多道瞬態(tài)面波相速度分析

沈鴻雁,李慶春,嚴(yán)月英,陳　晨,張保衛(wèi)

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710065;2.Mewbourne College of Earth and Energy,University of Oklahoma,Norman Oklahoma 73019,USA;3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院,陜西西安710054;4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北廊坊065000)

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多道瞬態(tài)面波相速度分析

沈鴻雁1,2,李慶春3,嚴(yán)月英1,陳晨2,張保衛(wèi)4

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710065;2.Mewbourne College of Earth and Energy,University of Oklahoma,Norman Oklahoma 73019,USA;3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院,陜西西安710054;4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北廊坊065000)

提取相速度是面波數(shù)據(jù)處理的核心內(nèi)容之一,其準(zhǔn)確程度將直接影響到面波勘探的成效。借鑒傳統(tǒng)反射波速度分析方法的思想,基于二維傅里葉變換理論,通過(guò)深入分析相速度(vR)與頻率(f)、波數(shù)(k)之間的關(guān)系以及面波有效探測(cè)深度(h)與波長(zhǎng)(λR)之間的關(guān)系,建立了多道瞬態(tài)面波相速度分析方程組,然后將實(shí)測(cè)多道瞬態(tài)面波的f-k譜轉(zhuǎn)換成面波相速度分析譜(h-vR譜),并建立了多道瞬態(tài)面波相速度分析處理流程,最終形成了一套有效的多道瞬態(tài)面波相速度分析方法。理論模型數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性,并將其應(yīng)用于反射地震資料中的瑞雷面波處理。與傳統(tǒng)f-k方法的處理結(jié)果相比較,該方法不但能有效提取面波相速度參數(shù),而且相速度與深度對(duì)應(yīng)直觀,可直接用于解決實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題。

面波;反射波;二維傅里葉變換;相速度分析;近地表結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)期以來(lái),反射地震資料中的面波都是作為一類(lèi)嚴(yán)重的干擾噪聲而加以壓制,但近年來(lái)的理論研究和大量的勘探事實(shí)證明,反射資料中的面波也攜帶豐富的信息[1-12],因此也是一類(lèi)值得利用的有效波場(chǎng),它屬于多道瞬態(tài)面波的范疇。MARI[1]率先嘗試用橫波記錄中的Love面波頻散信息反演表層結(jié)構(gòu),然后用于橫波靜校正;裴江云等[2]利用反射地震記錄中瑞雷面波能量強(qiáng)、波場(chǎng)變化明顯等優(yōu)點(diǎn),開(kāi)展了迭代阻尼最小二乘法反演近地表速度和厚度的研究;劉學(xué)偉等[3]利用面波反演風(fēng)化層的Q值,并用其來(lái)補(bǔ)償風(fēng)化層對(duì)反射波的吸收,從而有效提高了反射地震資料的分辨率;曾校豐等[4]深入分析了深層反射地震勘探記錄中面波利用的可能性及其利用價(jià)值,并以提取新疆準(zhǔn)噶爾盆地沙漠地區(qū)油氣反射地震勘探資料中的面波信息為例,討論了提取面波所具備的有利條件、存在的問(wèn)題以及提取方法技術(shù),指出從“大炮”地震記錄中提取面波來(lái)解決淺層地質(zhì)問(wèn)題具有良好的應(yīng)用前景;周熙襄等[5]、王振國(guó)等[6]和彭文等[7]在深入分析利用面波調(diào)查表層結(jié)構(gòu)的可行性的基礎(chǔ)上,指出充分利用反射地震記錄中的面波信息調(diào)查表層結(jié)構(gòu)將會(huì)為計(jì)算靜校正量和地震精確成像提供新的技術(shù)手段;顏俊華等[8]運(yùn)用p-ω變換提取地震記錄中的面波頻散曲線,并通過(guò)基階面波頻散曲線反演出低降速帶的橫波速度,建立表層結(jié)構(gòu)模型;李子偉[9]利用瑞雷波頻散信息調(diào)查油田近地表結(jié)構(gòu)和潛水面深度,并取得了一些有實(shí)際意義的結(jié)果;LAAKE等[10]利用反射地震資料中的面波信息獲取北非和中東沙漠地區(qū)兩油氣勘探區(qū)塊的三維近地表地層結(jié)構(gòu)特征;STROBBIA等[11]在對(duì)地震資料充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)例,深入探討了面波的剔除、再利用等問(wèn)題,為油氣地震資料中的面波分離與再利用提供了有意義的思路;COLAUDIO等[12]利用面波信息反演了科威特Lower Fars油田的近地表特征,并用于去噪和靜校正處理?？梢哉f(shuō),隨著近地表復(fù)雜地區(qū)油氣精細(xì)勘探的深入開(kāi)展和復(fù)雜近地表地層結(jié)構(gòu)亟待精細(xì)探測(cè)等問(wèn)題的提出,反射地震資料中的面波再利用研究已成為一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域。

