浅层三维横波地震勘探方法研究

?煤田物探?

文章编号:100121986(2001)0420050203

浅层三维横波地震勘探方法研究

霍全明1,程增庆2,付金生2,勾精为2

(11中国矿业大学,北京　100083;21中国煤田地质总局物探研究院,河北涿州　072750)

摘要:通过对横波传播规律及运动形式的数学模型、物理模型及实测数据的研究,发现横波与纵波一样具有三维波场的特性,利用横波的这一特点就可以进行三维横波的野外观测。经大量实际资料表明,利用三维横波资料可以解释埋于地下5～40m 深度范围内的空洞及古巷道,同时能对地层进行精确地分层。关　键　词:工程地质;三维横波;地震勘探中图分类号:P 31513+1 文献标识码:A

1　引言

浅层横波速度约为纵波的二分之一到六分之一,浅层横波的低速度、短波长等特点使其具有较好的分辨能力的优点,一般情况下可以在5～50m 的深度范围内取得较好的效果。

在浅层工程地质勘探中目的层的埋深一般小于100m ,此时纵波的观测窗口较小,而横波的观测窗口相对要大一些。对于浅层土层,土层骨架横波速度为100～800m s ,土层骨架纵波速度为300～1500m s ,当土层孔隙中充满流体水时,土层纵波速度迅速上升到1400m s 以上,而土层横波速度基本保持不变甚至有下降的趋势。因此当潜水位较浅时浅层地震勘探中有一种现象:纵波的波阻抗界面少于横波的波阻抗界面,这种机理在深层油气藏的勘探中也得到过成功的应用。

2　三维横波地震勘探的模型研究

地震波在固体地层中传播的性质直接与岩石的力学性质有关。地下岩层始终处在岩体静压力、构造应力和瞬变应力的作用下,前两种力在短时间内是不变的,只有瞬变应力产生地震波的传播。在震源区以外的岩层由于受到小应力的瞬时扰动,其形变与外力成线性关系,外力消失,介质复原。在地震勘探中这种传播地震波的岩层称为弹性介质,连续弹性的波动方程已由前人推导如下:

Θ

52

u 5t

2=Λ 2

u +(Κ+Λ)5Η5x ,Θ52v 5t 2=Λ 2v +(Κ

+Λ)5Η5y ,Θ

52Ξ5t 2=Λ 2

Ξ+(Κ+Λ)5Η5z , 2=

52

x 2+52

y 2+5

2

z 2

,Η

=5u 5x +5v 5y +5w

5z

,式中 2——拉普拉斯算子;

　Η——体胁变;　Θ——介质密度;

Λ,Κ——拉梅常数。

波动方程所描述的弹性波(纵波和横波)的位移量是一种空间物理场,也就是说它是x 、y 、z 、t 的函数。从波动方程出发得到的横波波场是x 、y 、z 、t 的函数,据此就可以像观测三维纵波一样可观测三维横波。由于弹性波场中存在纵波、横波、转换波和面波,进行三维横波地震勘探时除横波以外其它类型的波均被视为干扰波。当弹性介质中某一部分受到外力作用发生切变时,由于切变和切向弹力的互相作用,使质点成层的发生振动,显然如果施加作用力的条件(即震源及其作用的介质)是完全对称的,则不会产生横波。如果采用对质点运动方向有限制的震源,并利用对一个方向的质点运动具有方向灵敏度的检波器,就能够激发和接收到具有一定方向的偏振波(横波)。横波在一定条件下会发生偏振,所谓偏振就是当横波通过时,如果质点都在一个方向上运动,则称横波是在该方向上偏振。这样,横波就可分为两类,质点在入射平面内振动的波叫垂直偏振横波,用SV 表示;质点在垂直于入射平面的方向上振动的波叫水平偏振横波,用SH 表示。

图1对横波三维波场做了数学和物理模拟。从图1c 中可以看出,在小角度区SH 波的波场的幅度和相位一致性是较好的,随着辐射角度的增加,反射SH 波的幅度值变得越来越小,其幅值满足A 2=A 0co s Η规律(Η为辐射角)。从图1d 中可以看出,地震特征一致性较好的区间为17142°～139136°,图中显示在纵测线两侧约60°区间内的横波特征的一致性和纯净性(干扰)均较好。从物理模型和计算模型的结果不难得出如下结论:SH 横波波场同纵波场一样具有三维空间特征,但

SH 横波波场的辐射特征较纵波的复杂,在观测三维SH 横波

时,不宜采用太大的非纵偏移距方能保持横波的干扰较小的特点。

收稿日期:2000211212

作者简介:霍全明(1960—),男,山西人,高级工程师,主要从事煤田地球物理勘探工作1

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05?煤田地质与勘探

COAL GEOLO GY &EXPLORA T I ON V o l .29N o.4

A ug .2001

图1　横波三维波场数学和物理模拟结果图

a ——地质模型示意图;

b ——观测系统;

c ——计算得到的极化SH 横波地震波场;

d ——物理地震模型时间剖面

3　三维横波波场的野外观测

在从地震模型得到三维横波波场特征的认识后,进行了三维横波波场的野外试验观测(图2)。长排列上共布置36道,道距2m ,圆排列上共布置36道,道距1135m 。长排列波场与圆排列波场中的反射波是一一对应的,120m s 、190m

