李衛(wèi)忠 劉連升 范留明 Saleh M aghlouth 門少華

1.同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院 2.Sino Saudi Gas L td. 3.北京帕美智軟件開發(fā)公司 4.西安理工大學(xué)

基于近地表相分析的全局約束近地表建模方法

李衛(wèi)忠1,2劉連升3范留明4Saleh M aghlouth2門少華3

1.同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院 2.Sino Saudi Gas L td. 3.北京帕美智軟件開發(fā)公司 4.西安理工大學(xué)

針對(duì)復(fù)雜地表地區(qū)近地表地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件變化劇烈、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),提出近地表相和近地表相分析的概念和理論方法,在完成近地表相分析的基礎(chǔ)上,充分利用可控震源地震采集、近地表調(diào)查等所得到的多種地學(xué)數(shù)據(jù),進(jìn)行了近地表黏彈性參數(shù)反演并提出了擬微測(cè)井的概念,進(jìn)而建立了高精度的極淺近地表層模型,最后結(jié)合地震波初至層析反演實(shí)現(xiàn)了各種地學(xué)數(shù)據(jù)及多種近地表建模方法之間宏觀與微觀的全局約束,建立了具有明確地質(zhì)、地球物理意義的近地表模型。微測(cè)井和VSP數(shù)據(jù)標(biāo)定結(jié)果表明:該模型精度較高,實(shí)際資料處理應(yīng)用中較好地解決了中長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正問題。該方法代表了目前近地表模型研究的一個(gè)方向,為復(fù)雜地表地區(qū)近地表建模提供了一種新的思路與方法。

近地表 近地表相 模型 擬微測(cè)井 參數(shù) 反演 分析

研究近地表結(jié)構(gòu)的方法主要包括微測(cè)井、小折射、反射、重磁電勘探等,但每種方法在應(yīng)用時(shí)受到很多條件的制約,并非適用于所有的地區(qū)。如何建立一個(gè)合適的近地表模型,在準(zhǔn)確地描述近地表地質(zhì)、地球物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,消除中長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正量的影響依然是不同地區(qū)、不同類型復(fù)雜地表靜校正處理的關(guān)鍵所在[1-2]。

筆者研究所在工區(qū)位于沙特阿拉伯盆地腹地,面積約40 000 km2,荒無人煙,第四系風(fēng)成沙丘覆蓋近一半的地表,不同類型沙丘相對(duì)高程從幾米到50 m不等。第四系石英砂礫沉積、新近系和古近系等淡水湖環(huán)境下沉積的泥灰?guī)r、砂巖等露頭分別分布于工區(qū)的不同區(qū)域。工區(qū)勘探目標(biāo)為古生界致密碎屑巖儲(chǔ)層的非伴生氣,地下地質(zhì)構(gòu)造幅度低,埋深大,勘探難度大,對(duì)靜校正處理精度要求很高。基于生產(chǎn)實(shí)際需求,在充分研究吸收以往近地表建模方法的基礎(chǔ)上[3-4],從方法理論和實(shí)際應(yīng)用角度提出了基于近地表相與近地表相分析的全局約束近地表建模方法,成功地建立了精度較高的近地表模型,在實(shí)際資料處理中見到了很好的效果。

1 近地表相與近地表相分析

1.1 近地表相的定義

為了準(zhǔn)確描述近地表介質(zhì)的地質(zhì)地球物理特征,筆者提出近地表相的概念并將其定義為:在一定局部區(qū)域范圍內(nèi)具有特定地質(zhì)、地貌和地球物理特點(diǎn)的近地表介質(zhì)的特征綜合。近地表相有兩層含義,一是局部區(qū)域的近地表介質(zhì),二是近地表介質(zhì)的地貌、地質(zhì)和地球物理特征。一定區(qū)域的近地表介質(zhì)界定了其外延的范疇,即近地表相研究的類屬于局部的近地表介質(zhì);而近地表介質(zhì)的地貌、地質(zhì)和地球物理特征界定了其內(nèi)涵,即其所代表的近地表相的特有屬性。

