謝磊磊蔣甫玉常文凱

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

基于Tesseral2D的水下砂體地震正演計(jì)算

謝磊磊，蔣甫玉，常文凱

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

基于水下砂層與圍巖的波阻抗差異，應(yīng)用地震波數(shù)值模擬軟件Tesseral2D建立含有水、粉細(xì)砂、礫砂和礫巖的起伏地層模型，在不同的道間距、最小偏移距、子波頻率以及不同巖體波速條件下分別對(duì)該模型進(jìn)行正演計(jì)算。一般情況下，在震源頻率為400Hz、最小偏移距為5 m、道間距為1 m或2m時(shí)，地震波響應(yīng)明顯、同相軸清晰、干擾波較少，水下地層界面反映良好。進(jìn)一步結(jié)合南京長(zhǎng)江第二大橋橋址區(qū)的地質(zhì)資料，建立含有水、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂、砂礫卵石和礫巖的水下砂層模型，應(yīng)用Tesseral2D軟件對(duì)該模型進(jìn)行正演研究。結(jié)果表明，在震源頻率為400 Hz、道間距為2m以及最小偏移距為5m時(shí)，地震響應(yīng)能很好地反映水下各巖層界面，特別是能較明顯地圈定水下砂層的厚度和分布范圍，為實(shí)際水下砂體的地震勘探提供理論依據(jù)。

水下砂層；Tesseral2D軟件；地震正演模型；正演計(jì)算；彈性波方程；南京長(zhǎng)江第二大橋水下地層

砂是一種再生速度緩慢的資源，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，各類基礎(chǔ)設(shè)施和重大工程建設(shè)方興未艾，作為混凝土細(xì)骨料的砂，其需求量與日俱增［1?2］。因?yàn)樯暗V資源主要賦藏于水下，所以對(duì)水下砂體進(jìn)行有效勘探，探明砂層的儲(chǔ)量和分布范圍顯得尤為重要［3?4］。目前，對(duì)水下砂體的勘察常采用水上鉆探和靜力觸探相結(jié)合的方法，但是在水上搭建操作平臺(tái)時(shí)具有危險(xiǎn)性，且由于測(cè)點(diǎn)布置少、不連續(xù)，使其難以確定水下砂體的準(zhǔn)確厚度和連續(xù)分布范圍［5］。因此，開(kāi)展快速有效地探測(cè)水下砂層的研究是促進(jìn)我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

地震勘探是利用各巖層的波阻抗差異進(jìn)行勘探的地球物理方法［6］，是地球物理勘探中最重要、最有效的一種方法［7］。淺層地震勘探具有勘探精度高、分層能力強(qiáng)、所需震源能量和勘測(cè)場(chǎng)地要求較小等優(yōu)點(diǎn)［8］。目前，淺層地震勘探在城市隱伏斷層的勘察［9］、資源勘查［10］、巖土工程勘察［11］、水利工程檢測(cè)［12］等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。遺憾的是，應(yīng)用淺層地震對(duì)水下砂層厚度和分布范圍的勘探，目前國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。眾所周知，地震響應(yīng)的機(jī)理是各巖石的彈性參數(shù)存在差異，在分辨率允許的范圍內(nèi)，具有不同波阻抗的巖層之間的界面都將呈現(xiàn)不同的地震波響應(yīng)［13］。地震波幾乎囊括了地下所有地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特征的信息，但是如何“讀懂”這些地震波場(chǎng)信息卻是一個(gè)長(zhǎng)期困擾地震學(xué)家的難題［14］。為了提高野外地震勘探的工作效率，進(jìn)行室內(nèi)正演模擬計(jì)算以確定觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)顯得尤為重要。

本文運(yùn)用Tesseral2D軟件建立含有水、粉細(xì)砂、礫砂、礫巖的起伏地層模型，通過(guò)設(shè)置不同的道間距、最小偏移距、子波頻率以及巖石彈性參數(shù)并進(jìn)行正演計(jì)算，比較不同參數(shù)的設(shè)置對(duì)地震響應(yīng)的影響。然后結(jié)合南京長(zhǎng)江二橋橋址區(qū)的水下砂體分布情況，建立水下砂層模型并進(jìn)行正演計(jì)算，探討該模型的波場(chǎng)分布特征。