面波的傳播與地下介質(zhì)的物性密切相關(guān),因此如何準(zhǔn)確可靠地提取面波相速度參數(shù)是多道瞬態(tài)面波勘探技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。為此,很多學(xué)者多年來(lái)致力于該領(lǐng)域研究,并取得了大量有重要價(jià)值的研究成果,例如面波譜分析法[13-16](Spectral analysis of surface waves,SASW)和面波多道分析法[17-22](Multi-channel analysis of surface waves,MASW)。f-k變換是多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理的一種較成熟而有效的方法,其原因是面波與其它地震波場(chǎng)在頻率和傳播速度上均存在差異,并且面波還存在頻散特性,即速度是頻率的函數(shù),只要地層速度稍微變化,面波的頻率也必將隨之變化[23]。因此可通過(guò)二維傅里葉變換,將多道瞬態(tài)面波從時(shí)間-空間(t-x)域轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)(f-k)域或相速度-頻率(vR-f)域[22,24],從而獲得面波的頻散信息并依此解決實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題。然而,對(duì)于f-k域來(lái)說(shuō),由于地震信號(hào)自身的波數(shù)變化范圍較小(相對(duì)于頻率),致使分辨率較低,給準(zhǔn)確提取f-k域頻散信息帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),因此單憑頻率和波數(shù)的關(guān)系,找到面波傳播規(guī)律的能力非常有限,尤其是當(dāng)不同信號(hào)的頻率或波數(shù)存在重疊、信噪比較低的情況下,識(shí)別并提取面波頻散信息的誤差可能會(huì)更大,從而導(dǎo)致計(jì)算出的相速度信息精度也不高。此外,對(duì)于vR-f域來(lái)說(shuō),雖然面波的頻散關(guān)系比較明確,但缺乏深度信息,而就實(shí)際的地質(zhì)勘探來(lái)說(shuō),面波相速度隨深度的變化規(guī)律才具有最直接的勘探意義[25-26]。傳統(tǒng)f-k域面波處理技術(shù)存在的這些缺陷,在一定程度上影響了面波解決實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題的精度和能力。

為了進(jìn)一步提高現(xiàn)有f-k域面波處理技術(shù)的能力,在借鑒反射波速度分析技術(shù)思想的基礎(chǔ)上,提出了一種多道瞬態(tài)面波相速度分析方法。該方法的基礎(chǔ)仍然是f-k變換,其關(guān)鍵點(diǎn)是建立了面波穿透深度與相速度的明確關(guān)系,然后將f-k譜映射出類(lèi)似于反射波速度分析譜的多道瞬態(tài)面波相速度分析譜,隨后的面波相速度分析可完全采用反射波速度分析的模式。模型和實(shí)際資料測(cè)試處理結(jié)果表明,該方法獲得的面波相速度譜信噪比較高,不但能有效提取面波的相速度參數(shù),而且相速度與深度對(duì)應(yīng)直觀,可直接解決實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題。

1　方法原理

常規(guī)反射波速度分析基于(1)式,其本質(zhì)是選用一系列不同的速度值對(duì)CMP道集中的反射波時(shí)距雙曲線進(jìn)行NMO,能將雙曲線校正為水平直線的速度就是合適的疊加速

