物探新方法新技術(shù)本科課程第一章綜述

物探新方法新技術(shù)--本科課程第一章綜述物探新方法新技術(shù)--本科課程第一章綜述21/21物探新方法新技術(shù)--本科課程第一章綜述物探新方法新技術(shù)地震模擬技術(shù)在地震資料講解過程中，常常需要依照地震講解結(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，以獲得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)質(zhì)生產(chǎn)。物理模擬是用一些已知參數(shù)的介質(zhì)做成必然幾何形態(tài)的模型來(lái)模擬地下地質(zhì)構(gòu)造，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)，獲得理論地震記錄的方法和技術(shù)。物理模擬的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)質(zhì)情況湊近，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，幾乎不能夠用理論方法去解決，因此有時(shí)需要用減小了的物理模型進(jìn)行模擬，見圖1—1。但是若是希望模擬結(jié)果真切可靠，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1—1地震模擬槽為使物理模型察看到的波場(chǎng)特點(diǎn)與野外察看到的波場(chǎng)特點(diǎn)一致，要求模1物探新方法新技術(shù)型與被模擬系統(tǒng)擁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)的比率將地質(zhì)模型減小，各層的傾角與實(shí)質(zhì)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。若是長(zhǎng)度方向減小的比率為，則面積減小的比率就是2，體積減小的比率就是3。物理相似性則要求模型資料與地層介質(zhì)的物性參數(shù)擁有相似性，以便獲得與野外記錄相似的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)學(xué)相似性考慮的是時(shí)間比，需要模型在地址和形狀上與實(shí)質(zhì)地質(zhì)體產(chǎn)生相似的響應(yīng)，速度與加速度比分別為/和/2。動(dòng)力學(xué)相似性考慮的是質(zhì)量分布比，則密度比為/3。與維數(shù)沒關(guān)的參數(shù)(比方泊松比)必定與實(shí)質(zhì)地質(zhì)體在數(shù)學(xué)上相同。比方能夠建立一個(gè)用10cm表示1km的模型，則模型的長(zhǎng)度比率為104。實(shí)質(zhì)上，所用的模型資料限制了地震速度，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/1。由于已經(jīng)選擇了，因此只能限制。若是模型資料與真實(shí)地質(zhì)體擁有相同的速度，即104，則所使用的震源頻率就是實(shí)質(zhì)勘探中所使用的震源頻率的104倍(頻率比等于1/)。制作模型的資料密度與實(shí)質(zhì)地質(zhì)體的密度基真相同，由于密度比/31，因此質(zhì)量比為1012。圖1—2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85m，主頻為30Hz，菲涅爾帶半徑為280m。圖1—2(a)為地質(zhì)模型，圖1—2(b)為沿測(cè)線A在箱型構(gòu)造上方的地震記錄，圖1—2(c)為沿測(cè)線B離箱型構(gòu)造150m處的地震記錄。補(bǔ)充：French三維模型試驗(yàn)制作合成地震記錄的假設(shè)條件是：地下介質(zhì)是水平層狀的，無(wú)巖性橫向變化，各層間密度變化不大，均可視為常數(shù)；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，可是振幅和極性不相同；2物探新方法新技術(shù)所有波的變換、吸取、繞射等能量損失均不考慮。圖1—2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R(t)波阻抗曲線z(v,)依照假設(shè)(1)，可用速度曲線代替波阻抗曲線。平時(shí)用聲速測(cè)井資料即可，但某些地區(qū)無(wú)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)v(h)2103(h)1/6(1-1)(2)地震子波的選擇采用不相同的子波來(lái)制作合成記錄，與井旁的地震道比較，選擇最湊近的一個(gè)。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b(t)*(t)s(t)(1-2)不考慮多次波，但考慮透射損失情況b(t)*(t)s(t)(1-3)3物探新方法新技術(shù)式中(t)——t時(shí)辰并考慮以上各界面透射損失的等效反射系數(shù)。比方第n個(gè)界面的等效反射系數(shù)為nn(1n21)(1n22)(112)考慮多次波及透射損失情況b(t)*(t)s(t)(1-4)式中(t)——t時(shí)辰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1—3為合成地震記錄的表示圖。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，但不能能完好般配。二維合成地震記錄對(duì)垂直流傳和零偏移距沒有限制。能夠模擬繞射現(xiàn)象，也能夠模擬與偏移距相關(guān)的初至、波形和振幅，同時(shí)考慮了波型變換。圖1—3合成地震記錄煤田地震勘探中的層位標(biāo)定問題。4物探新方法新技術(shù)地震數(shù)值模擬(SeismicNumericalSimulationorSeismicNumericalModeling)是在假設(shè)地下介質(zhì)構(gòu)造模型和相應(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)中的流傳規(guī)律，計(jì)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)境地球物理方面獲得廣泛應(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)構(gòu)造模型和相應(yīng)物理參數(shù)，展望地面或地下各點(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(lái)推導(dǎo)地下介質(zhì)構(gòu)造模型(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)值模擬不但能夠進(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)值模擬方法能夠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。不相同的地震數(shù)值模擬方法基于不相同的顛簸方程表達(dá)方式。地震波方程數(shù)值解法是建立在以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——地震波流傳方程的理論基礎(chǔ)上的。由于地下介質(zhì)性質(zhì)不相同，其相應(yīng)的地震波流傳方程也不相同，包括聲學(xué)介質(zhì)中的聲波顛簸方程；彈性介質(zhì)中的彈性波顛簸方程；粘彈性介質(zhì)中的粘彈性波顛簸方程；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)彈性波顛簸方程；各向異性介質(zhì)中的各向異性彈性波顛簸方程等。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)形式為顛簸方程的格林函數(shù)域積分方程式和界線積分方程式。