1 地震正演模擬的基本原理

常規(guī)的地震波場(chǎng)正演方法主要有幾何射線法和波動(dòng)方程法，前者可以精確計(jì)算地震波的射線路徑和旅行時(shí)間等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，但對(duì)于一些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖性信息容易產(chǎn)生盲區(qū)；波動(dòng)方程模擬法著重考慮地震波動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，能夠更逼真地模擬得到復(fù)雜地層的地震波場(chǎng)特征［15］。考慮水下巖層復(fù)雜的賦存狀態(tài)，本次研究采用基于有限差分法的二維全波場(chǎng)數(shù)值模擬軟件Tesseral2D，其基本計(jì)算公式如下［5］：

式中各項(xiàng)符號(hào)的意義見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。

2 水下起伏地層的地震波響應(yīng)

在野外地震勘探過(guò)程中，地震資料采集的效果受到震源頻率、道間距、最小偏移距、震源子波頻率、巖體彈性參數(shù)等因素的影響，這些參數(shù)設(shè)置合理與否直接決定了地震勘探的成敗。為了提高野外勘探的工作效率，有必要進(jìn)行模擬計(jì)算以確定合理的觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)。因此，在模擬計(jì)算水下砂層模型之前，應(yīng)用Tesseral2D軟件建立水下起伏地層的地質(zhì)模型（圖1）以及各巖土體的彈性力學(xué)參數(shù)（表1）。

首先探討道間距分別為1m、2m、3m時(shí)的地震響應(yīng)（這里地震記錄是指反射面震源生成的相當(dāng)于零偏移距的地震記錄）。由正演計(jì)算結(jié)果（圖2）可知，各地震響應(yīng)圖基本都能反映出各巖層界面，隨著道間距逐漸增大，下伏地層的地震響應(yīng)效果逐漸變差，同相軸變模糊。同時(shí)，從觀測(cè)目標(biāo)的橫向變化來(lái)看，當(dāng)?shù)篱g距為1m、2m時(shí)，巖層起伏形態(tài)明顯，特別是楔形體反映得很清楚；當(dāng)?shù)篱g距為3 m時(shí)，干擾波增多，下層礫砂的頂界面逐漸變模糊以致無(wú)法分辨。

接下來(lái)探討最小偏移距分別取5 m、10 m、15 m時(shí)的地震響應(yīng)，正演計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可看出，地震響應(yīng)基本能反映各巖層界面，但隨著偏移距的逐漸增大，下伏地層界面同相軸不明顯，難以劃分地層。同時(shí)，從觀測(cè)目標(biāo)的橫向變化來(lái)看，當(dāng)最小偏移距為5 m時(shí)地震響應(yīng)同相軸清晰、連續(xù)，各巖土體層的起伏形態(tài)明顯；隨著偏移距的增大，干擾波增加，地震響應(yīng)的同相軸逐漸變模糊、不連續(xù)，增加了劃分地層的難度。

震源子波頻率關(guān)系著地震勘探的深度和精度，通過(guò)設(shè)置不同的震源子波頻率觀察正演計(jì)算地震響應(yīng)的區(qū)別，可為實(shí)際野外勘探參數(shù)的設(shè)置提供重要的理論參考。震源子波頻率分別設(shè)為300 Hz、400 Hz、500 Hz時(shí)，正演計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，子波頻率為300Hz時(shí)，在70～120 m、140～160 m處存在干擾波，容易誤導(dǎo)成此處有地層分界；子波頻率為400Hz時(shí)，各巖層界面清晰，同相軸明顯；隨著子波頻率的增大，雖然分辨率增大，但干擾波也增多，而且同相軸變得不清晰。

巖土體波阻抗的大小影響著地震響應(yīng)的好壞，所以在正演計(jì)算中，巖土體彈性參數(shù)的設(shè)置顯得尤為重要。設(shè)置各巖土層波速分別相差700m／s、500m／s、300m／s時(shí)，正演計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可看出，雖然設(shè)置的各巖土體波速有差異，但地震響應(yīng)的各巖土體層的分界面比較清楚，當(dāng)相鄰巖土體波阻抗差異越大，其地震響應(yīng)越明顯，同時(shí)干擾波相應(yīng)增加。