(1)式中:t0為零炮檢距的雙程反射時(shí)間;x為炮檢距;v為疊加速度;t為反射波旅行時(shí)。

地震數(shù)據(jù)中的面波不存在明確的時(shí)距規(guī)律,然而它存在頻散現(xiàn)象,因此要想獲得類(lèi)似于反射波速度分析的多道瞬態(tài)面波相速度譜,首要的任務(wù)就是從面波的頻散規(guī)律出發(fā),建立適合于多道瞬態(tài)面波相速度分析的數(shù)學(xué)方程。

1.1f-k域中的面波相速度信息

(2)

式中:vR為相速度;f為頻率;k為波數(shù)。

在解決實(shí)際地質(zhì)問(wèn)題時(shí),還需進(jìn)一步建立相速度與穿透深度的關(guān)系。波長(zhǎng)、頻率和相速度存在如下關(guān)系:

(3)

式中:λR為波長(zhǎng)。

此外,面波的能量主要集中在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳播,因此,穿透深度與波長(zhǎng)有關(guān),即:

(4)

式中:h為穿透深度;β為波長(zhǎng)與穿透深度的校正因子。

依據(jù)(3)式和(4)式,可進(jìn)一步建立穿透深度與相速度的關(guān)系,即:

(5)

HEUKELOM等[28]和ABBISS[29]認(rèn)為β=0.5,即

所謂的半波長(zhǎng)法,大量實(shí)踐證明[30-32],該方法計(jì)算出的穿透深度誤差較大。理論研究表明[23,25,30,33],對(duì)于不同介質(zhì)(主要體現(xiàn)在泊松比σ參數(shù)的差異上),面波的穿透深度不一樣,而且其能量隨穿透深度的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減,為此,楊成林[30]經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬研究及大量的工程應(yīng)用實(shí)踐后,給出了不同介質(zhì)的面波穿透深度校正經(jīng)驗(yàn)因子,其獲取的方法原理是定義當(dāng)Uz/U0=1/e時(shí)的深度為面波有效穿透深度(此處U0為地面處的面波振幅,Uz為U0衰減到U0/e時(shí)的振幅),依據(jù)面波的振幅隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律計(jì)算穿透深度與波長(zhǎng)的關(guān)系(表1)。對(duì)于自然界中的所有介質(zhì)(泊松比σ為0.10～0.48),面波的穿透深度校正因子β為0.550～0.875;對(duì)于一般巖石,泊松比σ為0.25左右,其穿透深度校正因子β為0.65;對(duì)于第四系土體來(lái)說(shuō),泊松比σ為0.40～0.45,則其穿透深度校正因子β為0.79～0.84。陳祥等[31]和PAN等[32]在對(duì)半空間均勻?qū)訝罱橘|(zhì)研究的基礎(chǔ)上,也獲得了近似相同的結(jié)論,并進(jìn)一步提煉總結(jié)出穿透深度校正因子β與泊松比σ呈線性關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

(6)

1.2多道瞬態(tài)面波相速度分析

鑒于反射波速度分析方法原理,利用疊加波譜能量值可有效提高速度分析的信噪比和速度參數(shù)提取的精度,為此,可對(duì)(2)式和(5)式進(jìn)一步改造形成方程組(7):

(7)

式中:J,I分別表示坐標(biāo)k和坐標(biāo)f的離散值序號(hào);M為地震總道數(shù)拓邊后的值,N為單道采樣點(diǎn)數(shù)拓邊后的值,且M,N都是2的整數(shù)冪。

依據(jù)方程組(7),可將多道瞬態(tài)面波從頻率-波數(shù)(f-k)域轉(zhuǎn)換到深度-相速度(h-vR)域進(jìn)行處理。由(2)式可知,在f-k域可獲得多個(gè)相速度值,并且

一條過(guò)原點(diǎn)的直線對(duì)應(yīng)一個(gè)相速度值(圖1a)。如果假設(shè)獲得了m個(gè)相速度,則可按由小到大的順序?qū)ο嗨俣戎颠M(jìn)行排序:

(8)

式中:j為相速度的序號(hào)。

另一方面,由于頻率在變化,每條相速度線上

表1　不同介質(zhì)中的面波穿透深度[30]

圖1　f-k譜映射成h-vR譜的原理a f-k域; b h-vR域

的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的穿透深度值不同,根據(jù)方程組(7)可求得每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上的穿透深度值。假設(shè)獲得了n個(gè)穿透深度值,也可按由小到大的順序?qū)Υ┩干疃戎颠M(jìn)行排序:

