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        多道面波頻散分析在實(shí)際大炮數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

        2018-03-10 03:25:18姜福豪李培明張翊孟閆智慧董烈乾
        石油地球物理勘探 2018年1期
        關(guān)鍵詞:面波反演精度

        姜福豪 李培明 張翊孟 閆智慧 董烈乾

        (中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司,河北涿州 072751)

        1 引言

        在實(shí)際應(yīng)用中大多采用小道距、短排列接收到的高頻面波進(jìn)行面波反演[1-4]; 而利用大炮地震數(shù)據(jù)中的面波進(jìn)行近地表結(jié)構(gòu)反演的方法也見(jiàn)諸報(bào)道,并取得了明顯效果[5-8]。近地表結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成實(shí)際地震數(shù)據(jù)中面波發(fā)育,且存在多樣性和復(fù)雜性[9-11]。在進(jìn)行面波頻散分析和生成頻散曲線的過(guò)程中,相速度—頻率譜中面波能量顯示和聚焦通常并不理想,致使生成的頻散曲線精度低[12-14],繼而影響近地表結(jié)構(gòu)反演的精度[15]。例如:當(dāng)選擇參與頻散分析的地震道數(shù)量不足時(shí),生成的相速度—頻率譜中面波能量不能聚焦,且難以拾取連續(xù)的頻散曲線; 當(dāng)選擇參與分析的地震道數(shù)過(guò)多時(shí),由于這些地震道上的面波在頻散分析中的平均效應(yīng),導(dǎo)致計(jì)算獲得的面波頻散譜精度和拾取的頻散曲線精度較待分析點(diǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)低,甚至無(wú)法保證分析點(diǎn)頻散曲線精度,造成后續(xù)反演計(jì)算精度也無(wú)法保證。另外,選擇參與分析的地震道距離激發(fā)點(diǎn)太近時(shí),會(huì)造成相速度—頻率譜中面波能量受到其他地震波能量干擾而聚焦不好;反之若距離太遠(yuǎn),又會(huì)因?yàn)槊娌ㄟ^(guò)度衰減,導(dǎo)致面波能量不足而聚焦不好。還有,當(dāng)近地表不同地層對(duì)應(yīng)的面波發(fā)育不均衡時(shí),在頻散分析中會(huì)出現(xiàn)能量較強(qiáng)面波壓制、甚至淹沒(méi)能量相對(duì)較弱面波的現(xiàn)象,以至于很難、甚至無(wú)法建立包含能量較弱面波的頻散曲線,造成反演時(shí)弱面波對(duì)應(yīng)的地層反演精度較低。

        針對(duì)這些問(wèn)題,文中進(jìn)行了針對(duì)性分析,并提出了相應(yīng)的解決思路,同時(shí)做了初步驗(yàn)證。

        2 問(wèn)題分析

        2.1 地震道位置對(duì)頻散分析的影響

        研究認(rèn)為,面波由激發(fā)點(diǎn)開(kāi)始,能量沿橫向和縱向同時(shí)傳播,在同一位置以橢圓軌跡進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)[1],每一地震道接收的面波通常認(rèn)為是該地震道位置處的面波。根據(jù)表層速度由低到高模型(圖1a)的正演單炮數(shù)據(jù)(圖1b)和實(shí)際地震數(shù)據(jù)(圖1c),在炮點(diǎn)附近,直達(dá)波、反射波、折射波、聲波和面波交織在一起形成混疊區(qū)。當(dāng)進(jìn)行頻散分析時(shí),若分析數(shù)據(jù)包含混疊區(qū),則除面波以外的其他地震波會(huì)作為“干擾波”明顯影響頻散分析的相速度—頻率譜面貌,導(dǎo)致不同頻率—相速度的面波能量不能連續(xù)地聚焦(圖1d)。隨著炮檢距的加大,地震道上的面波與其他 “干擾”地震波分開(kāi),在相速度—頻率譜上其他 “干擾”地震波的能量被壓制,面波能量變得聚焦收斂,同時(shí)也更連續(xù)(圖1e)。

