基于Tesseral2D的水下砂體地震正演計算

謝磊磊蔣甫玉常文凱

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

基于Tesseral2D的水下砂體地震正演計算

謝磊磊，蔣甫玉，常文凱

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

基于水下砂層與圍巖的波阻抗差異，應(yīng)用地震波數(shù)值模擬軟件Tesseral2D建立含有水、粉細(xì)砂、礫砂和礫巖的起伏地層模型，在不同的道間距、最小偏移距、子波頻率以及不同巖體波速條件下分別對該模型進(jìn)行正演計算。一般情況下，在震源頻率為400Hz、最小偏移距為5 m、道間距為1 m或2m時，地震波響應(yīng)明顯、同相軸清晰、干擾波較少，水下地層界面反映良好。進(jìn)一步結(jié)合南京長江第二大橋橋址區(qū)的地質(zhì)資料，建立含有水、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂、砂礫卵石和礫巖的水下砂層模型，應(yīng)用Tesseral2D軟件對該模型進(jìn)行正演研究。結(jié)果表明，在震源頻率為400 Hz、道間距為2m以及最小偏移距為5m時，地震響應(yīng)能很好地反映水下各巖層界面，特別是能較明顯地圈定水下砂層的厚度和分布范圍，為實際水下砂體的地震勘探提供理論依據(jù)。

水下砂層；Tesseral2D軟件；地震正演模型；正演計算；彈性波方程；南京長江第二大橋水下地層

砂是一種再生速度緩慢的資源，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，各類基礎(chǔ)設(shè)施和重大工程建設(shè)方興未艾，作為混凝土細(xì)骨料的砂，其需求量與日俱增［1?2］。因為砂礦資源主要賦藏于水下，所以對水下砂體進(jìn)行有效勘探，探明砂層的儲量和分布范圍顯得尤為重要［3?4］。目前，對水下砂體的勘察常采用水上鉆探和靜力觸探相結(jié)合的方法，但是在水上搭建操作平臺時具有危險性，且由于測點布置少、不連續(xù)，使其難以確定水下砂體的準(zhǔn)確厚度和連續(xù)分布范圍［5］。因此，開展快速有效地探測水下砂層的研究是促進(jìn)我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)。

地震勘探是利用各巖層的波阻抗差異進(jìn)行勘探的地球物理方法［6］，是地球物理勘探中最重要、最有效的一種方法［7］。淺層地震勘探具有勘探精度高、分層能力強(qiáng)、所需震源能量和勘測場地要求較小等優(yōu)點［8］。目前，淺層地震勘探在城市隱伏斷層的勘察［9］、資源勘查［10］、巖土工程勘察［11］、水利工程檢測［12］等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。遺憾的是，應(yīng)用淺層地震對水下砂層厚度和分布范圍的勘探，目前國內(nèi)外還未見相關(guān)文獻(xiàn)報道。眾所周知，地震響應(yīng)的機(jī)理是各巖石的彈性參數(shù)存在差異，在分辨率允許的范圍內(nèi)，具有不同波阻抗的巖層之間的界面都將呈現(xiàn)不同的地震波響應(yīng)［13］。地震波幾乎囊括了地下所有地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特征的信息，但是如何“讀懂”這些地震波場信息卻是一個長期困擾地震學(xué)家的難題［14］。為了提高野外地震勘探的工作效率，進(jìn)行室內(nèi)正演模擬計算以確定觀測系統(tǒng)參數(shù)顯得尤為重要。

本文運(yùn)用Tesseral2D軟件建立含有水、粉細(xì)砂、礫砂、礫巖的起伏地層模型，通過設(shè)置不同的道間距、最小偏移距、子波頻率以及巖石彈性參數(shù)并進(jìn)行正演計算，比較不同參數(shù)的設(shè)置對地震響應(yīng)的影響。然后結(jié)合南京長江二橋橋址區(qū)的水下砂體分布情況，建立水下砂層模型并進(jìn)行正演計算，探討該模型的波場分布特征。

