楊智超 李 敏, 張 璐 陳江力 張 孟

1. 東方地球物理勘探公司西南物探分公司 2. Texas A & M University

在陸地地震勘探中，地震波在地層中傳播時(shí)，其能量和頻率都會(huì)產(chǎn)生吸收衰減。相對(duì)于深部堅(jiān)硬巖層，近地表松散地層對(duì)地震波的吸收和衰減最嚴(yán)重，是地震波衰減的主要原因。為了消除這種因素對(duì)地震資料的影響，需要對(duì)近地表的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)剖析，并進(jìn)行補(bǔ)償處理。地層對(duì)地震波的吸收衰減程度通常采用地震波能量耗散的品質(zhì)因子（Q）來(lái)描述。如果獲得了近地表地層的Q值，再利用反Q濾波技術(shù)，則可以消除或者削弱近地表松散地層對(duì)地震波的衰減作用，提高地震資料的品質(zhì)。

針對(duì)地層品質(zhì)因子的求取，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都做了有益的工作。席道瑛等[1]通過(guò)低頻共振的方法測(cè)得了多孔飽和砂巖的衰減溫度譜，闡明了在低溫和低頻下的飽和流體砂巖的衰減特性；石玉梅等[2]提出了用瞬時(shí)頻率匹配法提取衰減參數(shù)方法，從模型上實(shí)現(xiàn)了速度和Q值聯(lián)合反演的層析成像方法；嚴(yán)又生等[3-4]提出了井間介質(zhì)速度和Q值聯(lián)合成像。凌云等[5-9]提出“時(shí)頻域和頻時(shí)域球面發(fā)散與吸收衰減統(tǒng)計(jì)分析”方法，利用大炮記錄對(duì)地層的吸收與發(fā)散特征進(jìn)行研究，導(dǎo)出了求取品質(zhì)因子的統(tǒng)計(jì)公式。但前人的研究主要集中在方法上，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于復(fù)雜多變的近地表地層，獲得的Q值精度較低，不能精細(xì)刻畫(huà)近地表Q值變化情況。筆者團(tuán)隊(duì)基于雙井微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，利用譜比法計(jì)算Q值，并結(jié)合精細(xì)近地表結(jié)構(gòu)模型，采用V-Q公式來(lái)構(gòu)建近地表Q值結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用效果較好。

1 區(qū)域概況

川西北部主要指四川盆地西北部地區(qū)，位于川北古拗陷低緩構(gòu)造區(qū)。該區(qū)地表既有丘陵地形，也有山地地貌，最高海拔1 500 m左右，最低海拔400 m左右。地表主要出露白堊系七曲寺組、白龍組和蒼溪組、劍閣組、劍門(mén)關(guān)組上段、下段、侏羅系蓮花口組、遂寧組、沙溪廟組以及二、三疊系砂巖和灰?guī)r地層，也有第四系黃土礫石堆積區(qū)，地表沉積物巨厚，低降速層厚度變化大，有些地區(qū)厚度可達(dá)幾百米，有些地區(qū)只有1～2 m。這樣復(fù)雜的地表，必然會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜而嚴(yán)重的地震波衰減，造成地震原始資料頻率和信噪比都較低。

2 近地表Q值模型的建立

對(duì)于川西北部這樣的復(fù)雜地區(qū)，如果采用以往的常規(guī)近地表Q值建模方法，僅利用微測(cè)井構(gòu)建Q值模型，只能獲得一些單點(diǎn)的Q值數(shù)據(jù)，不能連續(xù)刻畫(huà)Q值橫向上的變化，并且這種模型的深度受微測(cè)井深度限制（＜20 m），不能很好地反映Q值隨地層深度的變化情況。通過(guò)對(duì)比單、雙井微測(cè)井資料和研究近地表Q值與縱波速度的關(guān)聯(lián)性后，確定采用雙井微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)求取單點(diǎn)Q值，并利用求取的Q值和微測(cè)井解釋的速度成果進(jìn)行擬合，獲得速度與Q值的關(guān)系式，再利用層析技術(shù)獲得較為精細(xì)的近地表速度結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)而求取近地表Q值結(jié)構(gòu)模型（圖1）。所構(gòu)建的Q值結(jié)構(gòu)模型較真實(shí)地反映了近地表Q值隨地形起伏、低降速帶速度及表層厚度的變化情況。