        還應(yīng)關(guān)注,面波在傳播過(guò)程中,由于地層吸收作用和橢圓擴(kuò)散作用會(huì)導(dǎo)致面波能量衰減。同時(shí),面波還會(huì)受到直達(dá)波、折射波、反射波、甚至聲波等地震波“干擾”。除直達(dá)波以外,這些“干擾波”傳播路徑主要是在近地表結(jié)構(gòu)以下,而近地表地層中的面波則主要在近地表地層中傳播。相對(duì)來(lái)說(shuō),在不考慮擴(kuò)散的情況下,由于表層比深層能量吸收、衰減快,因此隨著炮檢距的加大,縱向上面波比其他一些淺層“干擾波”吸收衰減得快。如果選擇分析的地震數(shù)據(jù)中除面波外的其他地震波相對(duì)比較強(qiáng),就會(huì)造成頻散分析結(jié)果不佳,影響反演結(jié)果。

        實(shí)際近地表地層的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜,橫向變化通常比較大,甚至相鄰地震道對(duì)應(yīng)的近地表結(jié)構(gòu)都會(huì)有一定的差異,導(dǎo)致不同地震道接收的面波也存在一定的差異[16-18]。目前推廣的多道面波分析法由其理論決定了在進(jìn)行面波頻散分析時(shí)必須采用多道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算[1,12-15]。無(wú)論是計(jì)算獲得的相速度—頻率譜,還是拾取獲得的相速度—頻率曲線,其結(jié)果是多道地震數(shù)據(jù)中面波平均效應(yīng)的結(jié)果,而頻散曲線及其反演的近地表結(jié)構(gòu)參數(shù)僅對(duì)應(yīng)其中一個(gè)地震道位置,通常為這些地震道組合中心位置或中間地震道位置[19,20]。因此,相對(duì)于這一組合中心或中間地震道位置處的近地表結(jié)構(gòu),由多道面波反演得出的近地表結(jié)構(gòu)必然會(huì)存在或多或少的差異。一般來(lái)說(shuō),橫向近地表結(jié)構(gòu)變化越劇烈、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,多道面波反演得出的近地表結(jié)構(gòu)與實(shí)際差異越大。

        2.2 地震道數(shù)量對(duì)頻散分析的影響

        面波頻散分析的方法主要包括F-K法、相移法、τ-p變換法、傾斜疊加法和高精度拉東變換法等[1,21-23]。這些方法總的來(lái)說(shuō)均是對(duì)地震道數(shù)據(jù)中不同頻率—相速度面波成分進(jìn)行線性累加的過(guò)程,因此理論上隨著參與分析地震道數(shù)量的增加,相同相速度—頻率成分的面波能量逐漸增大,折射波、聲波等線性干擾波由于頻帶較窄在累加過(guò)程中被壓制,而反射波成分雖然頻帶較寬,但由于在地震道上非線性分布,因而在累加過(guò)程中也相對(duì)地衰減。根據(jù)實(shí)際分析顯示,參與頻散分析的地震道越多,組合中心或中間地震道位置處的近地表結(jié)構(gòu)反演結(jié)果受到其他地震道的面波影響越大,由多道面波反演的近地表結(jié)構(gòu)與組合中心(或中間地震道)的近地表結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)的差異可能性就越大,反演精度越低。通常地震道選擇數(shù)量不足時(shí),相速度—頻率譜成像精度較低[1,22,23],譜中面波能量聚焦不好且不連續(xù),影響頻散曲線拾取及后續(xù)面波反演結(jié)果(圖2上)。當(dāng)?shù)卣鸬罃?shù)量選擇較多,超出表層結(jié)構(gòu)橫向變化限制時(shí),頻散分析中進(jìn)行面波能量疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些假象[24,25],這些假象會(huì)干擾頻散曲線的生成,降低后續(xù)的反演精度(圖2d~圖2f)。