1 地震正演模擬的基本原理

常規(guī)的地震波場正演方法主要有幾何射線法和波動方程法，前者可以精確計算地震波的射線路徑和旅行時間等運(yùn)動學(xué)特征，但對于一些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖性信息容易產(chǎn)生盲區(qū)；波動方程模擬法著重考慮地震波動力學(xué)性質(zhì)，能夠更逼真地模擬得到復(fù)雜地層的地震波場特征［15］。考慮水下巖層復(fù)雜的賦存狀態(tài)，本次研究采用基于有限差分法的二維全波場數(shù)值模擬軟件Tesseral2D，其基本計算公式如下［5］：

式中各項符號的意義見文獻(xiàn)［5］。

2 水下起伏地層的地震波響應(yīng)

在野外地震勘探過程中，地震資料采集的效果受到震源頻率、道間距、最小偏移距、震源子波頻率、巖體彈性參數(shù)等因素的影響，這些參數(shù)設(shè)置合理與否直接決定了地震勘探的成敗。為了提高野外勘探的工作效率，有必要進(jìn)行模擬計算以確定合理的觀測系統(tǒng)參數(shù)。因此，在模擬計算水下砂層模型之前，應(yīng)用Tesseral2D軟件建立水下起伏地層的地質(zhì)模型（圖1）以及各巖土體的彈性力學(xué)參數(shù)（表1）。

首先探討道間距分別為1m、2m、3m時的地震響應(yīng)（這里地震記錄是指反射面震源生成的相當(dāng)于零偏移距的地震記錄）。由正演計算結(jié)果（圖2）可知，各地震響應(yīng)圖基本都能反映出各巖層界面，隨著道間距逐漸增大，下伏地層的地震響應(yīng)效果逐漸變差，同相軸變模糊。同時，從觀測目標(biāo)的橫向變化來看，當(dāng)?shù)篱g距為1m、2m時，巖層起伏形態(tài)明顯，特別是楔形體反映得很清楚；當(dāng)?shù)篱g距為3 m時，干擾波增多，下層礫砂的頂界面逐漸變模糊以致無法分辨。

接下來探討最小偏移距分別取5 m、10 m、15 m時的地震響應(yīng)，正演計算結(jié)果見圖3。從圖3可看出，地震響應(yīng)基本能反映各巖層界面，但隨著偏移距的逐漸增大，下伏地層界面同相軸不明顯，難以劃分地層。同時，從觀測目標(biāo)的橫向變化來看，當(dāng)最小偏移距為5 m時地震響應(yīng)同相軸清晰、連續(xù)，各巖土體層的起伏形態(tài)明顯；隨著偏移距的增大，干擾波增加，地震響應(yīng)的同相軸逐漸變模糊、不連續(xù)，增加了劃分地層的難度。

震源子波頻率關(guān)系著地震勘探的深度和精度，通過設(shè)置不同的震源子波頻率觀察正演計算地震響應(yīng)的區(qū)別，可為實際野外勘探參數(shù)的設(shè)置提供重要的理論參考。震源子波頻率分別設(shè)為300 Hz、400 Hz、500 Hz時，正演計算結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，子波頻率為300Hz時，在70～120 m、140～160 m處存在干擾波，容易誤導(dǎo)成此處有地層分界；子波頻率為400Hz時，各巖層界面清晰，同相軸明顯；隨著子波頻率的增大，雖然分辨率增大，但干擾波也增多，而且同相軸變得不清晰。

巖土體波阻抗的大小影響著地震響應(yīng)的好壞，所以在正演計算中，巖土體彈性參數(shù)的設(shè)置顯得尤為重要。設(shè)置各巖土層波速分別相差700m／s、500m／s、300m／s時，正演計算結(jié)果見圖5。從圖5可看出，雖然設(shè)置的各巖土體波速有差異，但地震響應(yīng)的各巖土體層的分界面比較清楚，當(dāng)相鄰巖土體波阻抗差異越大，其地震響應(yīng)越明顯，同時干擾波相應(yīng)增加。

3 水下砂層正演模擬計算

考慮水下砂層的實際賦存情況，本次研究結(jié)合南京長江第二大橋橋址區(qū)的水下砂體分布狀況。該橋址區(qū)位于寧鎮(zhèn)隆起西段，屬于長江河相沉積地層。該區(qū)主要為全新統(tǒng)（Q4）地層，巖性自上而下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂、砂礫卵石?；鶐r主要為白堊系浦口組（K2p）和葛村組（K1g）地層，巖性主要為砂礫巖、礫巖及泥巖、砂巖等。

