黃土覆蓋區(qū)斷層反射地震正演模研究及應(yīng)用

李伊東

（西安石油大學(xué)地球與科學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

1 地震模擬方法原理

彈性波的波場(chǎng)較聲波的波場(chǎng)相對(duì)來(lái)說(shuō)更加復(fù)雜，并且存有波形的轉(zhuǎn)換和能量的交換。因此，通過(guò)對(duì)彈性波的數(shù)值模擬，可以了解相應(yīng)介質(zhì)中不同類(lèi)型波的波特性。本文采用二維彈性波方程的有限差分法模擬了波場(chǎng)響應(yīng)特性。

在模擬過(guò)程中模型的邊界是有限的為防止其影響產(chǎn)生其他噪音，使用進(jìn)一步改善的邊界吸收條件，地表隱藏表面，使得模擬不受邊界的影響[1-3]。

2 黃土覆蓋區(qū)斷層地震波場(chǎng)特征分析

2.1 正演模型構(gòu)建

本文建立小尺度斷層模型如下，模型長(zhǎng)度與高度分別為300m 和150m，斷層傾角45°，性質(zhì)為正斷層，其中R1代表第一層反射界面，R2代表第二層反射界面，R21和R22分別代表第二上升盤(pán)和下降盤(pán)對(duì)應(yīng)的層間界面，R3代表第三層反射界面，則R31和R32分別為斷層上升一側(cè)的層界面和下降一側(cè)的層界面。

2.2 地震波場(chǎng)模擬分析

為了更加全面的分析波場(chǎng)響應(yīng)特征，分別選取第31 炮和41 炮以及51 炮波場(chǎng)響應(yīng)記錄進(jìn)行分析，這三個(gè)炮點(diǎn)分別處于斷層的上方左側(cè)，正上方和上方右側(cè)。

1）炮點(diǎn)位于斷層上升盤(pán)O1點(diǎn)。第31 炮的波長(zhǎng)快照記錄可以看出當(dāng)波前面?zhèn)鞑サ絉1 反射界面并穿過(guò)其時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生反射波與透射波同時(shí)還有轉(zhuǎn)換波，波前繼續(xù)在第二層地層傳播在地層二傳播的的波前快于地層一，因上覆蓋層的速度低于下覆蓋層，其次當(dāng)波前在第二層繼續(xù)傳播到上盤(pán)R21產(chǎn)生反射波。

因?yàn)镽2被斷層錯(cuò)斷從而不連續(xù)，進(jìn)而反射波在此處也被中斷但是當(dāng)波傳播到斷點(diǎn)時(shí)在斷點(diǎn)處產(chǎn)生繞射波，當(dāng)波前傳播到R3反射面時(shí)也具有一樣的響應(yīng)特征。

2）炮點(diǎn)位于斷層正上方O2點(diǎn)。第41 炮的波場(chǎng)快照記錄圖與第31 炮波場(chǎng)記錄相比較更加復(fù)雜，其主要表現(xiàn)為下：當(dāng)波前行駛在第一層沒(méi)有透過(guò)斷層面時(shí)現(xiàn)象和圖記錄一致，出現(xiàn)反射波和轉(zhuǎn)換波，當(dāng)波前到達(dá)斷層時(shí)先到達(dá)上層斷點(diǎn)，在此形成繞射波，然后在斷層的左側(cè)上盤(pán)和右側(cè)下盤(pán)產(chǎn)發(fā)生反射產(chǎn)生反射波，繞射波與反射波相連形成一個(gè)弧形波前，接著波前面向下傳播由于斷層處兩邊速度相異從而在斷面處產(chǎn)生斷面波，斷面波與上盤(pán)的斷點(diǎn)處產(chǎn)生的繞射波相接，和下盤(pán)產(chǎn)生的反射波交叉。

3）炮點(diǎn)位于斷層右上方O3點(diǎn)。第51 炮（O3點(diǎn)）的波場(chǎng)快照記錄，當(dāng)波前面?zhèn)鞑サ絉1 產(chǎn)生反射波和轉(zhuǎn)換波，此時(shí)波前面繼續(xù)向下傳播當(dāng)波前面?zhèn)鞑サ綌鄬訒r(shí)先在斷層的下盤(pán)產(chǎn)生反射波并且該反射波在斷層位置斷開(kāi)，此時(shí)波前面抵達(dá)斷點(diǎn)產(chǎn)生繞射波，并且在R21面生成與繞射波連接的反射波，與前面兩個(gè)炮點(diǎn)記錄不同的是此處的繞射波和反射波波前相連重疊很難區(qū)別開(kāi)來(lái)，當(dāng)波前面繼續(xù)向上傳播過(guò)程中形成“v 字形”斷面波，此斷面波與下降盤(pán)斷層兩反射界反射波斜交有快照可知再撥不斷傳播過(guò)程中還不斷從形成由不同界面形成的多次波。

