淺層地震勘探多道反射時(shí)深轉(zhuǎn)換方法

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049)

0 引 言

淺層地震勘探多道反射法是目前探測(cè)隱伏區(qū)地層結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造的有效方法之一，其定量解釋精度明顯優(yōu)于其他地球物理方法，因此在城市活斷層探測(cè)中被廣泛應(yīng)用(何正勤等，2010；秦晶晶等，2020)。資料解釋的可靠性主要取決于處理過(guò)程中有關(guān)參數(shù)提取的質(zhì)量，后者決定了地震時(shí)間剖面效果的好壞，因此正確提取參數(shù)是地震數(shù)據(jù)處理工作的前提和保證(何樵登等，1986)。其中，速度參數(shù)是地震勘探時(shí)深換算最重要的參數(shù)，其準(zhǔn)確率在一定程度上影響到反射物性界面深度解釋的精度(李伍志等，2011)。

在淺層地震多道反射法勘探中，常用的時(shí)深轉(zhuǎn)換算法有：① 根據(jù)地震時(shí)間剖面有效反射波組劃分情況，結(jié)合鉆孔、區(qū)域地質(zhì)等資料，分析解釋反射波組對(duì)應(yīng)的物性層分界面，綜合地震數(shù)據(jù)處理計(jì)算的速度與鉆孔反算的速度求取各有效反射波組對(duì)應(yīng)的時(shí)深換算平均速度，再對(duì)劃分的各有效反射物性界面的到時(shí)值進(jìn)行深度換算；② 根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)各測(cè)線經(jīng)地震數(shù)據(jù)處理所得的平均速度，結(jié)合相關(guān)鉆孔資料綜合求取測(cè)區(qū)內(nèi)時(shí)深轉(zhuǎn)換值，再對(duì)獲取的地震時(shí)間剖面劃分的各有效反射物性界面進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換。

對(duì)橫向速度變化較小的水平層狀地層，以上方法深度解釋誤差相對(duì)較??；但對(duì)橫向速度變化較大的起伏較大地層，深度解釋誤差有所增大。在缺少可供參考的波速測(cè)井資料的情況下，如果地震時(shí)間剖面有效反射波組與鉆孔分層對(duì)應(yīng)關(guān)系不夠準(zhǔn)確，亦會(huì)導(dǎo)致所劃分物性層頂面埋深及其層速度產(chǎn)生較大的誤差。

綜上所述，在有效地震數(shù)據(jù)處理前提下，為盡量提高淺層地震多道反射法資料深度解釋的可靠性，在淺層地震多道反射法最終時(shí)間剖面經(jīng)時(shí)深轉(zhuǎn)換模塊(time-to-depth conversion)處理所得的相應(yīng)深度剖面的基礎(chǔ)之上，結(jié)合鉆孔、區(qū)域地質(zhì)等資料，對(duì)劃分的有效物性反射界面的深度進(jìn)行校正，再進(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)解釋。

1 速度參數(shù)的提取

淺層地震勘探欲獲取高質(zhì)量資料，首要任務(wù)是野外數(shù)據(jù)采集獲得高信噪比單炮記錄(安好收等，2019)，而地震數(shù)據(jù)處理對(duì)最終結(jié)果的可靠性起著至關(guān)重要的作用(何正勤等，2013)。在地震資料解釋中，速度參數(shù)的應(yīng)用是解釋工作的重要環(huán)節(jié)，淺層地震多道反射法在地震數(shù)據(jù)處理時(shí)主要通過(guò)分析獲取疊加速度譜以提取速度參數(shù)(何樵登等，1986)。根據(jù)疊加速度譜上能量團(tuán)強(qiáng)弱的分布，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及速度掃描時(shí)間剖面效果，選取最佳的疊加速度曲線(圖1)。

1.1 速度值拾取

圖1 淺層地震勘探多道反射疊加速度譜圖(a)疊加速度譜；(b)共炮點(diǎn)道集;(c)某相鄰CDP拾取某一疊加速度值時(shí)同相軸的疊加顯示；(d)某相鄰CDP在速度函數(shù)同相軸的疊加顯示Fig. 1 Stacking velocity spectrum of multi-channel reflection in shallow seismic exploration(a) Stacking velocity spectrum; (b) Common-source point gather; (c) Stacking of in-phase axis when a group of adjacent CDP picks up a stacking velocity value; (d) Stacking of a group of adjacent CDP on the in-phase axis of the velocity function

