论地震波速度在地震勘探中的应用

论地震波速度在地震勘探中的应用

论文提要

地震勘探是地球物理勘探中的一种重要的方法，始于19世纪中叶，近五十年来经历了光点记录、模拟磁带记录、数字磁带记录三个阶段，广泛的应用于石油和天然气资源勘查、煤田勘查、工程地质勘查、及某些金属矿的勘查等方面。地震勘探利用地震波在不同的岩石中的传播速度不同，研究地下的地质构造，判断油气藏等的可能储藏位置。在这个过程中，地震波速度是一个重要的参数，根据不同的实际情况，可将地震波速度分为均一速度、层速度、等效速度、叠加速度、均方根速度等具有不同意义的速度，可谓是贯穿整个地震资料处理的过程。正确的应用各种速度可以使所得资料更准确，更接近地下实际形态。

正文

一、地震勘探发展史

地震勘探是地球物理勘探中的一种最重要的方法。它的原理是由人工制造的强烈的震动（一般是在地下不深处的爆炸）所引起的弹性波在岩石中的传播时，常遇到岩层的分界面，便产生反射波或折射波，在它返回地面时用高度灵敏的仪器记录下来，根据波的传播路线和时间，确定发生反射波或折射波的岩层介面的埋藏深度和形状，认识地下地质构造，以寻找油气圈闭。

地震勘探始于19世纪中叶。1845年，R．马利特曾用人工激发的地震波来测量弹性波在地壳中的传播速度。这可以说是地震勘探方法的萌芽。在第一次世界大战期间，交战双方都曾利用重炮后坐力产生的地震波来确定对方的炮位。

反射法地震勘探最早起源于1913年前后R．费森登的工作，但当时的技术尚未达到能够实际应用的水平。1921年，J．C．卡彻将反射法勘探投入实际应用，在美国俄克拉何马州首次记录到人工地震产生的清晰的反射波。1930年，通过反射法地震勘探工作，在该地区发现了3个油田。从此，反射法进入了工业应用的阶段。

50-60年代，反射法的光点照相记录方式被模拟磁带记录方式所代替，从而可选用不同因素进行多次回放，提高了记录质量。70年代，模拟磁带记录又为数字磁带记录所取代，形成了以高速数字计算机为基础的数字记录、多次覆盖技术、地震数据处理技术相互结合的完整技术系统，大大提高了记录精度和解决地质的能力。

从70年代初期开始，采用地震勘探方法研究岩性和岩石孔隙所含流体成分。根据地震时间剖面振幅异常来判定气藏的“亮点”分析，以及根据地震反射波振幅与炮检距关系来预测油气藏的AVO（振幅随偏移距的变化，该技术利用CDP道集资料，分析反射波振幅随炮检距变化规律，估算界面的弹性参数柏松比，进一步推断地层的岩性和含油气情况）分析，已有很多成功的例子。从地震反射波推算地层波阻抗和层速度的地震拟测井技术，在条件有利时，可以取得有地质解释意义的实际效果。现代的地震勘探正由以构造勘探为主的阶段向着岩性勘探的方向发展。

中国于1951年开始进行地震勘探，并将其应用于石油和天然气资源勘查、煤田勘查、工程地质勘查、及某些金属矿的勘查。

二、与地震波速度有关的因素

地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成了一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波，所以地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波。地球内部存在着地震波速度突变的基干界面、莫霍面和古登堡面，将地球内部分为地壳、地幔和地核三个圈层（表1-1）。

表1-1 地球内部层圈波速表

地震勘探是以研究地震波在岩层中的传播规律为基础的，岩石的弹性性质（主要表现为地震波的传播速度）不同，地震波在其中的传播情况也就不同，地震勘探正式利用这种关系来研究地下地层的地质构造的。应用中的基本公式是H=1/2Vt，H是界面的深度，V是地震波的传播速度，t是地震波从地面垂直向下到界面在返回地面的旅行时，从这一基本关系式可以看到速度参数V的重要性。