由于近地表地層所處的沉積、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化剝蝕等環(huán)境不同導(dǎo)致不同區(qū)域近地表特征有很大差異,主要表現(xiàn)在:①地貌屬性,如高低起伏、山地、沙漠等;②地質(zhì)屬性,如年代、巖性、地層厚度及組合等;③地球物理屬性,如介質(zhì)的厚度、速度、黏彈性質(zhì)及各向異性特征等。近地表介質(zhì)在這3個(gè)方面屬性的差異就使得其相的特征有了差異,根據(jù)這種差異可以對(duì)不同區(qū)域的近地表介質(zhì)進(jìn)行分析、劃分,即進(jìn)行近地表相分析。

近地表模型研究主要有近地表介質(zhì)研究、近地表介質(zhì)的地球物理參數(shù)研究、近地表建模研究、模型應(yīng)用與靜校正流程研究[2]。從近地表相的定義可以看出,近地表模型的研究正是通過研究不同近地表相的特征完成對(duì)近地表介質(zhì)的描述,在此基礎(chǔ)上建立能夠描述近地表介質(zhì)特點(diǎn),具有各種近地表相特征的模型,結(jié)合模型應(yīng)用研究建立合適的靜校正流程并完成靜校正處理。近地表相分析是近地表模型研究的基礎(chǔ)。

1.2 近地表相分析

近地表相分析就是對(duì)工區(qū)不同區(qū)域的近地表相屬性進(jìn)行收集、分析,完成對(duì)近地表相的分類、命名,編制相應(yīng)的近地表相平面圖,用于后續(xù)的各項(xiàng)研究。

近地表相分析大致由數(shù)據(jù)收集與處理、屬性提取與分析、近地表相分類與命名、近地表相平面成圖等幾個(gè)步驟組成。近地表相分析應(yīng)該遵循其內(nèi)在的客觀規(guī)律和從宏觀到微觀,再從微觀到宏觀的研究思路。依據(jù)對(duì)其地貌、地質(zhì)及地球物理屬性的分析,按不同屬性對(duì)近地表相的描述能力及分辨能力,在不同尺度下按不同需求進(jìn)行分析。

近地表相屬性分析是近地表相分析的核心,其基礎(chǔ)是各種地學(xué)數(shù)據(jù),如衛(wèi)星圖片、野外踏勘、地質(zhì)調(diào)查、近地表調(diào)查、地球物理勘探等數(shù)據(jù)。近地表相分析的精度也受制于屬性分析的精度,而屬性分析的精度又取決于地學(xué)數(shù)據(jù)的豐度及精度。

根據(jù)地貌屬性、地質(zhì)屬性的分析可以完成區(qū)域近地表相帶的分析,對(duì)工區(qū)近地表相的區(qū)域展布規(guī)律進(jìn)行研究?？傮w來說,區(qū)域近地表相總體是偏宏觀的。

相對(duì)于地質(zhì)地貌屬性,雖然地球物理屬性在宏觀上也大致會(huì)保持一定程度的相對(duì)穩(wěn)定,但它對(duì)近地表相的描述也可以到非常小的尺度空間,例如近地表介質(zhì)的黏滯系數(shù)和剛性系數(shù)可以反映出近地表在50 m深度范圍內(nèi)介質(zhì)黏彈性質(zhì)橫向數(shù)十米之內(nèi)的變化。

在區(qū)域近地表相分析基礎(chǔ)上,依據(jù)局部地貌和地質(zhì)巖性屬性并結(jié)合地球物理屬性的分析,可進(jìn)行一級(jí)近地表相分析,其分析尺度主要依據(jù)能夠識(shí)別的近地表地層的巖性組合變化而定。一級(jí)近地表相內(nèi)地層的巖性組合相對(duì)比較穩(wěn)定,但由于巖性組合局部的細(xì)微改變或地層沉積、風(fēng)化等局部微小變化可能也會(huì)引起局部地球物理屬性改變,因此在一級(jí)近地表相劃分完成后,如有必要,可根據(jù)某些地球物理屬性的明顯差異進(jìn)行二級(jí)、三級(jí)相帶的分析。相帶級(jí)別的確定取決于次級(jí)相帶的最小尺度大小,而這種尺度大小與研究的分辨率需求有關(guān)。筆者研究主要是建立一個(gè)合適的近地表模型,消除長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正量,近地表相分析到二級(jí)為止。

2 黏彈性參數(shù)反演與極淺近地表層建模

2.1 近地表介質(zhì)黏彈性參數(shù)

