灰?guī)r裸露區(qū)地震波接收影響因素分析

常 鑒

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，南京 211103)

中國南方海相碳酸鹽巖是油氣資源勘探的重要領(lǐng)域，但大部分探區(qū)的地理環(huán)境和地震地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其在灰?guī)r地層出露的山地和山前帶地區(qū)，地震采集的地震記錄信噪比低，成像質(zhì)量差，是地震勘探中典型的低信噪比地區(qū)[1]?；?guī)r裸露區(qū)地震數(shù)據(jù)質(zhì)量差的原因不但與激發(fā)有關(guān)，也與接收有關(guān)[2]。多年以來，以提高該類地區(qū)地震數(shù)據(jù)質(zhì)量為目的的地震采集研究一直在持續(xù)進(jìn)行，內(nèi)容涉及激發(fā)、接收和觀測系統(tǒng)設(shè)計等環(huán)節(jié)[3-4]。其中針對地震接收的研究主要集中在檢波器組合方式試驗、不同類型檢波器對比試驗，旨在通過試驗對比，優(yōu)選出有利于提高地震記錄信噪比的組合參數(shù)，以及利用所選擇的檢波器接收的地震數(shù)據(jù)有利于提高成像精度[5]。但這些措施并沒有對該類地區(qū)資料的改善起到實質(zhì)性改善，其重要的原因之一是針對灰?guī)r裸露區(qū)地震接收的信噪比低的機(jī)理還缺少清晰的認(rèn)識，以至于在采用針對性措施方面缺少可靠的理論依據(jù)。

通過研究發(fā)現(xiàn)，灰?guī)r裸露區(qū)與砂泥巖覆蓋區(qū)表層巖性和結(jié)構(gòu)方面有十分明顯的差異。首先，灰?guī)r裸露地表出露的介質(zhì)是高速灰?guī)r，具有高阻抗的特點；其次，裸露于地表的灰?guī)r受風(fēng)化、溶蝕的作用，喀斯特地貌和溶洞發(fā)育，巖石破碎、覆蓋物的隨機(jī)性充填導(dǎo)致表層介質(zhì)非均質(zhì)性強(qiáng)。由此認(rèn)為導(dǎo)致二者地震數(shù)據(jù)質(zhì)量差的原因應(yīng)該是其地表特點導(dǎo)致的。由于地震數(shù)據(jù)的信噪比是由地震信號的強(qiáng)度與噪聲的相對關(guān)系所決定[6]，所以針對灰?guī)r裸露區(qū)地表特點，利用地震波動力學(xué)理論、數(shù)值與物理正演模擬、現(xiàn)場試驗等方法，結(jié)合地震采集使用的檢波器的工作原理，從灰?guī)r的高阻抗對地震信號強(qiáng)度的影響，以及灰?guī)r裸露地表噪聲的特殊性兩個方面開展研究，以搞清灰?guī)r裸露地表檢波器接收機(jī)理，明確灰?guī)r裸露地表地震數(shù)據(jù)質(zhì)量差的原因，為改善灰?guī)r裸露區(qū)地震采集數(shù)據(jù)質(zhì)量應(yīng)采取針對性措施提供依據(jù)。

1 灰?guī)r裸露區(qū)接收條件對資料的影響

1.1 灰?guī)r裸露區(qū)接收地震數(shù)據(jù)質(zhì)量

圖1 灰?guī)r裸露地表影響地震成像效果Fig.1 The quality of the seismic section of the limestone exposed area is worse than that of the sandstone