而地震波在岩层中的传播速度和岩层的性质，如弹性常数或岩石的成分、密度、埋藏深度、地质年代，孔隙率等因素有关。一般说来，火成岩的地震波速度的变化范围比变质岩和沉积岩小，火成岩地震波速度的平均值比其他类型岩石的要高。大多数变质岩的地震波速度变化范围比较大。地震波速度在几种常见岩石中的变化范围可见表1-2。

表1-2 各类岩石的波速

从大量的资料（表1-3）可得出结论：地震波速度与岩石密度成正比，有时可把速度与密度表示成一种近似的线性关系，如某些石灰岩和砂页岩的关系可近似表示为：

V=6ρ-11

而地震波速度在沉积岩中的分布存在垂直梯度、水平梯度及成层分布等特点。

表1-3 各种岩石的波速和波阻抗

三、常用的几种地震波速度

地震波在地层中的传播速度是一个十分重要的参数，但又很难精确测定它的数值。根据生产工作的需要和地震勘探方法技术所能达到的水平，对极其复杂的实际情况作种种简化，建立各种简化介质模型，并引进了各种速度的概念。而且每种速度概念都有它的意义、引入的原因、计算或测定的方法以及适用范围等，不能混为一谈。

当地下介质均匀，界面水平时，地震波的传播速度不随深度变化，不随传播路径改变而发生变化，在界面上所有的各点处速度一样，故称做均一速度；界面倾斜时，根据实际速度与倾角的关系确定的替代速度称作等效速度。

水平层状介质情况下，地震波在每一层中传播速度不同，但同一层中速度不变，地

震波在某一层中的速度称为层速度。它直接反映地层的岩性，能用来划分地层。由于此时地震波的传播时间和距离之间并不是简单的二次双曲线的关系，所以当炮检距较小或为零时，可将地下介质简单化，用地震波在地层中垂直传播的总时间除地层总厚度求出的平均速度代替层速度。若把反射波实际曲线近似地当作双曲线，则求出的波速称作这一水平层状介质的均方根速度。

而在对地震记录进行共反射点叠加时，能得到最佳叠加效果的速度称作叠加速度。叠加速度是射线参数P（t pi=z i/[v i(1-p2v i2)1/2] , 其中z是深度，p是射线参数，v是速度,t是时间）的函数，也是炮检距的函数，且随炮检距的增大而增大。

通常地震波速度的测量方法包括声波测井的直接测量法和地震勘探数据的间接测量法，根据这两方面的信息，可以得到以上这些不同物理意义和用途的地震速度。四、地震波速度在地震勘探中的应用

在资料处理和解释的过程中，速度在许多环节都是一个重要的参数。例如，在进行动校正时，要有叠加速度资料；进行偏移叠加时，要有偏移叠加速度。时深转换时，要有平均速度资料。通过速度谱分析，获得叠加速度，进而求取均方根速度、层速度。

由于在原始的野外地震记录中非零炮检距道上的波至时间与零炮检距道上的时间存在差值，所以在地震资料处理中需要校正时差，这个消除接收点偏离炮点而形成的时差的过程称为动校正。只要在动校正方程中采用了正确的速度，就能校正不同炮检距的双曲线的影响（如表1-4）。

表1-4 各种地层模型的NMO速度

在速度分析中，对一个CMP道集用一系列速度重复对道集作动校正，每校正一次得到一张图像，当所用速度高于介质速度，那么双曲线不能完全拉平，称之为欠校正；反之，所用速度低于介质速度，那么就得到过校正的结果；而使道集的反射波曲线拉得最平的速度就是叠前最佳动校正速度（如图1-1）。