可控震源地震采集震源底板與大地耦合質(zhì)量是通過檢測(cè)震源底板震動(dòng)過程中所記錄到的近地表介質(zhì)的黏滯系數(shù)和剛性系數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)[5],其物理意義可由可控震源的運(yùn)動(dòng)方程描述。如果可控震源的平板與大地有良好的耦合關(guān)系,而且平板各處的垂向加速度均相等,重錘與活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為線性關(guān)系,則震源輸出力(Gf)可表示為:

式中Mm、Mp分別為重錘和基板質(zhì)量;γm、γp分別為重錘和基板加速度。

位移微分形式為:

式中 xm、xp分別為重錘和基板的運(yùn)動(dòng)位移;t為時(shí)間。震源出力時(shí)大地反作用力表示為:

聯(lián)立式(2)～(4)得震源運(yùn)動(dòng)方程為:

式中Gv、Gs分別為大地的黏滯系數(shù)和剛性系數(shù);Sp為基板面積。

通常情況下,對(duì)同一種近地表介質(zhì),兩個(gè)參數(shù)響應(yīng)應(yīng)該是穩(wěn)定的,但有兩種情況可以引起異常或變化,一種是底板與地表的耦合出現(xiàn)了問題,導(dǎo)致底板與地表的振動(dòng)無法達(dá)到完全的共振狀態(tài),這是可控震源振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控的依據(jù);另外一種情況是與震源底板接觸的近地表介質(zhì)本身發(fā)生了變化,如巖性、結(jié)構(gòu)、速度等,這種變化會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)參數(shù)值在某區(qū)域范圍內(nèi)系統(tǒng)的增大或減小。以往研究多關(guān)注第一種情況,目的是保證激發(fā)質(zhì)量,對(duì)于第二種情況近年來也受到了關(guān)注,沙特阿美公司的A l-A li等于2003年首次實(shí)現(xiàn)了用可控震源獲得剛性系數(shù)和黏滯系數(shù)計(jì)算地表橫波速度[5],后來又開展了利用介質(zhì)黏滯系數(shù)和剛性系數(shù)對(duì)微測(cè)井內(nèi)插進(jìn)行約束,以提高微測(cè)井內(nèi)插精度的研究[6],但由于方法實(shí)用性不強(qiáng),效果不穩(wěn)定,主要是一直未能從理論上取得突破,近幾年研究已趨于停止。

2.2 近地表介質(zhì)黏彈性參數(shù)速度反演

2.2.1 可控震源基板振動(dòng)的位移解

如果將可控震源振動(dòng)器看作成為外部周期力,將基板看作為剛性圓盤基礎(chǔ),將深部地層看成無限彈性半空間,則Lysmer運(yùn)動(dòng)方程可以近似描述基板的振動(dòng)問題。理論上,Lysmer運(yùn)動(dòng)方程將基板簡(jiǎn)化成單個(gè)受迫振動(dòng)質(zhì)點(diǎn),將質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)描述為單自由度結(jié)構(gòu)振動(dòng)。在簡(jiǎn)諧周期力作用下Lysmer方程為:

其中

位移解為:

在簡(jiǎn)諧周期力作用下,由Lysmer方程描述的基板振動(dòng)可分成兩部分——基板自振(x1)和脅迫振動(dòng)(x2):

由式(8)、(9)可知:x1是一種隨時(shí)間衰減的阻尼振動(dòng),振動(dòng)頻率(ω0)和衰減系數(shù)(β)僅僅與地表介質(zhì)的黏彈性性質(zhì)有關(guān),其大小由Gv和Gs決定,與震源出力無關(guān);x2則是由震源出力決定的脅迫振動(dòng),由于初相位(φ2)不為零,通常 x2振動(dòng)與比震源出力有一定遲時(shí)。x1經(jīng)過一段時(shí)間衰減后,基板的振動(dòng)主要由 x2決定,即此時(shí)基板振動(dòng)主要由于震源出力控制。

2.2.2 黏彈性參數(shù)與其他地球物理屬性之間的關(guān)系

根據(jù)彈性力學(xué),G=ρvs2可表示為:

由此可得:

由介質(zhì)的縱橫波速度與泊松比之間的關(guān)系可以得到:

同理,還可得到介質(zhì)的泊松比、密度與黏彈性參數(shù)的關(guān)系:

以上各式是黏彈性參數(shù)反演的基礎(chǔ)。由于黏彈性參數(shù)在采集過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生單點(diǎn)誤差,是近地表某一深度以上介質(zhì)黏彈性質(zhì)的一種平均或綜合反應(yīng),因此以上反演所得結(jié)果與其在某特定位置和深度的真實(shí)物理屬性值不完全一致,鑒于此筆者稱之為速度屬性、密度屬性和泊松比屬性等。

2.2.3 黏彈性參數(shù)探測(cè)深度研究

2.2.3.1 理論模型正演

基板可視為彈性雙向板,將大地視為彈性四方柱,在恒定外周期荷載作用下,基板與地面之間的相互作用就可以用雙向板與四方柱相互作用來描述并采用動(dòng)力有限元計(jì)算雙向板的振動(dòng)特性。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程表示為:

式中[M]、[C]、[K]分別為由有限元方法獲得的總質(zhì)量矩陣、總阻尼矩陣和總剛度矩陣;{¨u}、{?u}、{u}分別為節(jié)點(diǎn)的加速度、速度和位移。

若采用顯式中心差分方法,則有:

據(jù)此可通過顯式方法計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移值。

表1 模型參數(shù)表

研究過程中共設(shè)計(jì)均勻介質(zhì)和非均勻介質(zhì)兩類、低速到高速共計(jì)5種模型,其模型參數(shù)見表1。基板參數(shù):密度為7 800 kg/m3,縱波速度為5 600 m/s,橫波速度為3 250 m/s。模型高度分別為:10 m、20 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m、70 m、80 m。通過不斷改變四方柱的高度(h),觀測(cè)雙向板的振動(dòng)特性。當(dāng)h增大到一定程度時(shí),振動(dòng)特性將趨于穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的h即是Gv和Gs的探測(cè)深度。

根據(jù)以上模型分別計(jì)算基板振動(dòng)的平均振幅、第一振幅(上)以及它們隨模型高度變化的一階導(dǎo)數(shù)(下),結(jié)果如圖1所示。

圖1 模型試算結(jié)果圖

由圖1可見,各種情況下基板振動(dòng)規(guī)律基本一致,當(dāng)模型高度小于30 m時(shí)基板振動(dòng)位移振幅無固定規(guī)律;當(dāng)模型高度30～40 m時(shí),基板振動(dòng)位移振幅隨模型高度的增加迅速下降;模型高度大于50 m后基板振動(dòng)位移振幅隨模型高度增加而減小并在55 m左右時(shí)趨于穩(wěn)定;在模型高度大于60 m之后基本無變化。這說明在模型高度小于30 m時(shí)基板振動(dòng)位移振幅變化無法反映出介質(zhì)的黏彈性質(zhì)的變化;在模型高度大于30 m小于40 m的范圍內(nèi),介質(zhì)黏彈性引起的阻尼振動(dòng)對(duì)基板振動(dòng)的貢獻(xiàn)隨深度增加而急劇減小;當(dāng)模型高度增加到55 m時(shí)趨于零,基板振動(dòng)的位移振幅不再受介質(zhì)的黏彈性影響;當(dāng)模型高度大于60 m時(shí)介質(zhì)黏彈性引起的阻尼振動(dòng)對(duì)基板振動(dòng)的貢獻(xiàn)基本為零,故可推斷Gv和Gs的探測(cè)深度應(yīng)在50～60 m范圍。

2.2.3.2 實(shí)際數(shù)據(jù)密度反演

由式(15)可知,如果已知某點(diǎn)近地表介質(zhì)的黏彈性參數(shù)及縱波速度,可以求得該點(diǎn)的密度屬性?；诖?對(duì)所有微測(cè)井井點(diǎn)處進(jìn)行了密度屬性反演試算,借此研究密度屬性隨反演深度的變化規(guī)律。圖2為位于8個(gè)近地表相內(nèi)所有微測(cè)井點(diǎn)密度屬性反演的結(jié)果分析。