        2.3 強(qiáng)弱面波對(duì)頻散分析的影響

        在面波頻散分析中,盡管在理論上不同面波成分均能夠在相速度—頻率譜上顯現(xiàn)出來(lái),但是通過(guò)對(duì)實(shí)際地震數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),結(jié)果并非完全如此。有時(shí)即使選擇分析的地震道數(shù)量合適,同時(shí)包含面波類型全、能量強(qiáng),但是由于不同近地表地層對(duì)應(yīng)的面波能量差異較大,同時(shí)淺層吸收系數(shù)不同,加上質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的橢圓擴(kuò)散作用,造成面波傳播一定距離后,一種面波能量因吸收和衰減非常嚴(yán)重成為弱面波,另一種面波相對(duì)成為強(qiáng)面波并將弱面波完全淹沒(méi),并使它在相速度—頻率譜中無(wú)法顯現(xiàn),說(shuō)明多道面波頻散分析的平均作用有時(shí)會(huì)淹沒(méi)部分能量較弱的面波成分。結(jié)果造成在拾取的頻散曲線上無(wú)法識(shí)別弱面波對(duì)應(yīng)的地層,導(dǎo)致近地表結(jié)構(gòu)最終反演結(jié)果受到影響(圖3)。從圖3可看出,選擇整道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散分析得到相速度—頻率譜和局部強(qiáng)面波對(duì)應(yīng)的相速度—頻率譜非常相似,最低面波相速度約為800m/s,卻漏掉了弱面波對(duì)應(yīng)的最低相速度(約為300m/s)。

        圖3 強(qiáng)面波壓制較弱面波頻散分析 (a)包含強(qiáng)弱面波; (b)強(qiáng)面波; (c)弱面波

        3 解決思路

        3.1 頻散分析地震道位置的確定

        在進(jìn)行地震數(shù)據(jù)頻散分析時(shí),為了保證相速度—頻率譜圖像質(zhì)量和頻散曲線拾取精度,通常首先確定用于頻散分析地震數(shù)據(jù)道的位置。因此,為了盡可能強(qiáng)化面波,應(yīng)從靠近激發(fā)點(diǎn)處且面波與其他 “干擾波”明顯分開(kāi)后的地震道進(jìn)行選擇分析。實(shí)際地震數(shù)據(jù)已經(jīng)驗(yàn)證了這一點(diǎn),圖1d顯示激發(fā)點(diǎn)處面波由于受到其他“干擾波”影響,頻率—相速度譜中面波能量聚焦效果較差,并且不連續(xù)、不光滑; 圖1e顯示當(dāng)選擇面波與“干擾波”分開(kāi)后的相同數(shù)量地震道數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散分析時(shí),頻率—速度譜中面波能量聚焦效果較好。

        定量分析最小炮檢距,即是選定距離激發(fā)點(diǎn)最近的地震接收道位置。對(duì)于任意兩層地層模型,最小炮檢距與地層厚度、地層縱波速度、地層橫波速度等有關(guān),參考下列經(jīng)驗(yàn)公式[1]

        (1)

        式中:d為最小炮檢距;h為近地表地層厚度;α=VP/VS,為縱、橫波速度比。

        由于瑞雷面波波長(zhǎng)較長(zhǎng)的部分需要更長(zhǎng)的炮檢距,這樣觀測(cè)到的瑞雷波才能完整地發(fā)育為平面波,式(1)并不能為所有瑞雷波成分提供最優(yōu)化的炮檢距,因此有學(xué)者提出下列基于層狀地球模型的計(jì)算最優(yōu)炮檢距的算法[1]

        (2)

        式中:λmax、CR min、ΔCR分別為最長(zhǎng)波長(zhǎng)、瑞雷波最小相速度、最深層最大相速度與最小相速度的差值。

        因此,如果采用近地表結(jié)構(gòu)第一層和第二層的縱波、橫波速度利用式(1)可求取最小炮檢距,利用式(2)可求取包含近地表結(jié)構(gòu)全部層狀地層產(chǎn)生面波的平均位置。

        3.2 頻散分析地震道數(shù)量的確定

        當(dāng)明確了面波分析起始地震道后,就可進(jìn)一步確定適宜于進(jìn)行頻散分析的地震道數(shù)目。分析表明,選擇的道數(shù)跟面波發(fā)育程度和近地表結(jié)構(gòu)的復(fù)雜情況有關(guān)。圖2顯示在不同地區(qū)、不同面波發(fā)育程度下為獲得清晰相速度—頻率譜需要的單炮接收道數(shù)。從圖2d~圖2f可看出,如果面波發(fā)育,那么需要選擇較少的地震道就能獲得較好的相速度—頻率譜,并且能夠很容易獲得較好的頻散曲線,相對(duì)于頻散曲線對(duì)應(yīng)的地震道,此時(shí)頻散曲線和反演精度都比較高;反之,如果近地表結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,當(dāng)增加地震數(shù)據(jù)道時(shí),盡管相速度—頻率譜中面波能量看起來(lái)更加收斂聚焦,但頻散譜中面波聚焦的能量看起來(lái)更復(fù)雜。相對(duì)于頻散曲線對(duì)應(yīng)的地震道,此時(shí)頻散曲線和反演精度反而降低了。為了保證反演精度,近地表結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,選擇的道數(shù)需要越少,這樣才能保證反演精度。對(duì)于一個(gè)地區(qū),為了確定用于頻散分析的合適道數(shù),首先要了解本地區(qū)面波的發(fā)育程度,例如通過(guò)分析表層調(diào)查資料和通過(guò)直接分析單炮數(shù)據(jù)中的面波;其次,根據(jù)不同區(qū)域的面波發(fā)育程度,通過(guò)測(cè)試確定用于面波頻散分析的道數(shù)。不論怎樣,為了保證反演的精度,在能夠準(zhǔn)確拾取頻散曲線的前提下,應(yīng)該盡可能地減少參與頻散分析的道數(shù)。

