物探新方法新技術(shù)--本科課程第一章

1、物探新方法新技術(shù)1 地震模擬技術(shù)在地震資料解釋過程中，常常需要根據(jù)地震解釋結(jié)果建立地層模型。這種模型是真實(shí)地層的簡(jiǎn)化，只考慮影響地震剖面的主要因素。制作模型的技術(shù)就是地震模擬技術(shù)，包括物理模擬和數(shù)學(xué)模擬。地震模擬技術(shù)是指用物理模型和數(shù)學(xué)模型代替地下真實(shí)介質(zhì)，用物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)計(jì)算模擬地震記錄的形成過程，以得到理論地震記錄的各種方法和技術(shù)。地震模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于地震理論研究領(lǐng)域，并能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。1.1 物理模擬物理模擬是用一些已知參數(shù)的介質(zhì)做成一定幾何形態(tài)的模型來模擬地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用超聲波模擬地震波，專用換能器模擬震源和檢波器，將野外地震勘探過程在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重現(xiàn)，得到理論地震記錄的方法和技術(shù)。

2、物理模擬的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際情況接近，真實(shí)性和可比性高；缺點(diǎn)是模型制作和改變參數(shù)均困難、成本較高。有些地質(zhì)現(xiàn)象十分復(fù)雜，幾乎不能用理論方法去解決，所以有時(shí)需要用縮小了的物理模型進(jìn)行模擬，見圖11。但是如果希望模擬結(jié)果真實(shí)可靠，模型必須從幾何地震學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)各個(gè)方面都與所模擬的地質(zhì)系統(tǒng)相似。圖11 地震模擬槽為使物理模型觀測(cè)到的波場(chǎng)特征與野外觀測(cè)到的波場(chǎng)特征一致，要求模型與被模擬系統(tǒng)具有幾何相似性和物理相似性(運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué))。幾何相似性是指用相應(yīng)的比例將地質(zhì)模型縮小，各層的傾角與實(shí)際地層的傾角相同，就可以滿足物理模型與地質(zhì)系統(tǒng)的幾何相似性。如果長(zhǎng)度方向縮小的比例為，則面積縮小的比例就是，體積縮

3、小的比例就是。物理相似性則要求模型材料與地層介質(zhì)的物性參數(shù)具有相似性，以便獲得與野外記錄相似的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。運(yùn)動(dòng)學(xué)相似性考慮的是時(shí)間比，需要模型在位置和形狀上與實(shí)際地質(zhì)體產(chǎn)生相似的響應(yīng)，速度與加速度比分別為和。動(dòng)力學(xué)相似性考慮的是質(zhì)量分布比，則密度比為。與維數(shù)無關(guān)的參數(shù)(例如泊松比)必須與實(shí)際地質(zhì)體在數(shù)學(xué)上相同。例如可以建立一個(gè)用表示的模型，則模型的長(zhǎng)度比例為。實(shí)際上，所用的模型材料限制了地震速度，模型與真實(shí)地層的速度比只能限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，即。由于已經(jīng)選擇了，所以只能限制。如果模型材料與真實(shí)地質(zhì)體具有相同的速度，即，則所使用的震源頻率就是實(shí)際勘探中所使用的震源頻率的倍(頻率比等于

4、)。制作模型的材料密度與實(shí)際地質(zhì)體的密度基本相同，由于密度比，所以質(zhì)量比為。圖12為美國(guó)Geoquest公司利用物理模擬手段證明菲涅爾帶的影響，其中道間距為，主頻為，菲涅爾帶半徑為。圖12(a)為地質(zhì)模型，圖12(b)為沿測(cè)線A在箱型構(gòu)造上方的地震記錄，圖12(c)為沿測(cè)線B離箱型構(gòu)造處的地震記錄。補(bǔ)充：French三維模型試驗(yàn)1.2 合成地震記錄制作合成地震記錄的假設(shè)條件是：(1) 地下介質(zhì)是水平層狀的，無巖性橫向變化，各層間密度變化不大，均可視為常數(shù)；(2) 地震子波以平面波形式垂直向下入射到界面，各層反射波的波形與子波波形相同，只是振幅和極性不同；(3) 所有波的轉(zhuǎn)換、吸收、繞射等能量損

