基于模型正演模擬的地震數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方法

基于模型正演模擬的地震數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方法

1地震波照明度的概念眾所周知，在傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中，通常假設(shè)表面水平、地下界面水平以及界面上的平均平衡。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了野外觀測(cè)系統(tǒng)的覆蓋時(shí)間、位移距離和方位角分布。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于地表平坦,地下地層簡單的地區(qū)完全可行。然而,對(duì)于復(fù)雜的山地勘探,面對(duì)多層、高陡、不連續(xù)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu),地震波場(chǎng)的傳播已變得非常復(fù)雜,采集到的地震數(shù)據(jù)由于反射盲區(qū)的存在和各種噪聲干擾變得無法解釋。因此人們提出了面向地質(zhì)目標(biāo)、基于模型正演模擬的地震采集設(shè)計(jì)與論證地震勘探中人工激發(fā)地震波并接收地下界面的反射波數(shù)據(jù)相當(dāng)于地震波對(duì)地下界面的照明。在地震數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中,地震照明度就是在給定地質(zhì)模型、地層速度和觀測(cè)系統(tǒng)條件下獲得的反射界面偏移后的反射波能量分布本文主要針對(duì)山地復(fù)雜地表和復(fù)雜地下構(gòu)造的二維地震采集優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,利用惠更斯一菲涅耳原理和Kirchhoff積分波場(chǎng)研究地震波的入射和反射的能量分布特征。為了便于采集設(shè)計(jì)人員快速使用地震照明度分析成果,在地震照明度模擬中重點(diǎn)考慮施工測(cè)線中復(fù)雜地表和復(fù)雜構(gòu)造部位地震波的入射和反射特征。同時(shí)本文提出將地震照明度分解為炮點(diǎn)激發(fā)地震波對(duì)地下界面的照明度分析和地下反射界面對(duì)地表檢波器的照明度分析,由于地表震源對(duì)地下目標(biāo)層位的照明度可以確定目的層的反射能量,從而確定采集數(shù)據(jù)是否有足夠的信噪比;此外,從地質(zhì)界面對(duì)地表檢波器的照明度分布可以判斷地面排列采集反射能量的均勻性,從而確定地震數(shù)據(jù)偏移成像的分辨率和可靠性。通過這兩方面的地震照明度分析,可以幫助采集設(shè)計(jì)人員快速判斷觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣,并進(jìn)行合理有效的修改。2界面對(duì)界面的照明度計(jì)算根據(jù)惠更斯一菲涅耳原理及Kirchhoff積分波場(chǎng)研究可知,地震波傳播到每一個(gè)地質(zhì)界面的反射波場(chǎng)可表示為即第二個(gè)界面上p點(diǎn)的波場(chǎng)值是來自第一個(gè)界面上多個(gè)面元ξ為了更好地了解震源對(duì)地下界面的照射和盲區(qū)的分布,以及所接收的地質(zhì)目標(biāo)界面的反射能量,本文將震源激發(fā)的地震波場(chǎng)向下傳播到地質(zhì)界面上的能量稱為“震源對(duì)界面的照明度”,同理,將地下界面看成二次震源激發(fā)地震波場(chǎng)向上傳播到地表檢波器的能量稱為“界面對(duì)檢波器的照明度”。同樣利用式(1),可以分別計(jì)算震源對(duì)地下每一個(gè)地質(zhì)界面的照明度及每一個(gè)界面對(duì)地表檢波器的照明度。地震波從地表出發(fā)通過上覆介質(zhì)的傳播或透射,到達(dá)地質(zhì)目標(biāo)界面的每一個(gè)面元的能量即為震源對(duì)界面的照明。通過顏色可區(qū)分地震波照射在界面上的最強(qiáng)能量的位置和能量覆蓋的范圍。如果對(duì)一個(gè)地質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)和向下照射,即可觀察地震波能否到達(dá)地質(zhì)目標(biāo)的每一個(gè)面元,從而分析評(píng)價(jià)實(shí)際采集中目的層的有效性和地震資料的信噪比。