圖2 多近地表相密度屬性反演深度分析圖

由以上可見,當(dāng)深度小于25 m時(shí),密度屬性反演結(jié)果隨深度的改變變化劇烈,當(dāng)深度大于25 m并小于40 m時(shí),反演得到的結(jié)果隨深度改變而變化的趨于緩慢,而當(dāng)深度從40 m變化到55 m時(shí)反演的結(jié)果整體趨于穩(wěn)定,當(dāng)深度大于60 m后,密度屬性不再隨深度的變化而變化。這說明,近地表介質(zhì)的黏彈性參數(shù)并不能正確反映出深度小于40 m地層的密度屬性,其最佳的響應(yīng)深度應(yīng)該在55 m左右。

實(shí)際數(shù)據(jù)反演得到的結(jié)論與模型正演基本一致,由可控震源采集得到的近地表黏彈性參數(shù)的探測(cè)深度是55 m左右,其響應(yīng)深度不隨近地表介質(zhì)屬性的變化而變化。

2.2.4 極淺近地表層黏彈性參數(shù)速度反演

極淺近地表層的概念是基于筆者研究需要而提出的,并將其定義為能夠被可控震源(或微測(cè)井)所探測(cè)到的,近地表屬性參數(shù)可描述或響應(yīng)的,從地表開始向地下方向一定厚度的地層或介質(zhì)。極淺近地表層的定義有3個(gè)方面的含義:①它是最接近地表的具有一定厚度的地層或介質(zhì);②它的厚度界定為能夠?qū)煽卣鹪吹玫降慕橘|(zhì)黏彈性參數(shù)值有影響,或能夠被微測(cè)井所探測(cè)的最深地層到地表的厚度;③它是一個(gè)簡(jiǎn)單的單層模型,其充填的地球物理參數(shù)是該套地層的平均效應(yīng)。

式(13)為黏彈性參數(shù)速度反演的理論基礎(chǔ),黏彈性參數(shù)為已知,介質(zhì)密度屬性可由反演得到。

考慮到極淺近地表的特點(diǎn),縱波速度與橫波速度相比差別較大,有vp≥5vs成立,則式(15)可以近似為:

由上式可以得到可控震源觀測(cè)的每一點(diǎn)的密度屬性,但由于式(17)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,必然在反演時(shí)引入誤差。由近地表相分析可知,同一個(gè)二級(jí)近地表相內(nèi)近地表介質(zhì)的地質(zhì)、地貌屬性相同,地球物理屬性基本穩(wěn)定,在對(duì)不同近地表相反演進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上可以對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行約束并完成校正,得到全區(qū)密度屬性模型,在此基礎(chǔ)上完成速度反演,得到基于近地表介質(zhì)黏彈性參數(shù)反演的極淺近地表層模型。

2.3 極淺近地表層建模

可用于極淺近地表建模的數(shù)據(jù)還包括微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),可為硬數(shù)據(jù),而由其他可用于速度屬性反演的屬性數(shù)據(jù)可稱為軟數(shù)據(jù)。

2.3.1 擬微測(cè)井與硬數(shù)據(jù)建模

微測(cè)井內(nèi)插一直是基于硬數(shù)據(jù)近地表建模的一種重要方法。筆者所研究工區(qū)只有930口微測(cè)井資料,主要分布于工區(qū)中東部,簡(jiǎn)單進(jìn)行微測(cè)井內(nèi)插無法控制工區(qū)近地表的變化。

筆者研究中提出擬微測(cè)井(p seudo-uphole)的概念,在基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的近地表相相似性分析基礎(chǔ)上,成功地完成了擬微測(cè)井建立和補(bǔ)插,有效地提高了微測(cè)井內(nèi)插建模的精度,建立了基于硬數(shù)據(jù)的近地表模型。

2.3.2 基于軟硬數(shù)據(jù)約束的極淺近地表層建模

雖然硬數(shù)據(jù)模型在微測(cè)井觀測(cè)點(diǎn)處精度較高,但基于近地表相分析的擬微測(cè)井補(bǔ)插依然偏于宏觀?；诮乇眇椥詤?shù)反演得到的速度模型與介質(zhì)真實(shí)速度有一定差異,但其空間變化規(guī)律與介質(zhì)真實(shí)速度相同,數(shù)據(jù)空間采樣率高,具有微觀尺度性質(zhì)且全區(qū)分布。硬數(shù)據(jù)模型和軟數(shù)據(jù)模型滿足Cokriging插值條件,可實(shí)現(xiàn)二者的相互約束,得到最終極淺近地表模型。

