基于諧振原理的地震勘探方法在資源勘查中的應(yīng)用

李紅光，侯 錚

（黑龍江省有色金屬地質(zhì)勘查七〇六隊，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

傳統(tǒng)的地震勘探方法在勘測石油、天然氣資源、煤田、區(qū)域地質(zhì)研究和地殼研究等方面，都得到廣泛應(yīng)用。地震勘探是通過人工方法激發(fā)地震波，研究地震波在地層中傳播的規(guī)律與特點，以查明地下的地質(zhì)構(gòu)造、沉積、儲層等地質(zhì)特征，為尋找油氣田（藏）或其它勘探目標(biāo)服務(wù)的一種物探方法。地震理論經(jīng)過幾個世紀(jì)的論證演變，已經(jīng)非常全面細(xì)致了，但是在生產(chǎn)使用上我們還有很多路要走[1]。

1 地質(zhì)發(fā)展背景

地震研究始于19世紀(jì)中期。1845年，r.馬利特使用人工激發(fā)地震波來測量彈性波在地殼中的速度，這是地震研究的開始。第一次世界大戰(zhàn)，交戰(zhàn)的各方都使用重炮后坐力造成的地震波來確定彼此的武器（重炮）位置。1913年前后，r.費森登在其著作中對利用反射波進行地震勘探的方法進行論述，但受限于當(dāng)時的技術(shù)原因，該項技術(shù)無法達到實際應(yīng)用水平。1921年，j.c.卡徹將地震反射研究應(yīng)用于實際，首次在美國俄克拉荷馬州記錄了人造地震反射波。1930年，通過反射法地震勘探，在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了三個油田；從那時起，反射法進入了工業(yè)應(yīng)用階段。關(guān)于折射的地震研究始于20世紀(jì)初的德國，在20世紀(jì)20年代的l.明特羅普，通過折射地震勘探在墨西哥灣沿岸發(fā)現(xiàn)了許多鹽丘。30年代，蘇聯(lián)，Г.А.甘布爾采夫等吸收反射法的相關(guān)技術(shù)，相應(yīng)的改進了折射法；初始折射法只能記錄先到達的折射波，而改進的折射法可以記錄后期到達的折射波，可以更仔細(xì)地觀察研究波形特性。在20世紀(jì)50年代和60年代，光點照相記錄方式被模擬磁帶記錄方法所取代，這種方法通過為多次回放選擇不同的記錄，來提高記錄質(zhì)量。20世紀(jì)70年代，模擬磁帶記錄被數(shù)字磁帶記錄取代，建立了以高速數(shù)字計算機記錄、多覆蓋技術(shù)、地震計算技術(shù)為基礎(chǔ)的完整技術(shù)體系，大大提高了記錄精度和解決地質(zhì)問題的能力。自20世紀(jì)70年代初以來，地震勘探已被用于研究巖石巖性及其孔隙中的流體組成?；诘卣饡r間剖面分析的氣藏“亮點”分析和基于地震反射波振幅與偏移量關(guān)系的油氣儲層預(yù)測(見圈閉)，成功例子很多[2]。擬測井技術(shù)可以計算地層波阻抗和層速度，在條件允許的情況下，可以達到地質(zhì)分析要求的實際效果?，F(xiàn)代地震勘探正由構(gòu)造勘探演化為巖性勘探。

2 中國地震勘探技術(shù)發(fā)展

中國從1951年開始進行地震勘探，并將其應(yīng)用于石油和天然氣儲量、煤田、工程地質(zhì)和一些金屬礦山的勘探。20世紀(jì)60年代，中國進入了大規(guī)模地球物理研究的階段，在這一時期，地震研究小組不僅迅速發(fā)展，而且地震儀器也不斷更新和發(fā)展。模擬帶式存儲的地震儀是1966年開發(fā)的，數(shù)字的地震儀是1968年開發(fā)的。在此期間，勝利、大港、江漢和其他油田被發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代，中國地球物理數(shù)據(jù)處理技術(shù)和解釋進步明顯。中國已經(jīng)建立了幾個計算機處理中心，將反褶積、遷移等更復(fù)雜處理方式作為常規(guī)方法；相應(yīng)波長的形狀、亮點、即時的在線分析、碳和氮以及其他特殊處理也得到了廣泛應(yīng)用。解譯技術(shù)的發(fā)展得益于計算機處理能力和水平高速進步，使解譯結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。20世紀(jì)80年代初，人機交互解釋系統(tǒng)問世；解釋工作站不僅提高地震解譯的效率，而且將地震數(shù)據(jù)的解釋和自動化提高到了一個新的水平。20世紀(jì)90年代，我國各大油田分別進行了新一輪的計算機系統(tǒng)的更新?lián)Q代，多節(jié)點、并行算法的巨型計算機和相應(yīng)的地震資料處理系統(tǒng)的引進，極大的推動了我國油氣勘探開發(fā)技術(shù)的深入發(fā)展。地震資料解釋目前主要采用從國外引進的Landmark和GeoFram工作站交互解釋系統(tǒng)。目前國內(nèi)使用的處理和解釋系統(tǒng)主要由物探局推出的GRISYS和GRISTATION。在這十年中的核心技術(shù)有：高分辨率三維地震勘探、時間推移(4D)地震技術(shù)、三維深度偏移成像、地震資料的三維可視化解釋等。