圖1中，速度值拾取可在圖1a或圖1d界面上完成。圖1a為疊加速度譜，即地震波能量(振幅)相對(duì)速度值的變化規(guī)律。對(duì)某一給定自激自收時(shí)間t0，按一定速度步長(zhǎng)計(jì)算反射波時(shí)距曲線，據(jù)此曲線在共炮點(diǎn)或共中心點(diǎn)道集的各道上取能量(振幅)值相加，當(dāng)能量(振幅)值達(dá)到最大即能量團(tuán)較強(qiáng)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的速度值即為該時(shí)間t0(深度)處對(duì)應(yīng)的共炮點(diǎn)或共中心點(diǎn)反射波時(shí)距曲線的最佳疊加速度(何樵登等，1986)。

1.2 速度譜拾取

速度譜的拾取主要為橫向與縱向，即CDP(共深度點(diǎn))與時(shí)間軸2個(gè)方向。

(1) 橫向上，為使測(cè)線處所選速度值相對(duì)合理，在疊加速度譜拾取時(shí)，根據(jù)地質(zhì)情況及速度掃描時(shí)各有效反射波組動(dòng)校效果，合理控制橫向拾取間距，盡量使橫向上拾取的疊加速度值相對(duì)均勻分布。在速度掃描中，當(dāng)各有效反射波組起伏不大或橫向速度變化較小時(shí)，拾取間距宜選用50～100 CDP；當(dāng)各有效反射波組起伏較大或橫向速度變化較大時(shí)，要適當(dāng)減小疊加速度譜的橫向拾取間距，即加密橫向拾取數(shù)據(jù)量，拾取間距宜<50 CDP，盡量使拾取的疊加速度值較客觀地反映實(shí)地情況。

(2) 縱向上，對(duì)每一CDP點(diǎn)處時(shí)間軸方向上疊加速度值的拾取，一般遵循由淺(到時(shí)早)至深(到時(shí)晚)遞增的原則(伊爾馬滋，2006)，根據(jù)速度譜能量團(tuán)強(qiáng)弱分布情況，結(jié)合速度掃描值所對(duì)應(yīng)的同相軸動(dòng)校效果等，合理拾取疊加速度值。

在整條測(cè)線疊加速度值拾取完成且疊加處理后，根據(jù)各有效反射波組疊加效果，對(duì)局部疊加效果不理想段的疊加速度值再作適當(dāng)修正，直至達(dá)到最佳疊加效果。為使最佳疊加速度所對(duì)應(yīng)的疊加剖面獲得最優(yōu)處理效果，還需進(jìn)行有效的疊后精細(xì)處理，以滿(mǎn)足地質(zhì)解釋的需求，得到最終地震時(shí)間剖面圖(圖2)。

圖2 淺層地震勘探多道反射時(shí)間剖面圖Fig. 2 Time profile of multi-channel reflection in shallow seismic exploration

2 時(shí)深剖面轉(zhuǎn)換

淺層地震勘探多道反射法采集的原始數(shù)據(jù)主要與空間、時(shí)間等參數(shù)有關(guān)，處理結(jié)果多為時(shí)間剖面，雖然可以反映地層的結(jié)構(gòu)形態(tài)、構(gòu)造性質(zhì)及其傾向與位置等，但不能準(zhǔn)確給出地層分界面的埋深、構(gòu)造的產(chǎn)狀及其上斷點(diǎn)的埋深等信息。淺層地震勘探時(shí)深轉(zhuǎn)換即為將時(shí)間剖面轉(zhuǎn)換成適于地質(zhì)解釋的深度剖面，而速度模型建立的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響時(shí)深轉(zhuǎn)換的效果(賈凌云等，2011；秦童等，2018)，進(jìn)而影響地質(zhì)解釋的精度。地震波速度是時(shí)深換算中最重要的參數(shù)，求取的值的準(zhǔn)確程度會(huì)直接影響各有效物性反射界面埋深值的精度。

淺層地震多道反射法一般采用平均速度對(duì)所獲取的地震時(shí)間剖面進(jìn)行時(shí)深換算(李英賓等，2019)，相對(duì)準(zhǔn)確的平均速度值多通過(guò)波速測(cè)井獲取(李培培等，2015)。大多數(shù)情況下，因鉆探及波速測(cè)井成本較高，波速測(cè)井資料很少。地層波速資料只反映鉆孔附近小范圍的情況，不能代表整條測(cè)線或測(cè)區(qū)的結(jié)果(丁衛(wèi)平等，2012；汪俊等，2020)，因此淺層地震多道反射法平均速度值的求取主要根據(jù)地震數(shù)據(jù)處理得到的疊加速度計(jì)算得出。