(9)

式中:i為穿透深度的層序號(hào)。

然后將獲得的相速度值和穿透深度值進(jìn)行配對(duì),建立深度-相速度(h-vR)坐標(biāo)系,并將在f-k域內(nèi)的能量值映射到與h-vR域內(nèi)相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)上(圖1b)。如果vR(kJ,fI)=vRj,h(kJ,fI)=hi,則能量映射有如下關(guān)系:

(10)

式中:E(f-k)(kJ,fI)為f-k域內(nèi)對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)(kJ,fI)的能量值;E(h-vR)(vRj,hi)為h-vR域內(nèi)對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)(vRj,hi)的能量值。

多道瞬態(tài)面波相速度分析處理流程如圖2所示,主要通過(guò)如下3個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn):

圖2　多道瞬態(tài)面波相速度分析處理流程

1) 對(duì)輸入的面波地震記錄進(jìn)行二維傅里葉變換獲得f-k譜;

2) 依據(jù)方程組(7)計(jì)算多道瞬態(tài)面波的每一個(gè)相速度vRj,i和穿透深度hj,i值,并將f-k域內(nèi)(kj,fi)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的能量值映射到h-vR域內(nèi)對(duì)應(yīng)于(vRj,I,hj,i)的位置,就可形成面波相速度譜;

3) 依次拾取h-vR譜中的強(qiáng)能量團(tuán)對(duì)應(yīng)的(vR,h)坐標(biāo)值,就可獲得對(duì)應(yīng)于不同深度的相速度值,即h-vR頻散曲線。

此外,還可聯(lián)合面波相速度譜和h-vR頻散曲線進(jìn)行地質(zhì)解釋,為近地表工程勘察、地質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2　模型處理與分析

建立了一個(gè)含7個(gè)水平層狀均勻介質(zhì)的地質(zhì)模型,采用有限差分法解彈性波動(dòng)方程模擬瑞雷面波地震記錄,地層參數(shù)及觀測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖3a。地震記錄模擬的震源子波采用雷克子波,主頻25Hz,48道/炮接收,道距2m,最小偏移距4m,采樣率0.5ms,采樣點(diǎn)數(shù)1024。正演模擬單炮面波記錄如圖3b所示,對(duì)該炮地震記錄處理后獲得的f-k譜和h-vR譜(取β=0.79)如圖4所示。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)[25,30],對(duì)于主頻為25.0Hz的震源,可以有效提取面波頻散信息的最低有效頻率一般不低于12.5Hz,這也可以從圖4a,圖4b的能量分布圖上觀察到。根據(jù)地質(zhì)模型圖3a,對(duì)應(yīng)最低頻率時(shí)的面波波長(zhǎng)為280/12.5=22.4m,也就是說(shuō),對(duì)于給出的理論模型和觀測(cè)系統(tǒng)而言,瑞雷面波最大穿透深度應(yīng)該在20m左右,因此,在分析處理結(jié)果時(shí),本文僅提取了20m以上的h-vR頻散值進(jìn)行分析。下面對(duì)兩種譜的特征及處理結(jié)果進(jìn)行分析。

1)f-k譜特征:如圖4a所示,波譜特征明顯,能量較強(qiáng)且集中,但不能直接體現(xiàn)出相速度與穿透深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)提取強(qiáng)能量團(tuán)對(duì)應(yīng)的f-k頻散值后,可依據(jù)(2)式和(5)式計(jì)算出相應(yīng)的h-vR頻散曲線(取β=0.79),如圖4c中的綠色“+”曲線所示,該頻散曲線上地層界面對(duì)應(yīng)的異常特征明顯,表現(xiàn)出“之”字形特征,但與地質(zhì)模型相比較,不同地層界面均存在一定的誤差。

圖3　水平層狀模型a 地質(zhì)模型; b 合成面波地震記錄

圖4　模型瑞雷面波譜分析a f-k譜及提取的頻散值; b h-vR譜及提取的頻散值; c 兩種方法獲得的h-vR頻散曲線及S波層速度對(duì)比

2)h-vR譜特征:如圖4b所示,波譜特征十分明顯,能量較強(qiáng)且集中,而且獲得的相速度與穿透深度對(duì)應(yīng)直觀、明了,相速度隨深度變化的異常信息已明確反映出來(lái)。從提取的h-vR頻散曲線來(lái)看(圖4c中紅色“△”曲線),曲線光滑且連續(xù),界面處的異常突出,獲取的速度對(duì)應(yīng)深度的信息與地質(zhì)模型吻合(取頻散曲線異常下拐點(diǎn))。