        上述對(duì)參與頻散分析的道數(shù)進(jìn)行了定性分析,利用式(1)和式(2)還可進(jìn)行定量分析。從式(1)含義可看出,它給出了可用于面波頻散分析的距離激發(fā)點(diǎn)最近的地震道位置,假設(shè)它對(duì)應(yīng)的地震道道號(hào)為N1。從式(2)可看出,它給出了兼顧瑞雷波不同波長(zhǎng)成分面波分析的折衷最優(yōu)地震道位置,假設(shè)它對(duì)應(yīng)的地震道道號(hào)為N2。因此,從這個(gè)意義上可采用以道N2為中心、|N2-N1|道為半徑進(jìn)行選取地震道進(jìn)行面波頻散分析,因此,對(duì)于二維地震采集,用于面波分析的合適道數(shù)N約為|N2-N1|的兩倍,即有

        N=2|N2-N1|+1

        (3)

        式中:N為可用于面波分析的合適道數(shù);N1為可用于面波頻散分析的距激發(fā)點(diǎn)最近的地震道道號(hào);N2為最優(yōu)地震道道號(hào)。

        3.3 強(qiáng)面波淹沒(méi)弱面波的處理方法

        為了保證在面波反演過(guò)程中不遺漏近地表結(jié)構(gòu)物理參數(shù),首先要掌握工區(qū)內(nèi)表層結(jié)構(gòu)層數(shù)信息,只有清楚表層結(jié)構(gòu)層數(shù),才能保證反演過(guò)程中不漏層。表層結(jié)構(gòu)信息包括各層對(duì)應(yīng)的厚度及速度基本信息,可以采用表層調(diào)查的方法,也可以利用大炮初至信息進(jìn)行分析計(jì)算獲得。

        其次,實(shí)際地震數(shù)據(jù)中對(duì)于兩種不同近地表地層界面對(duì)應(yīng)的面波,當(dāng)它們能量差異比較明顯且較強(qiáng)面波完全壓制住相對(duì)較弱的面波而使較弱的面波在相速度頻散譜中無(wú)法顯現(xiàn)時(shí),根據(jù)分析,認(rèn)為應(yīng)在地震數(shù)據(jù)上選擇兩種面波能量相對(duì)比較平衡的數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行頻散分析,以使兩種不同地層界面對(duì)應(yīng)的面波在頻散分析時(shí)能夠在相速度—頻率譜中都能清楚地顯現(xiàn)出來(lái), 并且二者的能量團(tuán)都能較好聚焦,這樣拾取的頻散曲線反演精度更高(圖4b)。從圖4中可看出,單獨(dú)選擇強(qiáng)面波區(qū)域或

        圖4 強(qiáng)面波壓制較弱面波頻散分析 (a)強(qiáng)面波; (b)弱(含強(qiáng))面波; (c)整道強(qiáng)弱面波

        者選擇整道包含強(qiáng)弱面波較好區(qū)域,二者獲得的頻散曲線反演結(jié)果不理想,然而選擇以弱面波為主同時(shí)含有強(qiáng)面波的地震數(shù)區(qū)進(jìn)行分析時(shí),不但能獲得包含低速層和降速層速度的相速度頻散譜,同時(shí)拾取的頻散曲線反演結(jié)果也較好,近地表結(jié)構(gòu)反演精度更高。

        4 實(shí)例

        為了驗(yàn)證上述的分析,選擇激發(fā)點(diǎn)位置具有微測(cè)井表層調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)的單炮數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。單炮接收道距為25m,激發(fā)井深為12m。