3 水下砂層正演模擬計(jì)算

考慮水下砂層的實(shí)際賦存情況，本次研究結(jié)合南京長(zhǎng)江第二大橋橋址區(qū)的水下砂體分布狀況。該橋址區(qū)位于寧鎮(zhèn)隆起西段，屬于長(zhǎng)江河相沉積地層。該區(qū)主要為全新統(tǒng)（Q4）地層，巖性自上而下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂、砂礫卵石。基巖主要為白堊系浦口組（K2p）和葛村組（K1g）地層，巖性主要為砂礫巖、礫巖及泥巖、砂巖等。

綜合前文的研究成果，當(dāng)?shù)篱g距為1m或2m、偏移距為5m、子波頻率為400Hz、各巖層波速相差500m／s時(shí)地震映像能準(zhǔn)確反映出水下各地層的埋深和分布范圍。根據(jù)鉆探和波速測(cè)井資料建立自上而下分別為河道淡水、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂、砂礫卵石和礫巖的水下砂體模型（圖6），正演計(jì)算中的各巖層參數(shù)見(jiàn)表1。

利用Tesseral2D軟件對(duì)圖6模型采用彈性波動(dòng)方程計(jì)算，經(jīng)直達(dá)波切除、疊加、抽道集、取速度譜、動(dòng)校正等處理，得到正演計(jì)算成果（圖7）。由圖7可知，此次正演模擬很好地劃分出水下各巖層的厚度和分布范圍。由于薄層、低速的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的存在，使粉細(xì)砂層頂界面的地震響應(yīng)不理想，右側(cè)同相軸不清晰；由于Tesseral2D軟件對(duì)邊界條件控制不理想，導(dǎo)致左側(cè)0～50m處和右側(cè)160～180m處的粉細(xì)砂層區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)雜波，使整體響應(yīng)效果變差。隨著勘探深度的增加，地震波能量衰減，導(dǎo)致礫巖頂界面響應(yīng)效果不理想，局部無(wú)同相軸響應(yīng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.在檢波器數(shù)量不變的情況下，通過(guò)設(shè)置不同的道間距、最小偏移距、子波頻率及波速，應(yīng)用Tesseral2D軟件對(duì)典型的起伏地層模型進(jìn)行正演計(jì)算。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)篱g距為1m或2 m、最小偏移距為5 m、子波頻率為400 Hz時(shí)，地震響應(yīng)清晰，同相軸明顯，能很好地劃分水下各巖層的厚度和分布范圍。

b.結(jié)合南京長(zhǎng)江第二大橋橋址區(qū)的水下砂層分布資料，應(yīng)用Tesseral2D軟件建立水下砂層模型并對(duì)該模型進(jìn)行正演計(jì)算。結(jié)果顯示，在道間距為2m、最小偏移距為5 m、子波頻率為400 Hz時(shí)，地震響應(yīng)能很好地反映水下各巖層的賦存狀態(tài)，特別是能較明顯的圈定水下砂層的厚度和分布范圍，可為實(shí)際水下砂體的地震勘探提供重要的理論依據(jù)。

［1］吳繼紅.長(zhǎng)江口水域砂礦資源及其合理開(kāi)發(fā)利用［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（6）：156?157.（WU Jihong.The sand mineral resources in the water area of Changjiang estuary and their rational development and utilization［J］.Sci?tech Information Development＆Economy，2009，19（6）：156?157.（in Chinese））

［2］尹飛龍，歐陽(yáng)東，溫喜廉，等.海砂與河砂、尾砂作為建筑用砂的比較研究［J］.混凝土，2011（12）：73?78.（YIN Feilong，OUYANG dong，WEN Xilian，et al.Comparative study of sea sand，river sand and tailing sand which using as building sand［J］.Concrete，2011（12）：73?78.（in Chinese））

［3］龔士良.長(zhǎng)江口水域砂礦資源及其合理開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.資源環(huán)境與工程，2009，23（3）：335?338.（GONG Shiliang.The underwater placer resources and its rational explotation in the estuary of Yangtze River［J］.Resources Environment＆Engineering，2009，23（3）：335?338.（in Chinese））

［4］吳彩虹，范勝華.水下砂源勘察方法與儲(chǔ)量計(jì)算研究［J］.人民長(zhǎng)江，2013，44（1）：46?56.（WU Caihong，F(xiàn)AN Shenghua.Study of investigation method and reserve estimation of underwater sand sources［J］.Yangtze River，2013，44（1）：46?56.（in Chinese））

［5］余金煌，王強(qiáng)，蔣甫玉.河湖水下拋石護(hù)岸工程綜合探測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用［M］.鄭州：黃河水利出版社，2013.