圖1所示為四川盆地東北部的一條穿越砂泥巖覆蓋區(qū)和灰?guī)r裸露區(qū)的地震疊加剖面，圖中標(biāo)出了砂泥巖覆蓋區(qū)和灰?guī)r裸露區(qū)的范圍。可以看出，左側(cè)砂泥巖覆蓋區(qū)地震反射層位齊全、波組特征明顯、信噪比高，而右側(cè)灰?guī)r裸露區(qū)深部地層上抬，在地表形成了二疊系灰?guī)r裸露區(qū)，其對應(yīng)的地震剖面幾乎見不到有效反射，說明灰?guī)r裸露地表的地震資料質(zhì)量遠(yuǎn)差于砂泥巖覆蓋區(qū)。用圖2所示的單炮記錄證明灰?guī)r裸露地表接收是導(dǎo)致地震資料質(zhì)量變差的主要原因之一。圖2(a)所示為激發(fā)點和接收排列均在砂泥巖區(qū)的單炮記錄，反射特征明顯，信噪比很高,說明該類地區(qū)包括接收、激發(fā)在內(nèi)的近地表和深層地震地質(zhì)條件良好；圖2(b)為激發(fā)點在砂泥巖區(qū)，其左側(cè)的排列在砂泥巖區(qū)、右側(cè)的排列在灰?guī)r區(qū)的單炮記錄，顯然，在激發(fā)因素相同的條件下，砂泥巖區(qū)接收的地震記錄有明顯的反射波，而灰?guī)r裸露區(qū)卻難以見到，說明灰?guī)r裸露地表接收嚴(yán)重影響了地震記錄質(zhì)量；圖2(c)為激發(fā)點和接收排列均在灰?guī)r區(qū)的單炮記錄，其信噪比很低，這是由于接收和激發(fā)條件均較差的共同作用導(dǎo)致。

圖2 灰?guī)r裸露區(qū)接收影響地震記錄信噪比Fig.2 Limestone bare area receiving influence seismic record signal to noise ratio

1.2 灰?guī)r裸露區(qū)表層條件的特殊性

圖3 灰?guī)r裸露地表與砂泥巖區(qū)地表對比Fig.3 Surface contrast of limestone exposed surface and sand-shale area

(1)灰?guī)r裸露區(qū)和砂泥巖區(qū)地表接收條件的差異非常明顯。圖3所示為貴州某地區(qū)灰?guī)r裸露區(qū)和砂泥巖覆蓋區(qū)典型地表特征。其中圖3(a)所示為灰?guī)r裸露典型地表，由于水對碳酸鹽巖的溶蝕和風(fēng)化作用，灰?guī)r裸露地表喀斯特地貌發(fā)育，地表灰?guī)r直接裸露，或者被厚度不均的風(fēng)化物充填，造成表層巖性具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。當(dāng)在灰?guī)r裸露區(qū)地震采集時，檢波器或被安置在高速灰?guī)r上，或被安置在很薄的覆蓋在灰?guī)r表層的松散介質(zhì)上。在安置方法上，前者可以通過電鉆打眼和石膏固定等方法使檢波器與灰?guī)r介質(zhì)耦合良好，而后者由于風(fēng)化物比較松散，要想將檢波器安置穩(wěn)固比較困難，容易造成檢波器與表層介質(zhì)耦合條件差。圖3(b)所示為砂泥巖覆蓋區(qū)典型地表，其第四系介質(zhì)橫向分布相對均勻，檢波器可以安置在結(jié)實的泥土上，能夠保證與大地較好地耦合。

圖4 砂泥巖與灰?guī)r區(qū)微測井結(jié)果對比Fig.4 Comparison of micro-logging results between sand-shale and limestone areas

(2)灰?guī)r裸露區(qū)和砂泥巖覆蓋區(qū)表層的物理特征差異非常明顯。圖4為與圖3對應(yīng)的兩種地表條件下分別利用微測井獲得的初至波到達(dá)時間t與激發(fā)深度h的對應(yīng)關(guān)系，從而得到近地表速度變化情況。其中圖4(a)顯示的是灰?guī)r裸露區(qū)近地表速度的變化，圖4(b)是砂泥巖區(qū)近地表速度的變化?？梢钥闯?，灰?guī)r裸露區(qū)上方覆蓋著厚度薄、速度低的介質(zhì)，下面為速度達(dá)到4 000 m/s的高速灰?guī)r，該類地表的低速介質(zhì)的厚度大都在0～2 m,橫向厚度變化隨機(jī)性強(qiáng)；砂泥巖區(qū)自上而下分布著低速層、降速層和高速層3層結(jié)構(gòu)，介質(zhì)速度由低到高變化，低、降速層厚度在十幾米至二、三十米，橫向厚度變化比較穩(wěn)定。由上可知，與砂泥巖區(qū)地表接收條件相比，灰?guī)r裸露區(qū)接收條件具有出露的灰?guī)r介質(zhì)阻抗(ρC)高、表層介質(zhì)橫向非均質(zhì)性強(qiáng)、檢波器與地表介質(zhì)耦合條件差的特點。所以，需要針對這3個特點對灰?guī)r裸露區(qū)影響地震資料質(zhì)量的接收因素進(jìn)行分析。由于地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞是由有效信號能量的大小和噪聲水平的高低，即信噪比譜決定，鑒于通常使用的地震檢波器接收的是介質(zhì)中質(zhì)點的運動信息[7]，所以對灰?guī)r裸露區(qū)地震采集中的地震波接收的影響因素分析就圍繞灰?guī)r介質(zhì)中質(zhì)點運動特性，以及灰?guī)r裸露地表與噪聲的關(guān)聯(lián)這兩個方面進(jìn)行。