s 和300m s 处的反射波信噪比较高。图中长排列为纵排列观测到的横波记录,分辨率高、信噪比也高,在图的左下方有一组规则干扰波;右图为圆排列观测到的横波记录,37道是0°处观测到的,72道是180°处观测到的,54道为90°处,54道为纵排列处的记录道。直达波比较单纯的区间是47道至65道之间,而反射横波一致性和干扰较小的区间是45道至67道之间,直达波在纵测线两侧4615°的区间内一致性较好,反射横波在纵测线两侧5615°的区间内一致性较好且干扰较小。在非纵距变大时波场较复杂且干扰波越来越复杂。

图3是不同地表条件下取得的三维横波单炮记录,图3a 是草坪地表取得的,图中110m s 、190m s 、280m s 处的反射波信噪比较高,直达波的视速度为360m s ,在100m s 处的叠加速度为140m s ,在200m s 处的迭加速度为200m s ,在

280m s 处的叠加速度为320m s 。这种自上而下速度逐渐递

增的速度规律与地层的差异压实作用是相符合的;图3b 是水泥地表取得的单炮记录,浅层地表混凝土厚38c m ,土层速度为330m s ,直达波的视速度为938m s ,反射波的迭加速度为620m s ,显然地表的混凝土对地震波起到了一定的制约作用;图3c 是厚沥青地表取得的横波记录,沥青厚度42

c m ,直达波的视速度为638m s ,

反射波的迭加速度为410m s ;图3d 是薄沥青地表取得的单炮记录,直达波的视速度

为420m s ,反射波的迭加速度为380m s 。

4　应用实例

通过三维横波的波动理论分析及波场的研究与观测,设计了适合浅层三维横波地震勘探的野外观测系统,借鉴三维高分辨率纵波地震勘探的成果,对激发及接收等参数进行了

图2　在草坪地表条件下进行的波场调查

野外试验,利用纵波的一些处理软件进行处理。图4是三维横波的系列时间剖面,该剖面的信噪比和分辨率均较高,最浅的目的层埋深为612m ,612m 深的界面为砾石层顶界,砾石层底界埋深为1216m ,砾石层内幕有一些杂乱的反射。图

5是在沥青地表条件下获得的地震时间剖面,图中A 处为一

充填的地下水渠绕射波(充填物为混凝土),充填渠道的直径为018m ;图中B 处为一水渠空腔,空腔高约016m ,宽约115

m ,空腔绕射波强于充填水渠的绕射波。5　结束语

本文从波动理论、数学模型、物理模型及野外的实例观测系统地研究了三维横波的激发、传播规律及特征,建立了一整套三维横波地震勘探的设计、采集、处理及解释系统。在多种地表条件下取得了高信噪比的浅层三维横波地震资料。

?

15?第4期霍全明,程增庆等:浅层三维横波地震勘探方法研究

图3　不同地表条件下取得的三维横波单炮记录

a ——草坪地表取得的记录;

b ——水泥地表取得的记录;

c ——厚沥青地表取得的记录;

d —

—薄沥青地表取得的记录

图4　三维横波的系列时间剖面

1——砾石层顶界面反射波;2——砾石层底界反射波。

系统研究了浅层三维横波地震勘探的数据采集方法,设计制造了具有简便、高效、安全的浅层横波震源,并在野外取得了大量的浅层横波资料。确定的浅层三维横波的数据处理流程,经处理解释获得了地下5～50m 深度范围内的高信噪比的浅层反射信息,得到了地下埋深20m 以浅的直径大于

016m 的地下空洞及水渠的绕射波和浅层地层横向变化特

征等小构造的反射信息。参考文献

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图5　沥青地表条件下获得的地震时间剖面

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The research on sha llow three -d i m en siona l tran sverse wave m ethod of se is m ic explora tion HU O Q uan 2m ing 1,CH EN G Zeng 2qing 2,FU J in 2sheng 2,GOU J ing 2w ei

2

(1.Ch ina U n iversity of M in ing T echno logy ,B eijing 100083,Ch ina ;2.R esearch In stitu te of Coal Geop hysics Exp lo rati on of Ch ina A dm in istrati on of Coal Geo logy ,Zhuozhou 072750,Ch ina )

Abstract :T h rough the research on m athem aticalmodel ,physicalmodel and real data of the dissem inati on ru le and mo ti on fo rm of tran sverse w ave ,it is founded that tran sverse w ave has the sam e characteristic in th ree 2di m en si onal w ave field of longitudinal w ave .In the ligh t of th is featu re ,field ob servati on on th ree 2di m en si onal tran sverse w ave can be done .A great deal of p ractical data show that ,u sing the data of th ree 2di m en si onal tran sverse w ave can exp lain the cavity and ancien t lane ,bu ried at the dep th of 5～40m and can stratify p recisely the layers si m u ltaneou sly .Key words :engineering geo logy ;th ree 2di m en si onal tran sverse w ave ;seis m ic exp lo rati on

?25?煤田地质与勘探第29卷