層析靜校正技術(shù)在煙臺(tái)九目山巖體完整性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

虞永征,解建建,李德春

(1.安徽省勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230001；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,能源需求的加大，地震勘探方法不斷發(fā)展，勘探程度不斷深入，地震勘探也從東部平原區(qū)走進(jìn)了西北山地區(qū)、沙漠區(qū)，對(duì)地震資料處理提出了更高的要求，也促進(jìn)了地震勘探資料處理技術(shù)的發(fā)展。

復(fù)雜地表區(qū)存在地表高差大，巖性變化快，橫向變速快，不存在穩(wěn)定的折射界面等特點(diǎn)，造成了地震原始采集資料存在嚴(yán)重的靜校正問(wèn)題。靜校正問(wèn)題是制約復(fù)雜地表區(qū)地震成像技術(shù)的關(guān)鍵因素[1-6]。層析靜校正技術(shù)就是在這種情況下發(fā)展起來(lái)，處理人員不但可以采用層析反演計(jì)算中、長(zhǎng)波長(zhǎng)的靜校正量，為復(fù)雜地區(qū)石油、煤炭、頁(yè)巖氣等能源地震勘探資料處理解決靜校正問(wèn)題，提供優(yōu)秀可靠的處理成果[7-11]；還可以采用回轉(zhuǎn)射線層析成像估算近地表速度，準(zhǔn)確進(jìn)行近地表模型的建立，解析淺表構(gòu)造，解決工程勘察中的問(wèn)題。該文通過(guò)煙臺(tái)九目山巖體完整性評(píng)價(jià)的應(yīng)用，證實(shí)了初至波層析反演方法的可行性。

1 層析靜校正技術(shù)

計(jì)算地震波在地下傳播的速度是地震勘探資料處理解釋中一個(gè)非常重要的問(wèn)題。自Dines和Lytle首次將層析成像技術(shù)引入到地震勘探領(lǐng)域以來(lái)，McMechen，Somerstein，Daily，Dye，Bishop[12-16]等許多地球物理工作者對(duì)地震初至波層析成像的理論原理和方法技術(shù)進(jìn)行了研究，20世紀(jì)90年代開(kāi)始在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

一般來(lái)說(shuō)，近地表地層因?yàn)殚L(zhǎng)期風(fēng)化形成表層低降速帶，其地震波傳播速度與穩(wěn)定地質(zhì)體中地震波傳播速度的差異較大，通過(guò)接收炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)之間的地震波旅行時(shí)，利用初至波層析成像反演技術(shù)[1-9]，得到地下的速度結(jié)構(gòu)是一個(gè)切實(shí)可行的方法。初至波層析成像反演分為線性層析反演和非線性層析反演兩種。

線性層析反演相對(duì)穩(wěn)定，容易收斂，但是對(duì)橫向變速適應(yīng)能力較差，不適應(yīng)復(fù)雜山地資料靜校正。非線性層析反演靜校正理論上將復(fù)雜的近地表模型微元化，當(dāng)劃分的微元足夠小時(shí)，可以近似認(rèn)為每個(gè)微元內(nèi)介質(zhì)的速度是一個(gè)常數(shù)，數(shù)學(xué)上可以認(rèn)為這一系列微元能夠準(zhǔn)確地建立近地表模型，進(jìn)而通過(guò)層析成像反演出近地表的速度模型。根據(jù)費(fèi)馬原理，地震波沿旅行時(shí)最短路徑傳播，可以把近地表劃分為很多個(gè)足夠小的速度微元，通過(guò)求解下面的方程得到近地表速度模型。

式中：ti為地震波穿過(guò)每個(gè)微元的時(shí)間向量；di為每個(gè)微元模型向量；si為每個(gè)微元內(nèi)的慢度向量。原理如圖1所示。求解上述方程的方法有很多，一般是最小二乘和共軛梯度法。相應(yīng)的，不同求解方程的方法形成不同的層析靜校正方法。