2 灰?guī)r介質(zhì)的高阻抗對地震波振幅的影響

2.1 質(zhì)點運動特性與地震檢波器接收能量的關(guān)系

檢波器都是感應(yīng)振動的傳感器，地震勘探信號的接收是通過放置在地面上的檢波器感應(yīng)大地質(zhì)點的振動，然后轉(zhuǎn)換成電信號輸出。目前陸上地震勘探使用的檢波器主要是速度檢波器和加速度檢波器兩類[8]。

理論上介質(zhì)中某一質(zhì)點因受到擾動或外力的作用而離開平衡位置后，彈性恢復(fù)力使該質(zhì)點發(fā)生振動，從而引起周圍質(zhì)點的位移變化或振動，于是振動就在彈性介質(zhì)中依次傳播出去，并伴隨有能量的傳遞，即振動是波動的源，波動是振動的傳播過程。從簡單的公式推導(dǎo)就可以得到質(zhì)點運動的特性與振幅的關(guān)系。

設(shè)在一細(xì)棒中沿棒長x方向傳播的質(zhì)點振動方程為

(1)

則質(zhì)點的振動速度為

(2)

質(zhì)點的振動加速度為

(3)

式中：A0為振幅；C為波傳播的速度；ω表示圓頻率；t表示傳播時間。由于質(zhì)點運動的頻率是由振動源決定的，因此，由式(2)、式(3)可知，當(dāng)頻率(振動源)一定的情況下，質(zhì)點振動的速度和加速度越大，振幅就越大。

以簡諧縱波在一細(xì)棒中沿棒長x方向傳播為例，設(shè)波動方程為式(1)，體積元dV的能量等于其動能dWk和勢能dWp之和，即dW=dWk+dWp[9]，其中，

(4)

式(4)中：ρ為質(zhì)量密度；m為質(zhì)量。

(5)

則

(6)

由式(6)可知，質(zhì)點的振幅越大其能量越大。因此，在陸地地震勘探的地震波的接收過程中，相同介質(zhì)(地表)條件下，使用速度和加速度檢波器接收地震波的振幅越大，反映出的地震波的能量就越強(qiáng)。

2.2 地震波振幅與介質(zhì)阻抗的關(guān)系

波通過介質(zhì)時，既是振動傳播過程，也是能量的傳播過程。對接收地震波來說有意義的不是彈性波的總能量，而是單位時間通過單位面積的能量，稱之為能流密度或波的強(qiáng)度[10]。

包含在介質(zhì)單位體積內(nèi)的能量稱為波的能量密度I，方程式[11]為

(7)

式(7)中，divI為I的散度。該式表明了單位體積和體積元內(nèi)機(jī)械能在單位時間內(nèi)的減少量等于通過其表面積的機(jī)械能流失量，該方程式表示已知能量密度可以計算能流密度。能流密度和應(yīng)力張量、位移分量的關(guān)系式為

(8)

式(8)中：Ix、Iy、Iz分別表示x、y、z方向能流密度；u、v、w分別表示x、y、z方向位移分量；σxx、σyy、σzz分別表示x、y、z方向上的正應(yīng)力；τxy、τyx、τyz、τzy、τxz、τzx分別表示不同方向切應(yīng)力；