在陸地和海洋反射法、折射法這兩種方法均可應(yīng)用。折射法在研究很淺或很深的界面、尋找特殊的高速地層時比反射法更有效。但折射法的應(yīng)用有條件限制，其要求界面下層波速必須大于上層波速，所以折射法的應(yīng)用范圍較窄；而反射法只對巖層波阻抗的要求有所變化，易于得到滿足，因而地震勘探中廣泛采用的是反射法?，F(xiàn)在反射法作為主流的地震勘探方式，其主要采用的是時間域反射勘探方案，反射地震基于的基本原理：(回聲測距原理)S=1/2×vt，即假設(shè)彈性地震波在時間和空間上的傳播符合波動方程及其極限；在地表采集地震反射波序列，得到反射波的時間剖面，時間剖面經(jīng)過偏移校正和時深轉(zhuǎn)換后，得到的鉛垂深度剖面，即以波動形式表述的波阻抗差。這種勘探方式，日趨成熟，解譯越加完善，但同時受到原理因素的限制，其先天就有很多不足之處，限制了地震技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 國外的地質(zhì)測量點技術(shù)

1989年，日本科學(xué)家中村(Nakamura)提出了一種特殊的評估方法，該方法是在同一地面測量點上，根據(jù)水平分量與豎向分量傅里葉振幅譜比值來估計場地特征，即“中村法”。這種方法常用于研究場地的特征，并取得了許多成果。目前，國內(nèi)外的研究人員也在使用這種方法研究相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征。該技術(shù)的實質(zhì)是測量地下物體彈性波的諧振頻率。諧振也叫共振，即當(dāng)一個物體受到一定彈性頻率的波的激勵時，其反應(yīng)的振幅被放大。我們的日常生活正有很多共振現(xiàn)象的實例，其中1940年，美國的全長860m的塔柯姆大橋，就是因為大風(fēng)引起的共振而被吹毀。而地下地質(zhì)體對地震波的反應(yīng)，也是有共振現(xiàn)象存在的，當(dāng)一定頻率的振動作用于地質(zhì)體時，地質(zhì)體發(fā)生共振，導(dǎo)致地震波的振幅顯著增加。所以，諧振應(yīng)用于地質(zhì)勘探是有一定的理論基礎(chǔ)的；但是長期以來，人們對這一現(xiàn)象的認(rèn)識，并沒有形成理論研究體系。其主要原因是，該技術(shù)主要利用的震源是無源地震信號，需要通過多次疊加從大量弱信號數(shù)據(jù)中獲取有用信息。其次，自然界的震源信號是復(fù)雜的，地質(zhì)上有用的信號主要來自于地下的微弱信號。因此，在高噪聲條件下，很難獲得長期觀測和分析的數(shù)據(jù)。因此，這些因素影響著諧振這種地震勘探方法的發(fā)展。多年來，人們普遍認(rèn)識到，這種方法一般適用于災(zāi)害分析和特定類型地震研究。近年來，由于微動技術(shù)的發(fā)展，人們開始嘗試在結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中使用這一技術(shù)。2016年，英國國家地質(zhì)調(diào)查局基于該技術(shù)原理開發(fā)了一種被動微震技術(shù)，并嘗試將其應(yīng)用于碳酸鹽巖溶發(fā)育和巖相變化地區(qū)研究。實驗使人們驚奇地獲得了諸如基巖與第四系的邊界、灰?guī)r與白云巖之間的界面以及裂縫發(fā)育區(qū)域等信息。由于技術(shù)本質(zhì)上是被動微動技術(shù)的一個分支(即一種非人工源)，它省略了主動源，但是檢測時間大大的增加了。