圖1 非線性層析反演原理圖

非線性層析成像反演時(shí)，首先進(jìn)行初至拾取，根據(jù)工區(qū)地層和低速帶調(diào)查給定一個(gè)初始的速度模型，設(shè)定門(mén)檻值；然后通過(guò)射線追蹤法計(jì)算初至波需要的旅行時(shí)間，把計(jì)算結(jié)果跟實(shí)際的初至波旅行時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算速度差并作為淺層速度模型的速度改正量，修改速度模型后再進(jìn)行計(jì)算，如此反復(fù)進(jìn)行速度模型迭代和計(jì)算，直到計(jì)算速度差值不大于設(shè)定的門(mén)檻值后停止迭代，此時(shí)得到的速度模型就是近地表速度模型(圖2)。

圖2 非線性層析反演基本流程

2 應(yīng)用實(shí)例

山東省煙臺(tái)市福山區(qū)九目山作為國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)備選基地之一，需要查明區(qū)內(nèi)的覆蓋層厚度、風(fēng)化界線和斷裂構(gòu)造、對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行劃分；查明斷裂、侵入巖脈的產(chǎn)狀和寬度及與測(cè)區(qū)的接觸情況等地質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)巖體完整性進(jìn)行勘探評(píng)價(jià)*中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備煙臺(tái)西港地下水封洞庫(kù)項(xiàng)目預(yù)可行性研究階段地震勘探報(bào)告，2013年。。

勘探區(qū)屬構(gòu)造剝蝕地形，最高海拔255.60m，最低海拔100.00m左右，相對(duì)高差155m左右。山坡坡度一般在20°左右，地形總體較緩，山體由含斑粗中粒二長(zhǎng)花崗巖、含黑云母二長(zhǎng)花崗巖組成，山頂、山坡基巖多裸露，局部分布片狀松樹(shù)林，坡腳為果園，局部為旱地。

該次勘探目標(biāo)為花崗巖內(nèi)部裂隙與斷層，且傾角幾乎直立，地震條件極復(fù)雜。為了查明測(cè)區(qū)內(nèi)的覆蓋層厚度、風(fēng)化界線和斷裂構(gòu)造等；以及對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行劃分，查明斷裂、侵入巖脈及與測(cè)區(qū)的接觸情況等地質(zhì)現(xiàn)象，通過(guò)詳細(xì)分析相關(guān)資料，結(jié)合理論論證，制定和實(shí)施了針對(duì)性的地震反射波法和初至波層析成像聯(lián)合勘探方法，較好地完成了任務(wù)目標(biāo)。

2.1 地震資料采集

通過(guò)詳細(xì)分析相關(guān)資料，結(jié)合理論論證，采用了縱測(cè)線排列觀測(cè)系統(tǒng)[17]。覆蓋次數(shù)16次，接收道數(shù)200道，道距5m，炮點(diǎn)距25m，主測(cè)線間距200m，聯(lián)絡(luò)測(cè)線250m；采用井炮激發(fā)，井深要求鉆孔至基巖內(nèi)3m，激發(fā)藥量500g，采用2只60Hz檢波器組合接收，采樣間隔為0.5ms,記錄長(zhǎng)度為2s。

2.2 地震資料處理

該次勘探地表?xiàng)l件復(fù)雜，地形起伏較大、基巖裸露、地表種植等對(duì)資料采集和處理等都會(huì)帶來(lái)較大影響，特別是靜校正問(wèn)題較嚴(yán)重，選擇L4線CDP300-650為試驗(yàn)線段，從原始單炮中可以看出，由于區(qū)內(nèi)近地表的起伏和低、降速帶的變化，造成了初至波起伏不平現(xiàn)象，呈非線性變化，同相軸連續(xù)性差；經(jīng)折射靜校正后的單炮記錄，單炮初至波較光滑，仍有部分呈非線性變化；經(jīng)層析靜校正后的單炮記錄，單炮初至波光滑且線性關(guān)系明顯，同相軸連續(xù)性增強(qiáng)(圖3)。