分別表示u、v、w分量對時間求偏導(dǎo)。

當(dāng)已知應(yīng)力張量和質(zhì)點運動速度，可以計算彈性介質(zhì)的能流密度。例如，當(dāng)彈性介質(zhì)質(zhì)點按簡諧規(guī)律沿x方向振動，并且振動過程只沿x方向傳播，則位移函數(shù)可以寫作式(1)。

求該振動過程的能流密度是一個一維問題，能流密度與波的傳播方向一致，其大小為

(9)

因為：

(10)

式(10)中：λ、μ分別表示拉梅常數(shù)；θ表示質(zhì)點總應(yīng)變；exx表示x方向正應(yīng)變。將式(10)代入式(9)可得：

(11)

(12)

(13)

(14)

由此可得簡諧波一個周期內(nèi)的平均能流密度為

(15)

可見，波所傳播的能量與波的振幅平方成正比，與振動頻率的平方成正比。對一定能量的波，其振幅A0與ρC成反比，即ρC越大，振幅越小。

由此可見，不同阻抗介質(zhì)中質(zhì)點運動振幅的差異不反映波的能量差異，在波動能量和頻率一定的條件下，高阻抗介質(zhì)中質(zhì)點運動的振幅比低阻抗介質(zhì)中質(zhì)點運動的振幅小。在野外，由于砂泥巖覆蓋區(qū)上覆有穩(wěn)定的低降速層，阻抗小，而裸露于地表的灰?guī)r阻抗大，所以，相同的因素激發(fā)，灰?guī)r裸露地表上接收地震波的振幅小，覆蓋有低降速層的砂泥巖區(qū)接收地震波的振幅大，灰?guī)r裸露地表接收的在地震記錄表現(xiàn)為能量弱。

2.3 數(shù)值模擬分析

用數(shù)值模擬結(jié)果能夠直觀地說明在高阻抗和低阻抗介質(zhì)上接收質(zhì)點運動信息時的振幅差異。

圖5 數(shù)值模型示意和模擬參數(shù)Fig.5 Numerical model representation and simulation parameters

圖5所示為正演模型示意和模擬參數(shù)。這是一個由脈沖震源激發(fā)，在高速(阻抗)介質(zhì)和低速(阻抗)介質(zhì)表面同時接收介質(zhì)質(zhì)點運動信息的模擬。模型的兩種不同阻抗介質(zhì)的縱波速度分別為5 116 m/s和2 212 m/s。震源的主頻為5 kHz，目的是能夠保證低速介質(zhì)厚度大于彈性波的波長，以免引起薄層介質(zhì)產(chǎn)生相干，影響初至波的讀取。圖6所示為通過模擬獲得的高阻抗和低阻抗介質(zhì)表面的質(zhì)點運動速度v和加速度a隨時間t變化的波形。圖6(a)、圖6(b)分別為在高速介質(zhì)表面M點和低速介質(zhì)表面(N點)記錄的質(zhì)點速度隨時間的變化；圖6(c)、圖6(d)分別為在高速介質(zhì)表面M點和低速介質(zhì)表面(N點)記錄的質(zhì)點加速度隨時間的變化。可以看出，兩種阻抗介質(zhì)表面接收的質(zhì)點運動的速度和加速度值差異明顯，高阻抗介質(zhì)小，低阻抗介質(zhì)大。表1所示為高速介質(zhì)表面M點和低速介質(zhì)表面N點的速度和加速度振幅范圍，由表中的低速介質(zhì)表面N點和高速介質(zhì)表面M點的速度和加速度振幅值進(jìn)行對比可以看到，低速介質(zhì)表面N點的振幅總是大于高速介質(zhì)表面M點的振幅。由此進(jìn)一步印證了在高阻抗的灰?guī)r上接收波動的質(zhì)點運動信息時，表現(xiàn)出振幅比低阻抗的介質(zhì)振幅低(能量弱)的現(xiàn)象。