射線追蹤法是建立在以射線理論為基礎(chǔ)的顛簸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。地震數(shù)值模擬是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、可視化建模技術(shù)將必然規(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1—4。為了實(shí)現(xiàn)地震數(shù)值模擬，必定對(duì)地質(zhì)—地球物理模型和地震波方程失散化。地質(zhì)—地球物理模型的失散化是經(jīng)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，5物探新方法新技術(shù)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)格剖分能夠充分考慮到地下介質(zhì)分布的幾何形態(tài)，不受界線幾何形態(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1—4地震數(shù)值模擬方法表示圖模型空間的失散必然帶來(lái)地震波場(chǎng)的失散，即把連續(xù)的地震顛簸問題變成失散的地震顛簸問題。地震波方程失散化的目的是：用較小的逼近誤差表示失散波場(chǎng)的空間微分。圖1—5表示地震數(shù)值模擬各種看法之間的關(guān)系。圖1—5地震數(shù)值模擬各種看法之間的關(guān)系地震模擬技術(shù)從20世紀(jì)60年代以來(lái)獲得飛速發(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。該方法經(jīng)過有限差分算子將顛簸方程失散化，以差分代替微分，將微分方程問題變成代數(shù)問題，爾后求解相關(guān)6物探新方法新技術(shù)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，合用于激烈變化的地下介質(zhì)情況，而頻率分辨率卻很低。算法的牢固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，比較合用于復(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，擁有高空間分辨、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，利用傅里葉變換將顛簸方程變換到時(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)果都要碰到計(jì)算域中其他點(diǎn)的影響。因此，不合用于復(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)值模擬算法平分秋色，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，交叉網(wǎng)絡(luò)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，是最合用的方法。進(jìn)行地震數(shù)值模擬時(shí)，必定第一建立地質(zhì)—地球物理模型。為了正確地建立地震數(shù)值模擬所需的地質(zhì)—地球物理模型，要依照工作地區(qū)的地質(zhì)、鉆井、地震、測(cè)井和巖石物理資料，進(jìn)行綜合解析，確定地質(zhì)—地球物理模型。三維建模過程見圖1—6。圖1—6建立地質(zhì)—地球物理模型三維建模的要點(diǎn)技術(shù)包括：7物探新方法新技術(shù)對(duì)三維復(fù)雜地質(zhì)體的有效描述；三維空間內(nèi)的交互編寫；三維空間插值；地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和拓?fù)鋵W(xué)應(yīng)用。2002年，在謝橋煤礦東二采區(qū)三維地震勘探工作中，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1—7是“異常帶”在偏移剖面上的反響。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1—8。理論地震記錄的計(jì)算在地震勘探講解工作中起著愈來(lái)愈重要的作用，特別是在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)。由于顛簸方程從實(shí)質(zhì)上描述了波的流傳，經(jīng)過對(duì)顛簸方程求數(shù)值解，能夠制作人工理論合成的地震記錄。第一依照“低速異常帶”在偏移剖面上的反射特點(diǎn)和在速度譜上的低速特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“低速異常帶”地質(zhì)模型，見圖1—9。圖1—7“異常帶”在偏移剖面上的反響8物探新方法新技術(shù)圖1—8“異常帶”在速度譜上的反響圖1—9“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5m，共計(jì)241道。模型中對(duì)地層進(jìn)行了簡(jiǎn)化，可是考慮了再生界地層、煤系地層和8煤的三個(gè)層位。在再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1—1給出“低速異常帶”地質(zhì)模型的參數(shù)。表1—1“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(°)再生界地層360～40018002煤系地層400~440360028煤322009物探新方法新技術(shù)本次工作中，利用ProMax地震資料辦理系統(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，采用Ricker子波，主頻為60Hz。制作過程中，楔形體高度為變量，分別取60m、80m、100m、120m和150m，對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算獲得理論地震記錄，見圖1—10。爾后將理論地震記錄與實(shí)質(zhì)偏移剖面進(jìn)行比較，找到最正確擬合的結(jié)果。地震正演結(jié)果表示，楔形低速體的高度在100~120m左右。圖1—10“低速異常帶”模型的理論地震記錄經(jīng)過以上解析，配合地震正演模型計(jì)算的結(jié)論，能夠消除“低速異常帶”是由資料辦理因素造成的。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。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。解析其原因，是煤層上覆介質(zhì)變化而造成的。圖1—11是東灘煤礦地質(zhì)模型，長(zhǎng)度1000m，CDP間距10m，共計(jì)101道。模型中考慮了再生界地層、煤系地層、侏羅系地層(巖漿巖)和3煤等四個(gè)層位。表1—2給出東灘煤礦地質(zhì)模型的參數(shù)。圖1—12是東灘煤礦地質(zhì)模型的理論地震記錄，能夠明顯看出速度變化造成的講解騙局。表1—2東灘煤礦地質(zhì)模型的參數(shù)地層厚度(m)速度(m/s)傾角(°)再生界地層2001800010物探新方法新技術(shù)煤系地層60036000侏羅系地層100450003煤522000圖1—11東灘煤礦地質(zhì)模型圖1—12東灘煤礦地質(zhì)模型的理論地震記錄11物探新方法新技術(shù)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1—13。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°突變成70°。圖1—13F17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1—14。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