為使各測(cè)線地震時(shí)間剖面各有效反射波組疊加效果達(dá)到最佳疊加速度值，經(jīng)Dix公式計(jì)算，求取各測(cè)線所對(duì)應(yīng)的平均速度，并將其加載到時(shí)深轉(zhuǎn)換模塊中，對(duì)各測(cè)線最終地震時(shí)間剖面進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換處理，得到相應(yīng)的深度剖面，再結(jié)合時(shí)間剖面各有效反射波組劃分情況及測(cè)線經(jīng)過(guò)處的鉆孔資料等，對(duì)獲取的深度剖面對(duì)應(yīng)的各有效反射波組進(jìn)行深度標(biāo)定(標(biāo)定系數(shù)求取主要依據(jù)基巖面深度，這主要是因?yàn)楦采w層內(nèi)物性層劃分界限不如基巖面確定清楚)，最終得到適于地質(zhì)解釋的深度剖面圖(圖3)。

圖3 淺層地震勘探多道反射深度剖面圖Fig. 3 Depth profile of multi-channel reflection in shallow seismic exploration

3 地質(zhì)解釋剖面圖編制

根據(jù)各測(cè)線經(jīng)地震數(shù)據(jù)處理所獲取的最終時(shí)間剖面進(jìn)行有效反射波組對(duì)比和同相軸追蹤，首先進(jìn)行目的層位(如基巖反射)的連續(xù)追蹤，然后對(duì)覆蓋層內(nèi)層位進(jìn)行對(duì)比分析，力求連續(xù)準(zhǔn)確(安好收等，2017)。在以上相位劃定基礎(chǔ)上，根據(jù)各測(cè)線所對(duì)應(yīng)的最終適于地質(zhì)解釋的深度剖面的各有效反射波組繪制相應(yīng)的深度矢量圖，然后根據(jù)要求的比例尺繪制各測(cè)線的淺層地震勘探多道反射法地質(zhì)解釋剖面圖(圖4)。結(jié)合區(qū)內(nèi)鉆孔、區(qū)域地質(zhì)等資料對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)推斷解釋。圖4顯示在基巖面反射波組Tg以下(即基巖內(nèi)部)存在一系列與其斜交的不整合反射波組，這一特征可作為判斷基巖面反射波組的依據(jù)之一。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某研究區(qū)穿過(guò)鉆孔ZK20的L3測(cè)線的部分淺層地震多道反射剖面為例進(jìn)行可行性分析。圖5為穿過(guò)該鉆孔L3測(cè)線的部分淺層地震多道反射時(shí)間剖面圖，圖6為按上述方法獲取的對(duì)應(yīng)深度剖面圖，鉆孔ZK20位于圖5、圖6中CDP660(圖中e點(diǎn))位置附近。根據(jù)資料，巖性及分層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

圖4 淺層地震勘探多道反射時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋剖面圖Fig. 4 Time section and geological interpretation section of multi-channel reflection in shallow seismic exploration

圖5 L3測(cè)線淺層地震勘探多道反射時(shí)間剖面圖(部分)Fig. 5 Time section of multi-channel reflection in shallow seismic exploration on survey line L3 (part)

圖6 L3測(cè)線淺層地震勘探多道反射深度剖面圖(部分)Fig. 6 Depth section of multi-channel reflection in shallow seismic exploration on survey line L3 (part)

表1 鉆孔ZK20地層結(jié)構(gòu)

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及鉆孔等資料，經(jīng)各測(cè)線對(duì)比分析，認(rèn)為時(shí)間剖面圖(圖5)中基巖面反射波組Tg以上主要存在2組有效反射波組T1、T2。深度剖面圖(圖6)中各有效反射波組根據(jù)時(shí)間剖面圖5劃定。

圖5顯示，在CDP660(圖中e點(diǎn))附近，基巖面反射波組Tg雙程到時(shí)為170 ms左右，覆蓋層內(nèi)反射波組T1、T2雙程到時(shí)分別約為63、110 ms。

同一位置，深度剖面圖(圖6)顯示反射波組T1、T2、Tg的埋深分別約為55、97、155 m。因基巖面的確定較覆蓋層內(nèi)物性界面的劃定更準(zhǔn)確，所以各有效反射波組的深度標(biāo)定系數(shù)主要依據(jù)鉆孔揭示的基巖面埋深與深度剖面圖顯示的基巖面反射波組Tg埋深的比值求取。