圖6 不同阻抗介質(zhì)表面接收的爆炸地震波的質(zhì)點運動速度和加速度對比Fig.6 Comparison of particle velocity and acceleration of explosive seismic waves received on the surface of different impedance media

表1 高速和低速介質(zhì)質(zhì)點振動速度和加速度值范圍Table 1 High-speed and low-speed media particle vibration velocity and acceleration range

3 灰?guī)r裸露地表對噪聲的影響

3.1 非均質(zhì)性的影響

灰?guī)r裸露地表的第二個特點是由于巖溶、風(fēng)化作用形成了特有的不同規(guī)?？λ固氐匦渭胺植济芗娜芸住⑷芏?，并被第四系松散泥土充填，從而導(dǎo)致近地表巖性橫向非均質(zhì)性強(qiáng)，且地表起伏大，這使得散射噪聲更加發(fā)育[12-13]，這一點可以利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行研究[14]。在這里通過圖7的物理模擬進(jìn)一步說明因近地表巖性變化引起的非均質(zhì)性是如何導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生、降低地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的。

圖7(a)和圖7(c)分別是尺寸相同的非均質(zhì)性較弱和非均質(zhì)性較強(qiáng)介質(zhì)的物理模型，在這兩個模型上分別進(jìn)行參數(shù)相同的二維物理模擬地震采集，其中圖中的紅色柱體代表激發(fā)點，藍(lán)色柱體和虛線代表接收排列；圖7(b)和圖7(d)分別為在非均質(zhì)性較弱的介質(zhì)和非均質(zhì)性較強(qiáng)的介質(zhì)上獲得的物理模擬地震記錄，二者對比可以看出，非均質(zhì)性較強(qiáng)介質(zhì)獲得的記錄散射噪聲發(fā)育，信噪比要比非均質(zhì)性較弱介質(zhì)低很多。說明灰?guī)r裸露地表由于劇烈的非均質(zhì)性而導(dǎo)致地震波場中次生散射噪聲發(fā)育，能大大降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。所以提高灰?guī)r裸露區(qū)地震資料質(zhì)量應(yīng)合理使用壓噪技術(shù)。

圖7 介質(zhì)非均質(zhì)性對地震記錄信噪比的影響Fig.7 Influence of medium heterogeneity on signal-to-noise ratio of seismic records

3.2 檢波器耦合的影響

檢波器耦合條件差是灰?guī)r裸露區(qū)地震接收的第三個特點。檢波器耦合是指檢波器與地面介質(zhì)的接觸關(guān)系，良好的耦合能夠保證檢波器忠實地記錄大地振動，反之，檢波器與大地會形成一個諧振系統(tǒng)，其諧振頻率容易落入有效波頻帶范圍，很難予以壓制,所以檢波器耦合的好壞是影響地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素之一[15]。文獻(xiàn)[16]用頻譜分析方法討論了檢波器不同耦合條件下對地震資料不同程度的影響，在前面灰?guī)r裸露區(qū)表層條件的特殊性部分介紹了灰?guī)r裸露區(qū)的地表條件非常不利于檢波器的安置。雖然可以采取的改善耦合的措施很多，但灰?guī)r裸露地表檢波器安置條件非常復(fù)雜，耦合諧振還是難以避免的，且這種現(xiàn)象要比砂泥巖區(qū)嚴(yán)重得多。除此之外，通過在灰?guī)r裸露地表的一個試驗，認(rèn)識到該類地區(qū)還有一種諧振會影響地震采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。