［6］李錄明，李正文.地震勘探原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，2007.

［7］陸基孟，王永剛.地震勘探原理［M］.3版.山東：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2009.

［8］周天福.工程物探［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

［9］何正勤，潘華，胡剛，等.核電廠址隱伏斷裂探測(cè)中的地震勘探方法研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53（2）：326?334.（HE Zhengqin，PAN Hua，HU Gang，et al.Study on the seismic exploration method to detect buried fault in the site of nuclear power plant［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53（2）：326?334.（in Chinese））

［10］薛志恒.淺層地震勘探在砂巖鈾礦勘查中的應(yīng)用［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（增刊）：170?171.（XUE Zhiheng.Application of shallow seismic exploration on sandstone uranium deposits［J］.Journal of Henan Polytechanic University：Natural Sciences，2010，29（Sup）：170?171.（in Chinese））

［11］許江，朱嘉，張異彪，等.平潭海域地震層序及地層層序特征［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2010，25（2）：396?402.（XU Jiang，ZHU Jia，ZHANG Yibiao，et al.Characteristics of seismic sequence and stratigraphic sequence in the Pingtan sea area［J］.Progress in Geophys，2010，25（2）：396?402.（in Chinese））

［12］馬海，劉懷山，王林輝，等.山東桃村水庫(kù)回填區(qū)淺層地震勘探應(yīng)用效果［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2011，8（6）：648?654.（MA Hai，LIU Huaishan，WANG Linhui，et al.Application of shallow seismic exploration method to backfilled areas of Taocun Reservoir in Shandong［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2011，8（6）：648?654.（in Chinese））

［13］肖開(kāi)宇，胡祥云.正演模擬技術(shù)在地震解釋中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2009，6（4）：459?464.（XIAO Kaiyu，HU Xiangyun.Forward seismic modeling technology in the application of interpretation［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2009，6（4）：459?464.（in Chinese））

［14］朱多林，白超英.基于波動(dòng)方程理論的地震波場(chǎng)數(shù)值模擬方法綜述［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2011，26（5）：1588?1599.（ZHU Duolin，BAI Chaoying.Review on the seismic wavefield forward modeling［J］.Progress in Geophys，2011，26（5）：1588?1599.（in Chinese））

［15］王錫文，秦廣勝，趙衛(wèi)鋒，等.正演模擬技術(shù)在地震采集設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（2）：642?650.（WANG Xiwen，QIN Guangsheng，ZHAO Weifeng，et al.The application of forward modeling technique in seismic acquisition design［J］.Progress in Geophys，2012，27（2）：642?650.（in Chinese））

Tesseral2D?based earthquake forward simulation of underwater sand strata

XIE Leilei，JIANG Fuyu，CHANG Wenkai
（College of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Based on the difference of wave impedance between underwater sand strata and rock media，a stratigraphic model of fluctuant strata containing water，fine sand，gravel sand，and conglomerate was established using Tesseral2D software for seismic numerical simulation.Then，the forward calculation with the model was conducted under different channel spacings，least offsets，wavelet frequencies，and wave velocities in rocks.Under normal circumstances with a source frequency of 400Hz，a least offset of 5m，and a channel spacing of 1m or 2m，the seismic response is significant，with constant phases and less interference waves，which also well reflects the underwater stratum interface.In combination with the geological data from the bridge site area of the Second Nanjing Yangtze River Bridge，a stratigraphic model for underwater sand strata was established，containing water，silty clay，silty sand，gravel pebble，and conglomerate.Forward simulation using Tesseral2D software shows that，with a source frequency of 400 Hz，a channel spacing of 2 m，and a least offset of 5 m，the seismic response can well reflect the underwater interfaces between different rock strata，and determine the thickness and distribution range of underwater sand strata，providing an important theoretical basis for the exploration of underwater sand strata.

underwater sand stratum；Tesseral2D software；earthquake forward calculation model；forward calculation；elastic wave equation；underwater stratum of Second Nanjing Yangtze River Bridge

P631

A

1000-1980（2015）04-0351-05

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.013

2014-1021

江蘇省自然科學(xué)基金（BK20140844）；江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局科研技改項(xiàng)目（2014?KY?15）

謝磊磊（1989—），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事固體地球物理學(xué)研究。E?mail：15240240707＠163.com

蔣甫玉，講師。E?mail：jiangfy＠hhu.edu.cn