圖3是應(yīng)用3種不同插值方法建立的極淺近地表速度模型,從上至下,分別是地表以下不同深度介質(zhì)的平均速度,左圖是只基于微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)簡(jiǎn)單插值的模型,受微測(cè)井的分布密度和異常的影響嚴(yán)重;中圖是基于微測(cè)井和擬微測(cè)井插值的模型,速度趨勢(shì)與地貌吻合的較好,但仍受到局部異常速度值的影響;右圖是基于硬數(shù)據(jù)模型與軟數(shù)據(jù)模型Cokriging插值的模型,近地表介質(zhì)速度的變化更加合理,模型更加精確。

圖3 3種方法得到的極淺近地表速度模型圖

3 全局約束近地表建模

3.1 全局約束近地表建模的必要性

從目前實(shí)際生產(chǎn)的情況來看,野外地震數(shù)據(jù)采集一般同時(shí)部署大量近地表調(diào)查工作,如微測(cè)井、小折射等,但由于布設(shè)密度及整體精度等原因很少在實(shí)際處理中使用。近年來其他基于地震數(shù)據(jù)本身的各種靜校正方法得到了很大的發(fā)展,如折射波靜校正、層析反演靜校正等,特別是基于大炮初至的層析反演是目前得到廣泛應(yīng)用的一種基準(zhǔn)面靜校正方法。但由于理論基礎(chǔ)和野外觀測(cè)系統(tǒng)的限制,反演只能得到旅行時(shí)誤差最小的等效模型和一個(gè)“看起來”不錯(cuò)的靜校正剖面,大多時(shí)候,模型的精度依然存在問題。

對(duì)于初至層析反演來說,地震勘探生產(chǎn)中所采用的觀測(cè)系統(tǒng),一般都會(huì)存在近偏移距采樣不足的問題,其后果就是淺層反演結(jié)果的不穩(wěn)定。而對(duì)于可控震源施工的非縱觀測(cè)系統(tǒng)來說,由于近地表復(fù)雜的變化,炮點(diǎn)垂直偏離檢波點(diǎn)線一般在50～500 m之間變化,在就使得這一問題愈加嚴(yán)重,反演得到的極淺近地表的速度實(shí)際上是錯(cuò)誤的,而這種錯(cuò)誤必然會(huì)傳遞給深部模型的反演從而導(dǎo)致整個(gè)反演的失敗。圖4是某測(cè)線常規(guī)大炮初至反演所得模型,極淺近地表層最低速度為832 m/s。而根據(jù)該測(cè)線垂直距離在1 km以內(nèi)的微測(cè)井所得結(jié)果,20 m到40 m深度近地表介質(zhì)的平均速度為429 m/s,反演產(chǎn)生的速度誤差高達(dá)94%。

圖4 某測(cè)線常規(guī)層析反演所得模型圖

正如層析反演一樣,各種單項(xiàng)的近地表建模技術(shù)都有著其不可克服的局限性,而各種地學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)近地表介質(zhì)的刻畫精度、側(cè)重也有所不同,所以,近年來很多研究人員開始轉(zhuǎn)向更具有實(shí)用價(jià)值的綜合建模與靜校正的研究。而綜合利用各種地學(xué)數(shù)據(jù)和建模方法,有機(jī)地實(shí)現(xiàn)相互的約束,必然是近地表建模方法研究的一個(gè)方向[2]。

3.2 全局約束近地表建模方法及實(shí)現(xiàn)

正如前文所述,筆者研究在綜合利用工區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的各種地學(xué)數(shù)據(jù),在充分了解、研究工區(qū)復(fù)雜近地表地質(zhì)與地球物理結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)的前提下,實(shí)現(xiàn)了以近地表相分析為基礎(chǔ)的各種地學(xué)數(shù)據(jù)之間有機(jī)地結(jié)合和約束,建立了高精度的極淺近地表模型。在此基礎(chǔ)上,利用初至波進(jìn)行層析反演,與極淺近地表模型互為約束,與旅行時(shí)殘差一起構(gòu)成目標(biāo)函數(shù),求解朗格朗日約束的目標(biāo)函數(shù)最小二乘解,保證了淺中深層近地表模型速度反演的精度,最終得到一個(gè)全局約束下的近地表模型。

