
热心网友
时间：2024-01-07 08:37
以往常规三维地震勘探只对采集工区的近地表进行简单的小折射、单井微测井或双微测井调查，简单求取试验点位的表层速度、速度界面和潜水面等资料，而且试验点密度稀疏、精度低，不利于指导后续的激发和静校正处理。高精度地震勘探对野外地质调查工作要求越来越高：不仅要求查清近地表速度和厚度界面，还必须查清近地表介质的岩性、吸收衰减品质因子、物性参数等变化。因此，研究和总结一套精细近地表调查方法十分必要。
（一）冲积平原表层介质特性及地震响应
1.近地表因素对地震波场的影响
地表到低速带底界包含了地表自由面、低速带底界的强反射面和低速地层。
1）低速带对波场结构的影响
低速带底界是速度差较大的界面，一方面会产生折射波，同时也使激发波场复杂化。地震勘探通常选择在此界面附近激发。激发点与离界面的距离不同，则近源波场不同，因为点震源激发出的波为球面波。若震源离水平反射面很近，球面与水平面相互作用，产生明显的首波效应，形成Schmidt波，其中既包含均匀波，又包含非均匀波，如图4-1所示，该模型上层速度为800m/s、下层速度为2000m/s。
图4-1 折射面对激发波场的影响
2）低速带对地震波下传能量的屏蔽作用
设计一个三层约30m近地表模型，层速度分别为514m/s、1005m/s和1538m/s，下伏地层速度2200m/s。模型及其模拟结果如图4-2所示。低速带引起能量的屏蔽，造成下传能量变弱，同时引起地表噪声，自由表面加剧了这一现象，使得地震资料质量变差。
图4-2 折射面对激发波场的影响
（弹性波垂直分量）
3）低速带对地震波场的吸收作用
当地层的品质因子小于50时，地层对地震波能量的吸收较严重。而当品质因子大于100后，地层吸收衰减作用变得很小。通过对胜利探区的研究和分析，得出了其速度和品质因子的拟合关系：中深层为Q=23.96×v1.78，浅层为Q=4.93×v4.45，可看出，浅层Q值随速度的变化比深层更剧烈。
综上所述，近地表吸收强、底界反射系数大，不利于能量下传。当然，表层速度低导致透射系数大，振幅加大，使入射线向垂直方向弯曲，垂直分量增强，并且振幅放大是全频带的，但它并不能弥补吸收作用的缺陷，因为吸收具有滤波效应，高频成分吸收严重。
2.近地表对地震波能量的吸收效应分析
在前面认识的基础上，针对研究区近地表Q值随深度变化规律，建立符合胜利探区的近地表Q值模型，并进行波场模拟。
图4-3中给出了3组Q值随深度变化关系，从Q值的变化规律可以看出：在研究探区内，存在Q值随深度跃变模型，存在Q值随深度渐变模型，也存在Q值随深度逐渐增加模型。根据上述数据设计了一个层状介质模型，其中地表模型分为5层，层厚度、P波速度、密度、Q值大小如表4-1所示。
图4-3 探区三组典型的Q值随深度变化曲线图
表4-1 模型层位数据
图4-4为模型波场快照和单炮记录，粘弹性介质考虑了实际介质对地震波的吸收衰减作用。可以看出，反射波振幅明显减弱，同相轴能量变弱，并且对高频的吸收作用比对低频的吸收作用强。
为了定量分析吸收衰减因子对地震波振幅能量的耗损程度，从单炮记录中抽取多道数据进行分析，见图4-5。可以看出，在相同激发中心频率情况下，正演波场能量都随着偏移距增大而减小，且含Q模型的衰减更快，在近地表速度场模型下，远道接收的波场能量大约是不含Q模型时能量的2.5倍，近道接收的波场能量大约是不含Q速度模型的1.5～1.8倍。
图4-4a 120ms波场快照
（左：不含Q模型；右：含Q模型）
图4-4b 主频60Hz单炮记录
（左：不含Q模型；右：含Q模型）
图4-5 各道振幅能量衰减变化图
（左：不含Q模型；右：含Q模型）
（二）精细近地表探测技术
表层结构调查方法分为多种，通过对各种方法进行分析比较，形成了速度分层技术、岩性探测技术、岩土物性参数岩性分层技术等高精度表层结构参数调查技术系列。依据工区特点优选一种或多种合适的近地表调查方法，充分发挥不同方式的优点，可以较好地获得低降速层的埋深、速度和岩性资料。
1.精细近地表岩性探测与分层技术
主要以动力岩性探测、静力岩性探测、近地表岩性测井进行综合探测标定。
目前地质勘探调查工作中所采用的动力探测浅层取心方法都是不完整和不连续的采样取心，取出来的泥心有相当程度的压缩和扰动，不满足地震勘探要求。通过对连续性、扰动性、压缩性等影响取心因素综合分析，结合野外实际施工条件和对取心器的使用要求，设计了半合管薄壁取心器作为连续取心器，它的拆装式半合管取心筒能非常方便快速地提取泥心。