5、失均不考慮。圖12 箱型構(gòu)造的物理模擬制作合成地震記錄的步驟是：(1) 獲得反射系數(shù)反射系數(shù)曲線波阻抗曲線根據(jù)假設(shè)(1)，可用速度曲線代替波阻抗曲線。通常用聲速測(cè)井資料即可，但某些地區(qū)無聲速測(cè)井資料，也可利用電測(cè)井資料獲得聲速資料(法斯特公式) (1-1)(2) 地震子波的選擇選用不同的子波來制作合成記錄，與井旁的地震道比較，選擇最接近的一個(gè)。(3) 不考慮多次波及透射損失情況地震子波與地層反射系數(shù)的褶積為合成記錄 (1-2)(4) 不考慮多次波，但考慮透射損失情況 (1-3)式中 時(shí)刻并考慮以上各界面透射損失的等效反射系數(shù)。例如第個(gè)界面的等效反射系數(shù)為(5) 考慮多次波及透射損失情況 (1-

6、4)式中 時(shí)刻并考慮多次波與以上各界面透射損失的等效反射系數(shù)。圖13為合成地震記錄的示意圖。利用合成地震記錄，對(duì)地震剖面上的地質(zhì)層位進(jìn)行標(biāo)定，但不可能完全匹配。二維合成地震記錄對(duì)垂直傳播和零偏移距沒有限制?？梢阅M繞射現(xiàn)象，也可以模擬與偏移距有關(guān)的初至、波形和振幅，同時(shí)考慮了波型轉(zhuǎn)換。圖13 合成地震記錄煤田地震勘探中的層位標(biāo)定問題。1.3 地震數(shù)值模擬1.3.1 概述地震數(shù)值模擬(Seismic Numerical Simulation or Seismic Numerical Modeling)是在假定地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和相應(yīng)物理參數(shù)已知的條件下，模擬研究地震波在地下各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律，計(jì)

7、算地面或地下各點(diǎn)地震記錄的一種地震模擬方法。地震數(shù)值模擬是地震勘探的重要基礎(chǔ)，在資源勘探、工程勘探和環(huán)境地球物理方面得到廣泛應(yīng)用。地震數(shù)值模擬與地震物理模擬同屬于地震正演過程，即已知地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和相應(yīng)物理參數(shù)，預(yù)測(cè)地面或地下各點(diǎn)的地震記錄。而地震勘探為地震反演過程，即利用地面或地下各點(diǎn)的地震記錄來推導(dǎo)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(包括構(gòu)造和巖性)。地震反演是建立在地震正演基礎(chǔ)上的，因此地震數(shù)值模擬不僅可以進(jìn)行地震正演模擬研究，同時(shí)也是地震反演的基礎(chǔ)。地震數(shù)值模擬方法可以歸納為地震波方程數(shù)值解法、積分方程法和射線追蹤法三大類。不同的地震數(shù)值模擬方法基于不同的波動(dòng)方程表達(dá)方式。地震波方程數(shù)值解法是建立在以

8、彈性或粘彈性理論和牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的雙曲型偏微方程地震波傳播方程的理論基礎(chǔ)上的。由于地下介質(zhì)性質(zhì)不同，其相應(yīng)的地震波傳播方程也不同，包括聲學(xué)介質(zhì)中的聲波波動(dòng)方程；彈性介質(zhì)中的彈性波波動(dòng)方程；粘彈性介質(zhì)中的粘彈性波波動(dòng)方程；孔隙彈性介質(zhì)(雙相或多相介質(zhì))中的雙相(或多相)介質(zhì)彈性波波動(dòng)方程；各向異性介質(zhì)中的各向異性彈性波波動(dòng)方程等。積分方程法是建立在惠更斯原理為基礎(chǔ)的波疊加原理基礎(chǔ)上的，其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為波動(dòng)方程的格林函數(shù)域積分方程式和邊界積分方程式。射線追蹤法是建立在以射線理論為基礎(chǔ)的波動(dòng)方程高頻近似理論基礎(chǔ)上的，其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為程函方程和傳輸方程。1.3.2 地震數(shù)值模擬方法及其特點(diǎn)地震數(shù)值模擬