通過(guò)對(duì)兩種方法獲得的譜及提取的h-vR頻散曲線比較,分析后發(fā)現(xiàn)兩種方法獲得的結(jié)果存在一些差異,具體表現(xiàn)在如下3個(gè)方面:

1) 在8m以上,兩種方法獲得的頻散值和曲線特征基本吻合,但在8m以下,兩者出現(xiàn)明顯差異,傳統(tǒng)f-k法獲得的h-vR頻散曲線跳躍激烈,而本文方法獲得的h-vR頻散曲線相對(duì)更光滑一些;

2) 由f-k譜獲得的h-vR頻散曲線采樣密度極不均勻,隨深度增加,頻散值的采樣密度迅速下降;而由h-vR譜提取的h-vR頻散曲線采樣密度均勻,且頻散值的采樣密度要比前者大,從而保證了獲取信息的精細(xì)度;

3) 由f-k譜獲得的h-vR頻散曲線,雖然異常特征明顯,但在“之”字形拐點(diǎn)處(同一深度點(diǎn))存在兩個(gè)不同的相速度值;而由本文方法獲得的h-vR頻散曲線是連續(xù)漸變的,并且一個(gè)深度點(diǎn)僅對(duì)應(yīng)于一個(gè)相速度值,從而保證了獲取信息的唯一性。

3　實(shí)際資料處理與分析

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)本文方法的有效性,試處理了2套反射地震資料,這2套資料中均發(fā)育有瑞雷面波,其中1套是油氣勘探資料,另1套是活斷層探測(cè)資料。

3.1油氣勘探資料

該油氣勘探資料(圖5)來(lái)自于渤海灣油氣反射地震勘探,處理了1炮,道距20m,280道/炮,采樣率4ms,采樣長(zhǎng)度4s。原始炮記錄如圖5a所示,地震記錄中發(fā)育有瑞雷面波、反射波、直達(dá)波、折射波等,由于面波發(fā)育于前85道,因此只提取前85道地震記錄中的瑞雷面波(圖5b)進(jìn)行處理。

圖5　油氣地震勘探資料a 原始單炮地震記錄; b 提取的瑞雷面波記錄

圖6是處理后獲得的兩種譜,其中圖6a為f-k譜,圖6b為瑞雷面波相速度分析譜(由于淺層為第四系沉積,因此取β=0.79)。從f-k譜來(lái)看,雖然波譜特征明顯,但僅體現(xiàn)出瑞雷面波的頻率(f)與波數(shù)(k)的關(guān)系,其它信息不明確;而從瑞雷面波相速度譜來(lái)看,波譜特征十分明顯、異常信息的能量集中,且地質(zhì)分層較明顯,這些信息在體現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)的同時(shí),也明確了瑞雷面波相速度值與地層深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖7為依據(jù)兩種譜獲得的兩條h-vR頻散曲線,從這兩條頻散曲線對(duì)比來(lái)看,34～90m處的信息對(duì)應(yīng)良好;在34m以上,由f-k頻散曲線計(jì)算(依據(jù)(2)式和(5)式)獲得的信息丟失;而在90m以下,兩者存在一定的誤差。此外,由f-k頻散曲線計(jì)算獲得的h-vR頻散信息,隨深度增加,采樣間距在增大,也就意味著隨深度增加,分辨率在降低;而由多道瞬態(tài)面波相速度分析譜獲得的h-vR頻散信息則均勻采樣。