静力探测是用静力将一个内部装有传感器的探头匀速地压入土中，传感器将大小不同的阻力通过电信号输入到记录仪记录下来，再利用贯入阻力与土的工程地质特征之间的相关关系确定土的岩土参数。适用于粘性土、粉土、砂土及含少量碎石的土层。根据阻力、摩擦力变化与岩土性质的关系对近地表岩性进行标定（表4-2）。
表4-2 岩土岩性qc-H、Rf－H曲线特征表
近地表测井方法是将静力探测技术和测井技术有机结合，获取qc、Rf和GR值，进行近地表岩性的准确求取。
淤泥：qc≤1.35，IGR＞85%；
泥：Rf＞0.2973qc+1.6，IGR＞85%；
砂质泥：0.2973qc+1.6≥Rf＞15.932fs+0.5591，50%＜IGR＜85%；
泥质砂：15.932fs+0.5591≥Rf＞0.1013qc+0.32，15%＜IGR＜50%；
砂：Rf≤0.1013qc+0.32，qc＞2，IGR＜15%。
2.近地表速度精细探测与分层技术
以往常规的小折射、微测井方法是根据纵波速度变化对近地表低速层、降速层、高速层进行划分，本书在常规方法的基础上完善了面波、横波微测井速度分析方法。
1）面波法
面波法是利用瑞雷面波的频散特性研究表层结构的方法。面波频散曲线反映了面波排列范围内面波波速随深度的变化，因此，对于不同类型的频散曲线进行分析解释，可推断其对应的近地表模型。在水平层状介质中，不同频率的瑞雷波有不同的波长，其相速度VR的变化反映了不同深度内介质平均性质的改变。从观测的瑞雷波资料中提取瑞雷面波的频散曲线，确定表层介质的厚度和速度参数（图4-6）。
2）横波微测井
横波微测井一般采用单孔检测的地表激发孔中接收，即地面激发以产生弹性波，孔内由检波器接收弹性波。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生Sh波，利用剪切波震相差180°的特性可识别S波的初至时间，在孔口附近垂向激发产生P波（图4-7）。
图4-6 面波资料分层解释图
图4-7 横波微测井单炮记录
（上：x分量；下：y分量）
P波与S波具有以下明显特征：①P波传播速度较S波快，P波为初至波；②在激振板两端分别作水平激发时，S波相位反向，而P波相位不变；③在距井口一定深度后，P波振幅变小，频率变高，而S波幅度相对较大，频率相对较低；④最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离，以避免浅部高速地层界面可能造成的折射波影响。
通过对三分量地震资料偏振分析，三分量地震资料从震源传到三分量检波器的第一个直达P波，其质点运动方向与波传播方向一致，在由震源和检波点确定的垂直平面内，这种直达P波的偏振是线性的，它在水平面内的投影也是直线。这样，就可以用直达波偏振方向在水平面内的投影作为参考，测出三分量检波器观测时水平分量的相对方位，并可将观测到的水平分量的信号转换到以直达P波偏振方向在水平面内投影为参考的一致坐标系，即在以直达P波偏振方向在水平面内的投影为参考的坐标系中完成纵、横波分离，从而计算出纵横波的速度和厚度参数。
3.近地表岩土参数测试与分析技术
地震勘探中，表层介质岩性对野外激发参数的选取具有很大的指导意义。
在计算土的物理性质指标时，通常认为土是由空气、水和土颗粒三相组成。实验室对岩性取心的土样进行含水率w、密度Gs、重度、干重比、孔隙比e0、饱和度Sr、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、液性指数IL、粘聚力c、内摩擦角、压缩系数a1－2、压缩模量Es等14种参数进行了测试，并进行了聚类回归分析。
1）近地表测量原始数据的交汇分析
对不同种类岩土岩性数据的两两交汇分析，挑选出近地表调查数据中与岩土岩性存在相关性的数据，进行后续聚类统计回归分析。对所有微测井数据进行了两两交汇分析，筛选出干重比、孔隙比、塑性指数、液性指数、压缩系数和压缩模量6组参数。
2）近地表调查测量数据的聚类统计回归分析
对上述6组参数进行聚类统计回归分析，得到以下统计经验关系式：
F(1)=3230.958A1+25947.173A2－100.413A3+572.814A4－176.199A5－13.849A6－33677.52
F(2)=3222.085A1+25969.414A2－99.182A3+561.174A4－153.138A5－13.659A6－33579.61
F(3)=3291.434A1+26678.434A2－103.223A3+558.876A4－110.215A5－12.591A6－35192.