層析反演中,M條射線和N個(gè)未知數(shù)建了的層析方程組可表示為:

式中A、ΔS和ΔT分別是Jacob矩陣、慢度修正量和旅行時(shí)殘差。

其中

L個(gè)約束條件建立的約束方程組可表示為:

其中:

式中si為第i個(gè)單元上一次迭代層析反演速度值。

旅行時(shí)和約束方程構(gòu)建成的聯(lián)合方程組可表示為:

式中B是(M+L)×N維矩陣。

其中

朗格朗日最優(yōu)約束的目標(biāo)函數(shù)可表示為:

當(dāng)目標(biāo)函數(shù)最小時(shí),存在¤ζ(ΔS)=0,可獲得方程式(20),因此式(20)計(jì)算出的就是最優(yōu)解,從目標(biāo)函數(shù)中可看出λ=0,相當(dāng)于沒有約束,λ越大,相當(dāng)于約束方程在目標(biāo)函數(shù)中所占權(quán)重越大,約束越強(qiáng)。使用LSQ T方法求解約束層析方程式(20),獲得使得目標(biāo)函數(shù)最小的最優(yōu)解,采用壓縮存儲(chǔ)的方法把系數(shù)矩陣存儲(chǔ)在內(nèi)存中,從而提高了計(jì)算效率。

如此可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間、不同方法之間從宏觀到微觀,從局部到整體的全局約束,有效地克服了各種數(shù)據(jù)及不同方法的局限性,得到了一個(gè)具有明確的地質(zhì)地球物理意義的近地表模型。

圖5為圖4所示某測(cè)線通過筆者方法所得近地表速度模型,可以看出模型速度結(jié)構(gòu)合理,速度縱橫向變化分辨率較高,極淺近地表層速度最低為505 m/s,與微測(cè)井解釋結(jié)果相比誤差從94%降低為18%,模型精度有了很大提高。

圖5 某測(cè)線全局約束所建模型圖

4 實(shí)際應(yīng)用

方法在實(shí)際生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用,到目前為止,研究所在區(qū)塊基于新建模型進(jìn)行的地震數(shù)據(jù)重新處理已完成。

圖6為新老模型處理資料VSP標(biāo)定結(jié)果對(duì)比,基于新模型的處理剖面不但中長(zhǎng)波長(zhǎng)靜校正問題得到了較好的解決,與新資料匹配VSP走廊疊加時(shí)移為16 m s,而由圖可以看出,為能與同一測(cè)線老資料相匹配VSP走廊疊加至少還需要時(shí)移多達(dá)40 m s,新模型精度有顯著提高。

圖6 新老測(cè)線VSP走廊疊加標(biāo)定對(duì)比圖

5 結(jié)論

近地表相分析給近地表模型賦予了明確的地質(zhì)地球物理含義,是近地表模型研究的基礎(chǔ)。

基于近地表相分析、近地表黏彈性參數(shù)反演、極淺近地表建模,大炮初至層析反演技術(shù)的相互約束成功實(shí)現(xiàn)了不同地學(xué)數(shù)據(jù)之間從微觀到宏觀和從宏觀到微觀的全局約束,不但使所建模型的精度得到了保證,而且使模型實(shí)現(xiàn)了多屬性意義下對(duì)近地表介質(zhì)的描述,實(shí)際資料的處理應(yīng)用結(jié)果表明,所建模型精度有了很大提高,方法的研究代表了近地表模型研究的一個(gè)方向。

全局約束模型不僅僅是一個(gè)傳統(tǒng)意義上的速度模型,同時(shí)具有明確的地質(zhì)地球物理意義與屬性特征,如近地表相、近地表地貌與巖性、近地表介質(zhì)的黏彈性、密度屬性等,這些屬性對(duì)近地表模型的應(yīng)用有著重要的意義,例如地震勘探井深、藥量的選擇、微測(cè)井/小折射的布設(shè)等。

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DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.01.008

李衛(wèi)忠,1966年生,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士;從事海外油氣勘探管理及地震勘探方法研究工作。地址:(100083)北京市海淀區(qū)北四環(huán)中路263號(hào)中石化國(guó)際石油勘探開發(fā)公司Addax項(xiàng)目部。電話:13910288817。E-mail:wzli@sipc.cn

(修改回稿日期 2010-11-09 編輯 韓曉渝)