試驗是在一個灰?guī)r采石場進(jìn)行的，試驗點周圍地表平坦。試驗使用的是單個檢波器接收的48道二維排列，每個檢波器都是用電鉆打眼的方式堅固地安置在灰?guī)r地表。圖8(a)是炸藥震源激發(fā)得到的單炮記錄，可以看出，圖中藍(lán)色箭頭所指范圍的波形雜亂，存在與其他地段不同的噪聲，結(jié)合實地研究發(fā)現(xiàn)，波形雜亂區(qū)間對應(yīng)地表的巖石有破碎現(xiàn)象[圖8(b)]，其他波形整齊的區(qū)間對應(yīng)的巖石有很好的整體性[圖8(c)]。對巖石破碎地段的檢波器安置情況進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，盡管該段檢波器與其安置的巖石耦合良好，但其安置的巖石介質(zhì)與基巖(大地)卻不是一體的，即在檢波器安置條件復(fù)雜的灰?guī)r裸露地表即使解決了檢波器與其安置的巖石介質(zhì)耦合問題，但可能還存在檢波器安置的巖石介質(zhì)與大地之間的耦合問題，這會導(dǎo)致檢波器所安置的巖石與基巖(大地)之間形成了一個諧振系統(tǒng)，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)地面對該系統(tǒng)激勵后，會形成檢波器安置的巖石介質(zhì)-大地的諧振干擾，若巖石的質(zhì)量較大時，產(chǎn)生的諧振頻率會較低，更容易落入地震反射波有效頻帶內(nèi)。

圖8 灰?guī)r地表檢波器耦合對地震記錄的影響Fig.8 Influence of limestone surface detector coupling on seismic record

檢波器-巖石介質(zhì)、巖石介質(zhì)-大地耦合諧振系統(tǒng)可以用圖9的機(jī)械響應(yīng)系統(tǒng)說明。圖9(a)所示為正常狀況下的檢波器接收的過程，其上部黑框中的振動系統(tǒng)代表動圈式檢波器，圓盤旋轉(zhuǎn)代表大地震動，中間剛性連接部分代表良好的耦合，這樣大地的震動能夠被真實記錄。圖9(b)所示為存在巖石介質(zhì)-大地諧振系統(tǒng)時的地震波接收過程，與圖9(a)相比，多出了彈簧部分，該彈簧與上部黑框部分形成了一個振動系統(tǒng)，產(chǎn)生諧振噪聲，這種諧振很可能落入地震有效波頻帶范圍內(nèi)。所以，灰?guī)r裸露區(qū)地震接收不但容易產(chǎn)生檢波器與介質(zhì)的耦合問題，還容易存在檢波器安置的介質(zhì)與基巖(大地)耦合諧振的問題。文獻(xiàn)[17]對上述現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，將整個接收過程稱之為三自由度振動系統(tǒng)。可以進(jìn)一步推斷，當(dāng)灰?guī)r裸露地表巖石破碎嚴(yán)重，接收條件極其復(fù)雜時，還會導(dǎo)致出現(xiàn)多自由度振動系統(tǒng)[18]，產(chǎn)生更為復(fù)雜的多重耦合諧振。

圖9 檢波器耦合的機(jī)械響應(yīng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the mechanical response of the detector coupling

4 結(jié)論

(1)能量和頻率一定的機(jī)械波在阻抗不同的介質(zhì)中傳播時，其質(zhì)點運動的振幅不同，高阻抗介質(zhì)的振幅強(qiáng)，低阻抗介質(zhì)的振幅弱。在地震勘探激發(fā)因素相同的條件下，使用接收質(zhì)點運動信息的速度或加速度檢波器，導(dǎo)致低阻抗的覆蓋有低降速層的砂泥巖區(qū)接收的地震波振幅強(qiáng)，而高阻抗的灰?guī)r裸露區(qū)接收的地震波振幅弱的結(jié)果。

(2)與砂泥巖區(qū)相比，灰?guī)r裸露區(qū)地表巖石介質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，非均質(zhì)性更強(qiáng)，導(dǎo)致次生噪聲更加發(fā)育；同時，灰?guī)r裸露區(qū)不但容易產(chǎn)生檢波器與其安置的介質(zhì)的耦合問題，還容易存在檢波器安置的介質(zhì)與大地的耦合諧振的問題，產(chǎn)生更為復(fù)雜的多重耦合諧振，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(3)灰?guī)r地表的高阻抗導(dǎo)致地震接收的信號振幅弱，地表的復(fù)雜性導(dǎo)致噪聲強(qiáng)且種類復(fù)雜，二者的綜合作用使得該類地區(qū)地震資料信噪比低。提高資料質(zhì)量的方法應(yīng)該是壓噪技術(shù)的合理應(yīng)用，以及在檢波器安置時減小和避免各類耦合噪聲。