参数如下：F(1)，F(2)，F(3)为三种分类的概率。F(1)为粉土；F(2)为粉质粘土；F(3)为淤泥质粉质粘土；A1：干重比；A2：孔隙比；A3:塑性指数；A4：液性指数；A5：压缩系数；A6：压缩模量。
4.近地表连续追踪探测技术
随着地震勘探的不断深入，复杂地表条件和精细近地表建模要求激发参数逐点设计，这就需要对整个探区近地表结构进行连续调查。
1）地质雷达方法
地质雷达调查表层结构就是向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲，电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。地质雷达信号处理和解释方法与反射地震法大体相同，前者为高频电磁波和物质的电磁特性，后者为弹性波和物质的弹性特性。地质雷达方法可以多次探测，通过叠加压制干扰，得到一个连续的剖面。通过剖面的解释，可以显示表层结构形态，再结合表层取心可以获得表层岩性特征。
2）地震映像方法
地震映像法采用的是地震反射波的共偏移距单道接收技术，野外数据采集时，采用单点放炮、单点或多点接收方式，每激发一次就记录一道，激发点和接收点沿着测线不断地同步移动，最后将记录存储，得到一张由多次观测得到的多道等偏移距的地震映像剖面。由于所选偏移距较小，因此它是一张近自激自收直接成像的地震反射时间剖面。另外一种方法是采用计算机对共炮点记录进行自动选排，也可以获得各种偏移距的共偏移距剖面(地震映像剖面)。
地震映像法采集的是近震源波场信息，因此可获得分辨率较高、反射能量较强的地震映像剖面，并能够清晰地反映出地下各岩层的起伏形态以及构造分布特征。图4-8是潍北地区一条地震映像剖面，野外施工道距1m、偏移距1m。根据剖面解释，低速层界面埋深约2.3～3.2m，降速层界面埋深约13.2～14.3m，结果与小折射、微测井、岩性取心对比，误差非常小（表4-3）。
5.探测方法适应性分析
通过分析认为，在冲积平原覆盖区，具备大面积、高密度推广使用的方法主要有小折射、单井微测井、岩性探测、近地表测井等。动力探测与双井微测井可作为辅助标定方法进行联合应用，岩土参数测试可以获得近地表物性参数，多波微测井可有效获取地震横波信息，是多波勘探的必要方法，地质雷达、地震映像可以进行近地表结构连续追踪（表4-4）。
图4-8 潍北地区地震映像60～120Hz滤波剖面
表4-3 潍北地区表层结构调查成果对比表
表4-4 不同表层调查方法评价表
（三）近地表多参数精细建模技术
近地表多参数精细建模是综合低降速带厚度、速度、潜水面、表层岩性、物性和吸收衰减等参数，构建精确的近地表多参数模型指导野外的激发和后续静校正处理工作。首先是建立精细的表层模型；其次是设计人员在表层模型上逐点设计激发参数，然后将每个井位的激发参数输出，指导野外施工人员钻井施工；另一方面，通过建立准确的近地表模型，为后续处理工作提供多属性静校正量，开展基于不同静校正模型的精细处理。
1.近地表速度、厚度、岩性模型
利用研究的工作流程，构建精细近地表厚度、速度、岩性模型，应用模型进行了激发参数的设计输出（图4-9、图4-10）。
图4-9 激发点地表位置
图4-10 激发井深设计
2.近地表吸收衰减Q值反演建模
近地表吸收衰减Q值反演主要对单井微测井和双井微测井资料进行进一步分析，在频散非常严重的粘弹介质中，频率对吸收的影响不可忽略。鉴于此，并考虑通过衰减与频率之间的关系进行衰减估计，质心频率偏移法更适合近地表的吸收衰减特征。通过计算震源点、接收点的质心频率及其方差，建立两者之间的关系式，利用质心频率偏移计算地震波衰减响应。结合近地表速度反演结果，利用所得的品质因子构建低降速带Q值模型，为后续近地表一致性高频补偿提供了准确基础资料。
通过对第四系冲积平原覆盖区发育和形成的研究，得到了冲积平原第四系地层沉积结构、沉积岩性及分布规律，建立了现代冲积平原浅层沉积模式。通过对多种近地表调查方法进行测试，岩性取心、双井微测井和静力触探在冲积平原覆盖区探测精度较高，使表层调查精度得到了提升，形成了一套精细近地表建模技术，建立的精细近地表结构模型，为激发井深的选取和静校正量计算打下良好基础。