9、是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、可視化建模技術(shù)將一定規(guī)模的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和復(fù)雜巖性建立二維、三維地質(zhì)地球物理模型，見圖14。為了實(shí)現(xiàn)地震數(shù)值模擬，必須對(duì)地質(zhì)地球物理模型和地震波方程離散化。地質(zhì)地球物理模型的離散化是通過對(duì)模型的空間剖分實(shí)現(xiàn)的。空間剖分方法可分為兩種：正交網(wǎng)格剖分和非正交網(wǎng)格剖分。正交網(wǎng)格在平面上是矩型網(wǎng)格，而非正交網(wǎng)格在平面上是三角型網(wǎng)格和不規(guī)則四邊型網(wǎng)格。對(duì)于地下介質(zhì)，非正交網(wǎng)格剖分可以充分考慮到地下介質(zhì)分布的幾何形態(tài)，不受邊界幾何形態(tài)的限制。因此，基于非正交網(wǎng)格剖分的數(shù)值模擬方法優(yōu)于基于正交網(wǎng)格剖分的數(shù)值模擬方法。圖14 地震數(shù)值模擬方法示意圖模型空間的離散必然帶來地震波場(chǎng)的離散，即

10、把連續(xù)的地震波動(dòng)問題變成離散的地震波動(dòng)問題。地震波方程離散化的目的是：用較小的逼近誤差表示離散波場(chǎng)的空間微分。圖15表示地震數(shù)值模擬各種概念之間的關(guān)系。圖15 地震數(shù)值模擬各種概念之間的關(guān)系地震模擬技術(shù)從20世紀(jì)60年代以來得到飛速發(fā)展，形成了有限差分法、有限元法、虛譜法、積分方程法和射線追蹤法等各種數(shù)值模擬方法。有限差分法是偏微方程的主要數(shù)值解法之一。該方法通過有限差分算子將波動(dòng)方程離散化，以差分代替微分，將微分方程問題變成代數(shù)問題，然后求解相關(guān)的線性代數(shù)方程組以獲得微分方程問題的數(shù)值解。差分算子是一個(gè)空間局部算子，其空間分辨較高，適用于劇烈變化的地下介質(zhì)情況，而頻率分辨率卻很低。算法的穩(wěn)定

11、性和收斂性受空間采樣率和時(shí)間采樣率的影響，但運(yùn)算速度很快?；谧兎衷砗推史植逯档挠邢拊紤]的是分段近似，比較適用于復(fù)雜地質(zhì)條件，其算法復(fù)雜，計(jì)算速度慢。算子也是空間局部算子，具有高空間分辨、低頻率分辨率的特點(diǎn)。虛譜法是偏微方程的另一種數(shù)值解法，利用傅里葉變換將波動(dòng)方程變換到時(shí)間波數(shù)域中求解。由于傅里葉變換是基于整個(gè)時(shí)間域和空間域的，改變空間中某一點(diǎn)的值就會(huì)改變波數(shù)域中的所有值，即每一點(diǎn)的微分結(jié)果都要受到計(jì)算域中其它點(diǎn)的影響。因此，不適用于復(fù)雜地質(zhì)條件。虛譜法在頻率域的分辨率高，在時(shí)間域的分辨率低。以上三種地震數(shù)值模擬算法各有所長(zhǎng)，對(duì)于三維復(fù)雜構(gòu)造、復(fù)雜地質(zhì)體和復(fù)雜巖性地震模擬而言，交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)

12、高階有限差分法其綜合性能(占內(nèi)存大小、模擬精度、計(jì)算效率和并行算法實(shí)現(xiàn))最好，是最實(shí)用的方法。1.3.3 地震數(shù)值模擬三維建模進(jìn)行地震數(shù)值模擬時(shí)，必須首先建立地質(zhì)地球物理模型。為了準(zhǔn)確地建立地震數(shù)值模擬所需的地質(zhì)地球物理模型，要根據(jù)工作地區(qū)的地質(zhì)、鉆井、地震、測(cè)井和巖石物理資料，進(jìn)行綜合分析，確定地質(zhì)地球物理模型。三維建模過程見圖16。圖16 建立地質(zhì)地球物理模型三維建模的關(guān)鍵技術(shù)包括：(1) 對(duì)三維復(fù)雜地質(zhì)體的有效描述； (2) 三維空間內(nèi)的交互編輯； (3) 三維空間插值；(4) 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和拓?fù)鋵W(xué)應(yīng)用。1.4 應(yīng)用實(shí)例1.4.1 謝橋煤礦2002年，在謝橋煤礦東二采區(qū)三維地震勘探工作