圖6　兩種譜和提取的頻散曲線比較a f-k譜及提取的頻散曲線; b h-vR譜及提取的頻散曲線

圖7　兩種方法獲取的h-vR頻散曲線比較及地層劃分

對(duì)比兩種方法獲得的譜及提取的頻散曲線可以看出,多道瞬態(tài)面波相速度分析結(jié)果的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。結(jié)合多道瞬態(tài)面波相速度分析譜(圖6b)及提取的h-vR頻散曲線(圖7),可對(duì)該炮資料做進(jìn)一步的地質(zhì)解釋:能量團(tuán)對(duì)應(yīng)的相速度分布范圍為220～780m/s,深度分布范圍為24～200m;強(qiáng)能量團(tuán)主要集中在20～150m,說(shuō)明是相對(duì)較軟的地層(第四系沉積層+降速帶);在強(qiáng)能量團(tuán)分布區(qū)域內(nèi)還存在3處中斷(3個(gè)地層界面),分別是50.5,68.0,80.0m,說(shuō)明軟地層內(nèi)可能存在4套地層;80m以下可能是第四系沉積向基巖的過(guò)渡層,即降速帶。

3.2活斷層探測(cè)資料

處理了某地區(qū)1炮活斷層地震探測(cè)資料(圖8),數(shù)據(jù)采集使用的檢波器自然頻率為28Hz,每炮84道,最小偏移距30m,道間距3m,采樣率0.5ms,采樣長(zhǎng)度1s。圖8a是原始單炮記錄,地震記錄上有P-P波、P-S轉(zhuǎn)換波、直達(dá)波、聲波和隨機(jī)噪聲,除此之外,瑞雷面波尤為發(fā)育,而且能量較強(qiáng),與其它波場(chǎng)相比分布區(qū)域差異較大,是值得利用的地震信號(hào),因此提取了地震記錄中發(fā)育的瑞雷面波(圖8b)進(jìn)行處理。

圖9a是對(duì)瑞雷面波進(jìn)行二維傅里葉變換后獲得的f-k譜及提取的f-k頻散值,從圖9a中可以看出,能量團(tuán)比較分散,且無(wú)規(guī)律,無(wú)法有效提取f-k頻散信息,這可能與地層極不均勻有關(guān);圖9b是依據(jù)(2)式和(5)式對(duì)f-k頻散信息處理后獲得的h-vR頻散曲線,由圖9b可見(jiàn),獲得的h-vR采樣很不均勻,淺層采樣較密集,而50m以下的采樣點(diǎn)距隨深度增加而迅速增大,因此獲取的相速度信息難以有效用于地質(zhì)解釋。圖10是采用多道瞬態(tài)面波相速度分析處理獲得的結(jié)果,其中圖10a為瑞雷面波相速度譜(由于淺層為第四系沉積,因此取β=0.79),圖10b為提取的h-vR頻散曲線。從瑞雷面波相速度譜來(lái)看,波譜異常特征十分明顯,能量較集中,且存在明顯的分界面,相速度隨深度增加而近乎遞增。結(jié)合h-vR譜和提取的h-vR頻散曲線以及已掌握的地質(zhì)信息(反射波成像資料[34])可作出進(jìn)一步的地質(zhì)解釋:近地表地層主要存在4層結(jié)構(gòu),0～18m為第1層,由于該層是風(fēng)化土壤層,不均勻性較強(qiáng),從而導(dǎo)致地震波能量也相對(duì)較強(qiáng),而且相速度低(190～260m/s)、不穩(wěn)定;18～80m為第2層,相速度為220～780m/s,而且連續(xù)遞增,由于地層中可能富含地下水,從而導(dǎo)致地震波能量相對(duì)較強(qiáng),推斷為潛水層;80～135m為第3層,相速度為680～900m/s,推測(cè)有一條斷層穿過(guò)該套地層(已通過(guò)反射波成像資料驗(yàn)證[34]),致使在這一層位出現(xiàn)了一低速夾層;135m以下則是基巖層。

圖8　活斷層探測(cè)地震資料a 原始單炮地震記錄; b 提取的瑞雷面波記錄

圖9　傳統(tǒng)f-k域處理提取的瑞雷面波相速度分析a f-k譜及提取的頻散信息; b 基于f-k頻散曲線計(jì)算獲得的h-vR頻散曲線

圖10　多道瞬態(tài)面波相速度分析a h-vR譜及提取的頻散信息; b h-vR頻散曲線及地層劃分

4　結(jié)論和討論

本文提出了一種類(lèi)似于地震反射波速度分析的多道瞬態(tài)面波相速度分析方法,取得的結(jié)論與認(rèn)識(shí)如下:

1) 依據(jù)面波相速度、頻率、波數(shù)、波長(zhǎng)和穿透深度之間的關(guān)系,在二維傅里葉變換理論基礎(chǔ)上,建立了多道瞬態(tài)面波相速度分析方程,并將多道瞬態(tài)面波的f-k譜轉(zhuǎn)換成h-vR譜進(jìn)行相速度分析,獲得的面波相速度譜的表現(xiàn)特征與傳統(tǒng)反射波速度譜相似。

2) 通過(guò)多道瞬態(tài)面波相速度分析,可有效獲得多道瞬態(tài)面波的相速度參數(shù)以及面波穿透深度與相速度的近似轉(zhuǎn)換關(guān)系,依據(jù)獲取的面波相速度信息或異常特征,可提供近地表地層結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)等信息,為反射地震資料處理及近地表地質(zhì)工程勘探與評(píng)價(jià)等提供依據(jù)。

3) 探測(cè)準(zhǔn)確程度的一個(gè)關(guān)鍵因素依賴于深度信息,因此穿透深度校正因子β的選擇至關(guān)重要,而校正因子β與泊松比有關(guān),因此,在采用本文方法處理多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)該對(duì)探區(qū)地層的物性有一定的了解,并掌握泊松比的變化范圍,這樣更有利于選準(zhǔn)深度校正因子β,從而保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。此外,本文方法所獲得的相速度是一種帶有疊加累積效應(yīng)的參數(shù),考慮到面波相速度與橫波速度聯(lián)系緊密,因此利用面波相速度反演橫波層速度將是下一步的研究重點(diǎn),以達(dá)到更加準(zhǔn)確地獲得近地表地層結(jié)構(gòu)和屬性的目的。

致謝:感謝美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)(University of Oklahoma)的KELLER G R教授提供了十分有意義的建議,鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司周學(xué)明工程師提供了理論模型數(shù)據(jù)！

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(編輯：陳杰)

Phase velocity analysis of multi-channel transient surface wave

SHEN Hongyan1,2,LI Qingchun3,YAN Yueying1,CHEN Chen2,ZHANG Baowei4

(1.SchoolofEarthSciencesandEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an710065,China;2.MewbourneCollegeofEarthandEnergy,UniversityofOklahoma,NormanOklahoma73019,USA;3.CollegeofGeologyEngineeringandGeometics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China;4.InstituteofGeophysical&GeochemicalExploration,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Langfang065000,China)

Phase velocity extraction is one of the core steps of surface wave data processing,and its accuracy will directly affect the results of surface wave survey.Inspired by the idea of the conventional reflection wave velocity analysis method,and on the basis of 2D Fourier transform theory,the relationship among the phase velocity (vR),frequency (f) and wave number (k) as well as the relationship between the effective penetration depth (h) and wavelength (λR) of surface wave were analyzed,and the equations for phase velocity analysis of multi-channel transient surface wave were built.Then,the measuredf-kspectrum of multi-channel transient surface wave was transformed into phase velocity analysis spectrum (h-vRspectrum),and the processing workflow for velocity analysis of multi-channel transient surface wave was established.Finally,a set of effective phase velocity analysis methods of multi-channel transient surface wave was formed.Theoretical model testing results prove the effectiveness of the method.Moreover,the method is applied to the processing of Rayleigh wave in reflection seismic data.The results show that the method can effectively extract the phase velocity parameters of surface wave,and the variation of phase velocity versus depth is intuitive,which can be directly used to solve geological problem.

surface wave,reflection wave,2D Fourier transform,phase velocity analysis,near-surface geological structure

2015-09-18;改回日期：2016-02-23。

沈鴻雁(1979—),男,博士,副教授,主要從事油氣地震勘探和近地表地球物理勘探方法研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41374145)、中石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2010D-5006-0303,2014D-5006-0303)和陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(13JS093)聯(lián)合資助。

P631

A

1000-1441(2016)05-0692-11

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.05.008

This research is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No.41374145),PetroChina Innovation Foundation (Grant Nos.2010D-5006-0303,2014D-5006-0303) and Key Laboratory Research Project of Shaan’xi Provincial Department of Education (Grant No.13JS093).