4 地震技術(shù)探測算法

我國對“中村法”以及諧振法的研究一直都在進行，但是由于受到早期的技術(shù)限制，很多想法無法實現(xiàn)。但是，這不影響我們對諧振法的應(yīng)用推廣。2005年一種基于諧振原理的勘探方法進入到油氣開發(fā)中，其利用油氣儲層的固有頻率區(qū)段發(fā)生諧振現(xiàn)象，來確定地下的地層位置，并以該地層位置作為油氣聚集的部位。吳會良完善了該方法，利用該方法可以很好的解決油氣檢測成功率低的問題，從而有效地降低石油勘探的風(fēng)險，提高投資回報率。油氣上諧振方法的成功應(yīng)用，充分說明諧振理論的科學(xué)性。諧振原理的特性代表了其有很廣闊的發(fā)展空間，所以基于諧振原理的開發(fā)應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。2017年，北京派特森科技股份有限公司董事長薛愛民博士，依托于大型計算機技術(shù)，開發(fā)并成功實踐應(yīng)用了地震波頻率諧振勘探技術(shù)（Seismic FRP），該技術(shù)具有極高的勘探靈敏度（特別是對于中淺層），對地質(zhì)屬性具有超常的鑒別能力，適應(yīng)復(fù)雜地表環(huán)境和地下介質(zhì)環(huán)境，采集作業(yè)方便、靈活、經(jīng)濟、快速，數(shù)據(jù)處理快速、地質(zhì)解釋明確簡單。

諧振勘探技術(shù)的技術(shù)原理是通過利用地震勘探中地震波的積分公式：，其穩(wěn)態(tài)情況下可以進一步簡化為：，由公式可知地震波振幅是幾何關(guān)系G和頻率及地質(zhì)性質(zhì)M（即傳遞函數(shù)）的函數(shù)，地震波傳遞函數(shù)M是波的頻率和沿路徑介質(zhì)性質(zhì)的函數(shù)；當(dāng)?shù)刭|(zhì)模型為簡單的雙層結(jié)構(gòu)時，當(dāng)S1=90°時發(fā)生諧振，，最后簡化為上下兩層的波阻抗的比值，多層結(jié)構(gòu)可以通過遞推公式繼續(xù)計算得到；通過公式推導(dǎo)最后得到，其中是輸入震動振幅，是地面測量值，是我們想得到的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)與地層的關(guān)系公式有確定公式，有了放大倍數(shù)（傳遞函數(shù)），可以反過來計算出地層參數(shù)；那么地下地質(zhì)體的密度情況就可以通過公式計算出來，密度變化，對地質(zhì)體性質(zhì)的判定是直接的，相比其他地震勘探手段(面波、反射波、折射波)而言，頻率諧振勘探技術(shù)增加了直接找礦、評判最優(yōu)靶點的能力，以此還可以進一步得到地質(zhì)體的波速，有了速度與密度，頻率諧振的勘探目標(biāo)體基本沒有任何限制。經(jīng)過實際生產(chǎn)應(yīng)用，頻率諧振技術(shù)在油氣，技術(shù)礦產(chǎn)，工程施工，無論在深度上，精度上都達到了以往無法達到的高度；并且由于諧振原理的先天優(yōu)勢，其既可以利用有源地震的方式，又可以利用天然噪音作為信號，基本沒有體積效應(yīng)的影響，可利用的海量的數(shù)據(jù)，進行高精度的探測工作。

5 實驗分析

頻率諧振技術(shù)近三年才剛剛興起，處于起步階段，但是由于薛愛民教授的大力推廣，基于這項技術(shù)的優(yōu)勢，在全國各地已經(jīng)開展了很多實際工作，通過市場的驗證，全國新的城市地質(zhì)招標(biāo)項目中頻率諧振技術(shù)都已經(jīng)被認(rèn)可。僅僅三年，已經(jīng)證明該技術(shù)本身的價值和優(yōu)勢，在精細(xì)探測方面：1mm～2mm的淺部裂縫可以成像，在深部勘探方面：40Km的深部地質(zhì)完全可以成像，在屬性勘探方面：對孔隙度、速度、密度、剛度、泊松比都敏感，同時這項新的技術(shù)還有許多技術(shù)尚待開發(fā)，如速度分析、偏移等。

6 結(jié)語

地震頻率諧振勘探技術(shù)是一種新的地震勘探技術(shù)，該技術(shù)的勘探精度對常規(guī)物探方法形成了挑戰(zhàn)，該技術(shù)安全環(huán)保，經(jīng)濟性好，對于現(xiàn)階段困擾油氣開發(fā)、金屬礦產(chǎn)勘查等方面的問題，都能以另一種全新的方式提供較好的解決方案，其具備強大的開發(fā)潛力。