鉆孔ZK20(e點(diǎn)位置)揭示基巖面埋深為159 m，深度剖面圖(圖6)顯示基巖面反射波組Tg埋深為155 m，經(jīng)計(jì)算所得深度標(biāo)定系數(shù)約為1.026，將e點(diǎn)位置各有效反射波組埋深乘以此標(biāo)定系數(shù)，得到該位置反射波組T1、T2及Tg標(biāo)定后的深度分別約為56、100、159 m。按上述方法對(duì)獲取的整條測(cè)線各有效反射波組深度值進(jìn)行標(biāo)定后，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及鉆孔等資料，根據(jù)要求的比例尺繪制相應(yīng)的地質(zhì)解釋剖面圖。

也可通過(guò)對(duì)平均速度值的標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)深度的校正。根據(jù)疊加速度并由Dix公式計(jì)算所得的平均速度(表2)顯示，CDP600處雙程到時(shí)150、180 ms的平均速度分別為1 772、1 822 m/s，CDP700處雙程到時(shí)150、180 ms的平均速度分別為1 810、1 870 m/s。據(jù)此，通過(guò)線性插值計(jì)算可求得CDP660處(圖中e點(diǎn)，鉆孔位置)雙程到時(shí)170 ms的平均速度為1 832 m/s。根據(jù)此位置鉆孔揭示的基巖面深度(159 m)及時(shí)間剖面(圖5)顯示的反射波組Tg雙程到時(shí)(170 ms)，可反算求得此處基巖面以上的平均速度為1 871 m/s。將根據(jù)鉆孔反算求得的平均速度除以根據(jù)疊加速度由Dix公式計(jì)算所得的平均速度，即可得到平均速度值標(biāo)定系數(shù)約為1.021。將由Dix公式計(jì)算所得的所有平均速度乘以標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行校正，然后進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換處理，得到校正后的深度剖面。

表2 根據(jù)疊加速度由Dix公式計(jì)算的平均速度

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，可計(jì)算得到基巖面埋深值的相對(duì)誤差≈2.5%，平均速度值相對(duì)誤差≈2.1%，說(shuō)明在研究區(qū)缺少鉆孔資料情況下，通過(guò)此方法可得到相對(duì)誤差≤5%的界面數(shù)據(jù)，能夠滿(mǎn)足勘探精度的要求。

5 結(jié) 論

時(shí)深轉(zhuǎn)換是淺層地震勘探多道反射法進(jìn)行地質(zhì)解釋的關(guān)鍵一步，其轉(zhuǎn)換效果直接影響各有效反射物性界面埋深解釋精度。要使所得的淺層地震深度剖面的解釋誤差相對(duì)較小，在進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換時(shí)需注意下列4點(diǎn)。

(1) 速度參數(shù)是淺層地震勘探多道反射法時(shí)深換算最關(guān)鍵的參數(shù)，其提取的準(zhǔn)確性直接影響時(shí)深轉(zhuǎn)換的效果，進(jìn)而影響各有效反射物性界面深度解釋誤差的大小，應(yīng)據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)情況、速度掃描效果、橫向和縱向波速變化規(guī)律，合理控制速度譜拾取間距及疊加速度值的拾取。

(2) 淺層地震勘探多道反射法時(shí)深轉(zhuǎn)換應(yīng)在經(jīng)地震數(shù)據(jù)處理后的最終時(shí)間剖面上進(jìn)行，以適用于相應(yīng)的地質(zhì)解釋。

(3) 當(dāng)測(cè)線經(jīng)過(guò)鉆孔位置時(shí)，應(yīng)根據(jù)鉆孔資料對(duì)所獲取的深度剖面各有效反射波組直接進(jìn)行深度校正；或根據(jù)鉆孔反算的平均速度，對(duì)根據(jù)疊加速度并由Dix公式計(jì)算得到的平均速度進(jìn)行標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)深度剖面各有效反射波組深度的校正。

(4) 參照最終時(shí)間剖面所劃分的各有效反射波組，依據(jù)所獲取的相應(yīng)最終深度剖面，繪制對(duì)應(yīng)的各有效反射物性界面深度矢量圖，然后根據(jù)要求的比例尺繪制淺層地震勘探多道反射法地質(zhì)解釋剖面圖，再結(jié)合測(cè)區(qū)相關(guān)鉆孔及區(qū)域地質(zhì)等資料進(jìn)行合理的地質(zhì)推斷解釋。