4）地震正演模擬炮集記錄分析。第31（O1點(diǎn)）炮、41（O2點(diǎn)）炮、51（O3點(diǎn)）炮的炮集記錄。其分別處于斷層頂部的不同方位，可以看到層界面處的直達(dá)波、反射波、斷棱繞射波、斷面波、多次波、轉(zhuǎn)換波，三張記錄中R1反射面連續(xù)性較好并且能量較強(qiáng)清晰可見(jiàn)并且都可以看到第一層產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波，R2、R3地層發(fā)生錯(cuò)斷，并且在R21、R22、R31、R32、處發(fā)生同相軸錯(cuò)斷，并生成繞射波，繞射波生成于斷層的斷點(diǎn)，并且繞射波在斷點(diǎn)左右關(guān)于斷點(diǎn)相對(duì)稱(chēng)，該波與R21反射波相連與R22、R32界面反射波斜交，并且穿過(guò)上下層多個(gè)界面的反射波，這是斷層識(shí)別的重要標(biāo)志由，為斷層上斷點(diǎn)的位置提所在供了明顯的依據(jù)。

通過(guò)上述綜合研究分析，得到以下結(jié)論:

1）在黃土覆蓋區(qū)斷層上部放炮所產(chǎn)生的彈性地震波中存在底層反射波、繞射波、斷面波等產(chǎn)生的斷面波與同層位的繞射波相連接，與錯(cuò)斷層的下盤(pán)反射波斜交，并且上下層位的多個(gè)反射波被斷面波縱貫，這是辨別斷層最主要的的特征。

2）隨著炮擊點(diǎn)位的不同，斷層的地震波場(chǎng)響應(yīng)特征也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對(duì)于工程淺層勘探中，對(duì)于地層厚度相對(duì)不大較小的斷層而言，當(dāng)?shù)卣鹋诩涗浽跀鄬酉陆当P(pán)的一側(cè)時(shí)斷面波相對(duì)更加清晰完整，有利于斷層的識(shí)別，當(dāng)炮擊震源位于斷層頂部時(shí)，整個(gè)斷層的波場(chǎng)響應(yīng)特征將被完整的顯示出來(lái)。

由上可得，根據(jù)斷層的波場(chǎng)響應(yīng)特征記錄及波的傳播規(guī)律，可以對(duì)斷層中異常波的識(shí)別起指導(dǎo)作用，與此同時(shí)根據(jù)炮集記錄的改變特點(diǎn)，能夠?yàn)閿嗔褞У膶挾?，范圍及埋深等提供參考依?jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)際資料的運(yùn)用

在陜西某地區(qū)山前斷裂帶斷層調(diào)查中得到一套地質(zhì)資料，相結(jié)合已存在地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)資料與前邊數(shù)值模擬斷層的波場(chǎng)特征，對(duì)實(shí)際的炮集地震記錄進(jìn)行研究分析，然后利用疊加處理剖面進(jìn)行具體實(shí)際資料的檢驗(yàn)。

3.2 實(shí)際資料地震炮集記錄分析

觀(guān)測(cè)系統(tǒng)采用中間放炮，其參數(shù)：采樣率0.2ms；151 道接收其間距2m；51 炮其間距4m；采用100Hz 雷克子波,在ZK-18 測(cè)線(xiàn)所接受到的地震記錄經(jīng)簡(jiǎn)單去噪處理后發(fā)現(xiàn)一處疑似斷點(diǎn)位置，假設(shè)斷點(diǎn)位置為F，根據(jù)正演模擬分析的波場(chǎng)記錄，懷疑斷點(diǎn)的地方分別選取出在斷層附近能反映到斷層特征的炮集記錄，再挑出一些沒(méi)有收到斷層干擾的炮集記錄作為對(duì)比，測(cè)線(xiàn)號(hào)從小到大排列的炮集記錄，斷層沒(méi)有受到影響。

4 結(jié)論

本文通過(guò)正演數(shù)值模擬記錄，分別對(duì)斷層相異位點(diǎn)的炮集記錄展開(kāi)波場(chǎng)特征分析與研究，從而將斷層的波場(chǎng)特征分析廣泛應(yīng)用于具體實(shí)際的地震勘探指導(dǎo)中去，通過(guò)與疊加剖面的對(duì)比檢驗(yàn)二者具有較好的相符性，并且獲得了相應(yīng)的應(yīng)用效果。1）利用波動(dòng)方程的有限差分法，建立了相應(yīng)的斷層模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。剖析了地震波在表征差別相對(duì)較小的地層中的傳播規(guī)律，有利于認(rèn)識(shí)地震波在黃土地層斷層中的波場(chǎng)傳播特性。2）經(jīng)過(guò)研究分析相異的炮集記錄分析了斷層的波場(chǎng)響應(yīng)特征，為深入研究斷層的類(lèi)型以及傾角及斷裂帶的分部范圍提供了重要依據(jù)。3）在淺層地震勘探過(guò)程中存在許多問(wèn)題，如外界的隨機(jī)干擾，層間較薄，層間表征地震屬性差異相對(duì)較小造成波阻抗較小，反射波信號(hào)相對(duì)較弱等造成分辨率、信噪比較低等問(wèn)題，通過(guò)正演模擬研究其斷層的波場(chǎng)響應(yīng)特征，不但可以有效地輔助實(shí)際生產(chǎn)中有效觀(guān)測(cè)系統(tǒng)以及采集參數(shù)的設(shè)置而且還可以對(duì)斷層異常進(jìn)行有效的判斷以及為地震資料處理提供參考依據(jù)為地震處理結(jié)果解釋提供驗(yàn)證性的數(shù)據(jù)，從而提高工作效率和勘探質(zhì)量。