界面對(duì)檢波器的照明,即地震波向下傳播到地下各個(gè)界面的每個(gè)面元的地震波能量經(jīng)過界面反射后作為新的二次震源,所有的面元同時(shí)向上傳播地震波,當(dāng)?shù)竭_(dá)上覆界面時(shí)再形成新的的震源,依次向上傳播直到到達(dá)地表的每一個(gè)檢波器。同樣如果對(duì)一個(gè)地質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)并向上照射,即可觀察地震波在地表檢波器的照射能量,從而分析評(píng)價(jià)實(shí)際采集的單炮記錄(即最小數(shù)據(jù)集)中地震波能量的均勻性,以及對(duì)地震偏移成像的質(zhì)量和分辨率的影響。圖1為由震源對(duì)界面的照明及界面對(duì)檢波器的照明圖示。(a)震源對(duì)地下目標(biāo)體的照明;(b)界面對(duì)地表檢波點(diǎn)的照明3地震照明度分析下面將利用惠更斯一菲涅耳波場(chǎng)疊加相干原理,對(duì)一個(gè)傾斜界面模型和一個(gè)實(shí)際的山地逆掩推覆構(gòu)造進(jìn)行地震照明度模擬分析,模擬不同炮點(diǎn)對(duì)地下界面的照明,以及界面反射能量對(duì)地表檢波器的照明。3.1地表能量的分布采集觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)為:道間距為50m,最小炮檢距為50m,排列道數(shù)為120道,排列不動(dòng)炮點(diǎn)從左到右共放了30炮,炮點(diǎn)每次移動(dòng)距離200m。激發(fā)震源為25Hz的雷克子波,2ms采樣,地下反射點(diǎn)距離為25m。圖2a為試驗(yàn)中的第一炮(相當(dāng)于左端放炮)激發(fā)后,地面震源對(duì)地下傾斜界面的照射。分析所有30炮的震源對(duì)界面的照明度圖可以看出,無論是端點(diǎn)放炮還是中間放炮,無論是上傾界面方向放炮還是下傾界面方向放炮,其照射的能量主要集中在震源到界面法線交點(diǎn)附近,遠(yuǎn)離最近距離點(diǎn)能量將會(huì)逐漸減弱(圖2a中兩層界面中代表能量強(qiáng)弱的顏色分布充分說明了這一點(diǎn)。淡藍(lán)色表示最大能量,黃色表示最小能量),當(dāng)然,界面的埋深不同,波場(chǎng)照射的范圍不同,淺層照射范圍小,深層照射范圍大。圖2b～圖2d顯示了其中三炮激發(fā)后,地下界面對(duì)地表檢波器照射的照明度圖。對(duì)于傾斜界面,在端點(diǎn)激發(fā)時(shí),由于傳播距離不同不能保證地表檢波器得到的反射能量相同,但隨著埋深的增大,地層傾角的減小,各道之間的能量差異有所減小。因此對(duì)于傾斜界面一般需要采用中間或不對(duì)稱激發(fā)方式。如圖2d所示,對(duì)于第二層界面,當(dāng)界面傾角為15°、炮點(diǎn)法線深度為1800m、下傾方向的第20炮激發(fā)時(shí),各道接收的能量基本上是均勻的(圖中黃色部分)。圖3a為四川盆地起伏地表的山地逆掩推覆構(gòu)造的地質(zhì)剖面,共有5層,其速度分別為5000m/s,6000m/s,6200m/s,6500m/s和7000m/s,右上角出露地表的推覆體與第五層介質(zhì)相同。在推覆體上設(shè)置了炮點(diǎn),中間放炮,布置了兩種排列方式:第一種為30m道間距,480道接收,最大炮檢距為7200m;第二種為20m道間距,600道接收,最大炮檢距為6000m。本文主要關(guān)注老地層推覆體出露地表區(qū)域,在地震采集時(shí)對(duì)下覆第三和第四層界面反射地震波的影響。震源對(duì)第三層界面的照射是從震源到界面法線的最短距離處往兩邊逐漸減小(圖3b),而對(duì)第四層界面的照射能量并不是均勻遞減的分布特征(圖3c)。圖3d和圖3e為界面對(duì)地表檢波器的照射能量圖,由圖可見,反射強(qiáng)能量集中在炮點(diǎn)右端地勢(shì)平坦區(qū)域,炮點(diǎn)左端地表起伏區(qū)域不能采集到足夠的反射能量。此外,在大排列觀測(cè)系統(tǒng)中,檢波器能夠得到更強(qiáng)的照射,說明上覆推覆體和傾斜地層造成深部反射波傳播到更遠(yuǎn)的區(qū)域才出射到地表?？梢妼?duì)于復(fù)雜地表和逆掩推覆構(gòu)造區(qū)的地震采集需要使用足夠大排列的觀測(cè)系統(tǒng),同時(shí)可采用加密炮點(diǎn)和增加覆蓋次數(shù)彌補(bǔ)對(duì)檢波器照射的不均勻性。4地震照明度計(jì)算的特點(diǎn)通過本文的研究可以得到如下的認(rèn)識(shí):(1)基于惠更斯—菲涅耳原理的Kirchhoff波場(chǎng)積分可以獲得精確有效的地下波場(chǎng)的入射和反射的能量分布特征,克服射線追蹤模擬研究照明度的不足,同時(shí)不需要復(fù)雜的波動(dòng)方程求解,易