        為驗(yàn)證選擇參與面波頻散分析地震數(shù)據(jù)道的最小炮檢距、最佳分析位置和分析道數(shù),根據(jù)地震數(shù)據(jù)分析和微測(cè)井觀測(cè)獲得縱波速度VP、橫波速度VS、近地表厚度h、最大波長(zhǎng)λmax、 最大相速度Cmax和最小相速度Cmin, 利用式(1)~式(3)進(jìn)行分析,分析中采用的面波分析參數(shù)見(jiàn)表1和表2, 分析結(jié)果見(jiàn)表3。

        表1 地震記錄面波參數(shù)列表

        表2 地震記錄面波參數(shù)列表2

        表3 分析結(jié)果列表

        分別選擇多道(110道)、少道(25道)以及面波發(fā)育數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行面波相速度頻散分析、反演計(jì)算及對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖5a~圖5e和表4。從圖5和表4可看出,由于近地表結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和非一致性,無(wú)論是整道選取,還是針對(duì)面波區(qū)域選擇,當(dāng)選擇分析數(shù)據(jù)區(qū)域增大時(shí),盡管頻散分析的圖像精度得到提高,但近地表結(jié)構(gòu)反演結(jié)果的精度卻下降了。

        此外,從圖5中可清楚看出,相對(duì)于選擇整道進(jìn)行頻散分析,選擇數(shù)據(jù)中面波分布區(qū)域進(jìn)行相速度頻散分析獲得相速度頻散譜圖像精度更高,同時(shí)反演精度也得到提高。最后,通過(guò)與微測(cè)井解釋成果以及小折射解釋成果對(duì)比,可以看出采用面波反演獲得的近地表結(jié)構(gòu)與微測(cè)井解釋結(jié)果非常接近,與小折射方法獲得的結(jié)果差異較大,從而證明了小折射結(jié)果在某些地區(qū)和微測(cè)井成果差異是比較大的,而面波反演的近地表結(jié)構(gòu)與微測(cè)井解釋結(jié)果則比較接近,證明了面波反演近地表結(jié)構(gòu)的方法是可靠的,在面波比較發(fā)育的地區(qū),采用面波反演近地表結(jié)構(gòu)是可行的,它代替小折射對(duì)近地表結(jié)構(gòu)進(jìn)行高密度觀測(cè),同時(shí)能夠保證觀測(cè)精度。此外,可以看出,選擇面波能量平衡的數(shù)據(jù)區(qū)域,在保證譜精度的前提下,采用少量道數(shù)或局部面波區(qū)域進(jìn)行面波頻散分析和反演計(jì)算可明顯提高精度。

        表4 近地表結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)比表

        圖5 不同區(qū)域地震數(shù)據(jù)頻散和反演分析及微測(cè)井和小折射表層調(diào)查結(jié)果 (a)半排列(110道); (b)少道(25道); (c)面波數(shù)據(jù)區(qū)域(120道); (d)面波數(shù)據(jù)區(qū)域(25道); (e)微測(cè)井和小折射解釋成果

        5 結(jié)論

        從文中分析可知,針對(duì)復(fù)雜的近地表結(jié)構(gòu)面波反演,要得到好的面波頻散分析和反演結(jié)果,應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行考慮:

        (1)確保面波的能量和面波“信噪比”。當(dāng)面波能量比較低時(shí),選擇參與分析的道數(shù)要增加,反之在保證面波成像精度的前提下應(yīng)盡可能減少道數(shù),以保證后續(xù)近地表結(jié)構(gòu)反演的精度。

        (2)分析面波時(shí),要盡量選擇距離激發(fā)點(diǎn)位置較近的地震數(shù)據(jù),同時(shí)要盡可能地避免其他體波的“污染”。

        (3)針對(duì)不同地層產(chǎn)生面波能量不均衡情況,要以實(shí)際近地表結(jié)構(gòu)為參照,通過(guò)測(cè)試選擇面波能量相對(duì)均衡的數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行頻散分析和反演,這樣才能保證近地表結(jié)構(gòu)反演精度。

        [1] 夏江海.高頻面波方法.湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2015,ISBN 978-7-5625-3768-7.

        [2] Miller R D,Xia J,Park C B et al.Multi-channel analysis of surface wave to map bed rock. The Leading Edge,1999,18(12):1392-1396.

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