圖3 L4線折射靜校正與層析靜校正單炮效果對(duì)比圖

原始疊加剖面上波組雜亂無(wú)章，沒(méi)有連續(xù)性，達(dá)不到同相軸疊加；折射波靜校正后疊加剖面上淺層基巖面波組連續(xù)，但仍然存在部分長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正問(wèn)題，致使部分成像效果不佳，與缺失穩(wěn)定折射層有關(guān)；層析靜校正后的疊加剖面與折射靜校正后疊加剖面比較，淺層基巖面波組連續(xù)性較強(qiáng)，且在250ms以下發(fā)現(xiàn)較好的斷面波；通過(guò)對(duì)比可以知道層析靜校正能更好地解決了長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正問(wèn)題(圖4)。

圖4 L4線折射靜校正與層析靜校正剖面效果對(duì)比圖

該區(qū)為成套花崗巖，由于風(fēng)化作用，淺層速度橫向變化較大，該次勘探采用5m的道距，面元較小，基本上可以假定每個(gè)面元內(nèi)介質(zhì)的速度是不變的，滿足費(fèi)馬原理，可利用反射波勘探單炮的初至折射波層析反演出較精確的近地表速度模型(圖5)。

圖5 層析反演速度模型

2.3 成果解釋與分析

該區(qū)為花崗巖裸露地區(qū)，斷裂的地震響應(yīng)特征與沉積巖地區(qū)不同，利用地震剖面上的斷面波和初至層析反演的速度剖面進(jìn)行聯(lián)合解釋；利用L3，L4線的速度剖面，通過(guò)橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)存在較明顯的斷層，而L4線反射波時(shí)間剖面上存在明顯的斷面波，預(yù)示斷層的存在，解釋斷層1條，參考已有地質(zhì)、物探、鉆探等資料，進(jìn)一步確定F1斷層走向近NE，傾向SE(圖6)。

依據(jù)巖體完整性分級(jí)指標(biāo)，以層析反演的地震縱波速度近似作為巖體速度，根據(jù)鉆孔聲波測(cè)定和地震反演結(jié)果將巖石速度定為5800m/s[18-20]，計(jì)算出巖體完整性系數(shù)剖面和水平面分布圖，利用鉆孔的標(biāo)定對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，分別得出相關(guān)巖體完整性分級(jí)的剖面圖和平面圖(圖7、圖8)。

圖6 L4線的疊加、速度剖面斷層解釋圖

圖7 L4線巖體完整性分級(jí)剖面圖

圖8 不同水平面巖體完整性分級(jí)剖面圖

從反射波疊加剖面看，巖體內(nèi)部反射波雜亂無(wú)章，不存在物性差異，無(wú)侵入巖脈。綜合巖體完整性分級(jí)剖面及平面切片資料分析，F(xiàn)1斷層帶對(duì)于勘探區(qū)內(nèi)的完整性影響不大；煙臺(tái)市福山區(qū)九目山完全滿足作為國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)的地質(zhì)條件。

3 結(jié)論

(1)該次地震勘探采用道距小，覆蓋次數(shù)較高，能夠滿足層析靜校正中關(guān)于微元的假設(shè)，可以認(rèn)為每個(gè)微元內(nèi)介質(zhì)的速度是一個(gè)常數(shù)，所以層析靜校成像反演效果較好，反演速度模型準(zhǔn)確，為巖體完整性評(píng)價(jià)提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

(2)復(fù)雜地表區(qū)存在地表高差大、巖性變化快、橫向速度變化劇烈，折射波靜校正方法在缺失穩(wěn)定折射層時(shí)，折射靜校正效果一般；走時(shí)層析靜校正能夠比較準(zhǔn)確地反演地下介質(zhì)的速度模型，可以較好地解決復(fù)雜地表的靜校正問(wèn)題。

(3)在極淺表、淺表反射波不能被完好地接收時(shí)，可以利用回轉(zhuǎn)射線層析反演估算近地表速度模型，其有效深度至少可達(dá)300m，該模型與反射波剖面一起綜合分析，可以滿足斷層解釋和巖石風(fēng)化程度、完整性等解釋的需要。

(4)該次地震勘探采用了地震反射波勘探與初至波層析反演聯(lián)合的方法，結(jié)合已有的地質(zhì)、物探資料，較好地解決了埋深300m以上的巖體的完整性探測(cè)問(wèn)題，對(duì)斷裂帶的解釋有明顯的效果，鉆孔驗(yàn)證效果很好，較好地完成了地質(zhì)勘探任務(wù)。

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