图1-1 动校正速度的选择对动校正效果的影响

以上这种速度分析的方法称为速度扫描法，该方法精度高，但是工作量大；而对于速度谱不好或者地下地形复杂的地区可采用常速叠加法。

对于多个相邻的CMP 道集用一系列常速度进行校正叠加，叠加后同相轴振幅强且连续性好的所对应的速度即所求速度，这个过程称为常速叠加法。在选择该方法所用的速度时，除了要预计地下实际速度可能的范围以外，还应该考虑到叠加数据所需要的速度范围和试验这些叠加速度采用的间隔大小。在范围选择上，要考虑倾斜同相轴和有用的非平面反射，它们可能具有非常高的叠加速度。在选择等速度间隔时，应考虑到是按照不同炮检距上的动校正时差，不是按照速度来做速度估计，这样可防止对高速同相轴形成过密采样和对低速同相轴欠采样。

与常速叠加法相比，速度谱是根据CMP 道集中地震道的互相关而不是叠加同相轴的横向连续性，因此比常速叠加法更适应于处理具有多次反射问题的数据，但不太适合于解决复杂构造问题。

做速度谱的原理是：对共反射点时距曲线t 2

=t 02

+x 2

/v α2

固定t 0选取v αj 计算t i ，按t i 取各道记录振幅相加，当选定速度等于叠加速度 v α时，计算时间与实际记录时间的同相轴一致，由于同相叠加故振幅增大，如果选定速度不等于叠加速度时，计算时间与实际记录时间同相轴一致，不能同相叠加，振幅减小，一系列速度中，叠加振幅最大的即所求的叠加速度。

由于地幔中的某一个圈层的岩石强度减弱，导致该层地震波速度较之地幔的最外层减弱6%，一般为每秒数百米，该层称为低速层。若在低速带中激发，能量将被大量消耗，频率降低，低速带底面又是一个强反射面，可以形成多次反射。而且低速带使地震波到达时间观测点的时间延迟，当其厚度或速度变化较大时，观测时间的精度将大受影响，甚至使波形歪曲。同时，地表的不规则变化也会影响反射时间。这时，必须进行低速带的时间校正。这种消除地表高程影响及浅层低降速带影响的过程称为静校正。

在地震资料处理中，原始地震记录中由地下界面的构造复杂性引起的时差，绝大部分可通过野外静校正予以消除，而往往它们不包括地形突变、风化层基地和风化层速度变化的影响，这些影响必须通过剩余静校正加以消除。经野外静校正的CMP道集利用速度分析（作速度谱）中所提取的一组初始速度进行动校正，由于此时的动校正速度不准确以及存在地表、低速区域的变化影响，故应做剩余静校正。经过剩余静校正，旅行时间有偏差的CMP道集的反射排列得好多了，而那些不需要这种校正的道保持不变，同时，增强和未增强的叠加剖面上的反射连续性，都有了改进，并明显消除了假构造。紧跟着剩余静校正要重做速度分析，以更新速度提取，利用更新速度再次做动校正。最终动校正后的CMP道集才能进行叠加偏移，得到的各反射点的同相轴的连线即反映了地下界面的基本形态。

由上述处理过程可知，地震波速度在勘探中占有重要的地位，可以说贯穿整个地震处理的过程。

同时地震波速度又是最直接用于岩性解释的地震参数之一，如应用纵横波速度比划分岩性和检测油气、利用速度资料估算砂泥岩百分比等。处理后的地震信息经过地震解释可转变成地质成果，如做出构造解释、地层解释，岩性和烃类检测解释及综合解释，绘出有关的成果图件，对测区作出含油气评价，提出钻井位置等。

五、地球物理勘探的发展方向

地球物理勘探需要引进现代电子计算器技术，进一步压制干扰，提高分辨能力，提取更多的有用信息，发展反演的理论和技术，提高各类地质问题的地球物理解释、推断效果并不断提高地球物理数据处理的工作效率和图像处理技术。地球物理勘探仪器要向轻便化、高精度、多功能、数字化、系列化和智能化的方向发展。现代地质学理论的发展，使深部地质问题的研究愈显重要。应用于这方面研究的人工地震反射剖面、大地电磁测深、重力、磁法、地热等地球物理勘探方法，已显示出其潜力和优越性。

参考文献

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