綜合前文的研究成果，當(dāng)?shù)篱g距為1m或2m、偏移距為5m、子波頻率為400Hz、各巖層波速相差500m／s時地震映像能準(zhǔn)確反映出水下各地層的埋深和分布范圍。根據(jù)鉆探和波速測井資料建立自上而下分別為河道淡水、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂、砂礫卵石和礫巖的水下砂體模型（圖6），正演計算中的各巖層參數(shù)見表1。

利用Tesseral2D軟件對圖6模型采用彈性波動方程計算，經(jīng)直達(dá)波切除、疊加、抽道集、取速度譜、動校正等處理，得到正演計算成果（圖7）。由圖7可知，此次正演模擬很好地劃分出水下各巖層的厚度和分布范圍。由于薄層、低速的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的存在，使粉細(xì)砂層頂界面的地震響應(yīng)不理想，右側(cè)同相軸不清晰；由于Tesseral2D軟件對邊界條件控制不理想，導(dǎo)致左側(cè)0～50m處和右側(cè)160～180m處的粉細(xì)砂層區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)雜波，使整體響應(yīng)效果變差。隨著勘探深度的增加，地震波能量衰減，導(dǎo)致礫巖頂界面響應(yīng)效果不理想，局部無同相軸響應(yīng)。

4 結(jié) 語

a.在檢波器數(shù)量不變的情況下，通過設(shè)置不同的道間距、最小偏移距、子波頻率及波速，應(yīng)用Tesseral2D軟件對典型的起伏地層模型進(jìn)行正演計算。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)篱g距為1m或2 m、最小偏移距為5 m、子波頻率為400 Hz時，地震響應(yīng)清晰，同相軸明顯，能很好地劃分水下各巖層的厚度和分布范圍。

b.結(jié)合南京長江第二大橋橋址區(qū)的水下砂層分布資料，應(yīng)用Tesseral2D軟件建立水下砂層模型并對該模型進(jìn)行正演計算。結(jié)果顯示，在道間距為2m、最小偏移距為5 m、子波頻率為400 Hz時，地震響應(yīng)能很好地反映水下各巖層的賦存狀態(tài)，特別是能較明顯的圈定水下砂層的厚度和分布范圍，可為實際水下砂體的地震勘探提供重要的理論依據(jù)。

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Tesseral2D?based earthquake forward simulation of underwater sand strata

XIE Leilei，JIANG Fuyu，CHANG Wenkai
（College of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Based on the difference of wave impedance between underwater sand strata and rock media，a stratigraphic model of fluctuant strata containing water，fine sand，gravel sand，and conglomerate was established using Tesseral2D software for seismic numerical simulation.Then，the forward calculation with the model was conducted under different channel spacings，least offsets，wavelet frequencies，and wave velocities in rocks.Under normal circumstances with a source frequency of 400Hz，a least offset of 5m，and a channel spacing of 1m or 2m，the seismic response is significant，with constant phases and less interference waves，which also well reflects the underwater stratum interface.In combination with the geological data from the bridge site area of the Second Nanjing Yangtze River Bridge，a stratigraphic model for underwater sand strata was established，containing water，silty clay，silty sand，gravel pebble，and conglomerate.Forward simulation using Tesseral2D software shows that，with a source frequency of 400 Hz，a channel spacing of 2 m，and a least offset of 5 m，the seismic response can well reflect the underwater interfaces between different rock strata，and determine the thickness and distribution range of underwater sand strata，providing an important theoretical basis for the exploration of underwater sand strata.

underwater sand stratum；Tesseral2D software；earthquake forward calculation model；forward calculation；elastic wave equation；underwater stratum of Second Nanjing Yangtze River Bridge

P631

A

1000-1980（2015）04-0351-05

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.013

2014-1021

江蘇省自然科學(xué)基金（BK20140844）；江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局科研技改項目（2014?KY?15）

謝磊磊（1989—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事固體地球物理學(xué)研究。E?mail：15240240707＠163.com

蔣甫玉，講師。E?mail：jiangfy＠hhu.edu.cn