13、中，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)北部13-1煤層露頭以外有兩個(gè)“異常帶”，圖17是“異常帶”在偏移剖面上的反映。在“異常帶”處作速度譜，發(fā)現(xiàn)在時(shí)間350至500毫秒段的層速度較低，見圖18。理論地震記錄的計(jì)算在地震勘探解釋工作中起著愈來愈重要的作用，特別是在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)。由于波動(dòng)方程從本質(zhì)上描述了波的傳播，通過對(duì)波動(dòng)方程求數(shù)值解，可以制作人工理論合成的地震記錄。首先根據(jù)“低速異常帶”在偏移剖面上的反射特征和在速度譜上的低速特性，設(shè)計(jì)了“低速異常帶”地質(zhì)模型，見圖19。圖17 “異常帶”在偏移剖面上的反映圖18 “異常帶”在速度譜上的反映圖19 “低速異常帶”地質(zhì)模型“低速異常帶”地質(zhì)模型長(zhǎng)度1200m，CDP間距

14、5m，共計(jì)241道。模型中對(duì)地層進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅僅考慮了新生界地層、煤系地層和8煤的三個(gè)層位。在新生界地層底界面有一個(gè)150m的楔形體進(jìn)入煤系地層，即相當(dāng)于在8煤層上方有一個(gè)低速體。表11給出“低速異常帶”地質(zhì)模型的參數(shù)。表11 “低速異常帶”地質(zhì)模型的參數(shù)地層厚度(m)速度(m/s)傾角(°)新生界地層36040018002煤系地層400440360028煤3220012.5本次工作中，利用ProMax地震資料處理系統(tǒng)中的有限差分模塊對(duì)“低速異常帶”地質(zhì)模型制作了理論地震記錄，其中采樣間隔1ms，記錄長(zhǎng)度600ms，選用Ricker子波，主頻為60Hz。制作過程中，楔形體高度為變量，

15、分別取60m、80m、100m、120m和150m，對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算得到理論地震記錄，見圖110。然后將理論地震記錄與實(shí)際偏移剖面進(jìn)行對(duì)比，找到最佳擬合的結(jié)果。地震正演結(jié)果表明，楔形低速體的高度在100120m左右。圖110 “低速異常帶”模型的理論地震記錄通過以上分析，配合地震正演模型計(jì)算的結(jié)論，可以排除“低速異常帶”是由資料處理因素造成的。經(jīng)過綜合論證，認(rèn)為這一現(xiàn)象是由于地下低速體造成的。1.4.2 東灘煤礦東灘煤礦某采區(qū)二維地震勘探發(fā)現(xiàn)了斷層，但是在巷道掘進(jìn)時(shí)未見斷層，煤層是連續(xù)的。分析其原因，是煤層上覆介質(zhì)變化而造成的。圖111是東灘煤礦地質(zhì)模型，長(zhǎng)度1000m，CDP間距10m，共計(jì)

16、101道。模型中考慮了新生界地層、煤系地層、侏羅系地層(巖漿巖)和3煤等四個(gè)層位。表12給出東灘煤礦地質(zhì)模型的參數(shù)。圖112是東灘煤礦地質(zhì)模型的理論地震記錄，可以明顯看出速度變化造成的解釋陷阱。表12 東灘煤礦地質(zhì)模型的參數(shù)地層厚度(m)速度(m/s)傾角(°)新生界地層20018000煤系地層60036000侏羅系地層100450003煤522000圖111 東灘煤礦地質(zhì)模型圖112 東灘煤礦地質(zhì)模型的理論地震記錄1.4.3 錢營(yíng)孜煤礦2008年，在錢營(yíng)孜煤礦東一采區(qū)三維地震勘探工作中，發(fā)現(xiàn)F17逆斷層組，落差達(dá)300m，見圖113。但是，在巷道掘進(jìn)過程未見斷層，而是撓曲構(gòu)造，地層由10°突變?yōu)?0°。圖113 F17逆斷層的地震記錄利用地震模擬技術(shù)設(shè)計(jì)了F17逆斷層的地質(zhì)模型，見圖114。F17逆斷層“地質(zhì)模型長(zhǎng)度1000m，CDP間距10m，共計(jì)101道。模型中僅考慮