圖1 近地表Q值模型構(gòu)建流程圖

2.1 單點(diǎn)Q值求取

以往求取近地表單點(diǎn)Q值都采用單井微測(cè)井，獲得的成果精度不高。因?yàn)閱尉y(cè)井無(wú)法避免地表極疏松的風(fēng)化層，極疏松的風(fēng)化層對(duì)地震波能量、頻率的衰減作用都很強(qiáng)，所獲得資料的頻率和振幅信息將產(chǎn)生較大改變，難以真實(shí)反映地層對(duì)資料的影響情況。而雙井微測(cè)井采用井中激發(fā)井中接收，接收到的地震波沒(méi)有經(jīng)過(guò)地表極疏松風(fēng)化層的衰減，獲得的地震信息更豐富真實(shí)。

實(shí)際資料顯示，兩種方式獲得的資料能量差異較大，單井微測(cè)井資料（圖2）在1～6 m激發(fā)能量最強(qiáng)，7～30 m激發(fā)能量都較弱，變化不大；而雙井微測(cè)井資料（圖3），在1～10 m激發(fā)能量最弱，11～24 m激發(fā)能量最強(qiáng)，25～30 m激發(fā)能量減弱。結(jié)合地層激發(fā)巖性分析，該試驗(yàn)井1～10 m地層是風(fēng)化層，激發(fā)效果最差；11～24 m地層是泥巖，激發(fā)效果最好；24～30 m地層是砂巖，激發(fā)效果次之?？梢?jiàn)雙井微測(cè)井資料能量曲線(xiàn)的強(qiáng)弱變化與激發(fā)巖性對(duì)應(yīng)得更好，說(shuō)明雙井微測(cè)井資料能較客觀地反映地層的巖性情況。

圖2 單井微測(cè)井資料不同深度激發(fā)能量分析圖

圖3 雙井微測(cè)井資料不同深度激發(fā)能量圖

筆者選擇在川西北部柘壩場(chǎng)構(gòu)造進(jìn)行方法驗(yàn)證。首先利用雙井微測(cè)井資料，采用頻譜比法求取Q值。譜比法基于Q值與頻率無(wú)關(guān)的假設(shè)條件，通過(guò)最小二乘擬合振幅譜比值的對(duì)數(shù)隨頻率的變化斜率，進(jìn)而估算層間Q值[6-8]，該方法穩(wěn)定性較好，理論推導(dǎo)嚴(yán)密, 假設(shè)條件少。頻譜比法求Q的公式為：

式中 S1(Z1, f)、S2(Z2，f)分別表示點(diǎn) Z1、Z2記錄到的振幅譜；C表示常數(shù)；Δt表示時(shí)差，ms；f表示頻率，Hz。

從不同深度點(diǎn)激發(fā)頻譜分析結(jié)果圖（圖4）可以看出，在不同深度激發(fā)，地震波的能量和頻率會(huì)有明顯的分層性，深度1～5 m激發(fā)的頻譜相似度高，低頻能量較強(qiáng)，高頻能量較弱；深度6～11 m激發(fā)的頻譜相似，低頻和高頻能量較弱；深度12～24 m激發(fā)的頻譜相似，低頻能量較弱，高頻能量較強(qiáng)，深度25～31 m激發(fā)的頻譜相似，低頻能量較弱，高頻能量較強(qiáng)。造成這種現(xiàn)象的原因是激發(fā)巖性的不同。為了獲得每個(gè)地層的Q值，在求取近地表Q值過(guò)程中，就需要對(duì)Q值進(jìn)行分層計(jì)算。

圖4 川西北部柘壩場(chǎng)構(gòu)造雙井微測(cè)井資料頻譜圖

一般情況下，主要依據(jù)巖性進(jìn)行地層劃分。但由于柘壩場(chǎng)構(gòu)造近地表地層的巖性結(jié)構(gòu)變化較快，不易判斷，可能會(huì)出現(xiàn)多種劃分方式。為了獲得高精度的近地表Q值，采用綜合屬性分層法求取近地表Q值，即利用雙井微測(cè)井資料獲取地層速度、能量、頻率等屬性的變化趨勢(shì)，再結(jié)合鉆井巖性等多種屬性進(jìn)行分層。圖5為同一口微測(cè)井的不同屬性，可以看出不同屬性的分層性并不一致，如果采用單個(gè)屬性進(jìn)行分層，將會(huì)有多種劃分方式。如同樣劃分為3層，根據(jù)巖性錄井，即為1～5 m、6～15 m、16～31 m；根據(jù)頻率曲線(xiàn)，即為1～7 m、8～15 m、16～31 m；根據(jù)速度曲線(xiàn)，即為1～4 m、5～7 m、8～31 m。綜合考慮各種因素，將該井Q值分為3層計(jì)算，第1層1～7 m；第2層8～15 m；第3層16～31 m。最終得到 第1層Q值為0.58，第2層Q值為1.99，第3層Q值為4.14。

圖5 綜合利用多種屬性進(jìn)行層位劃分展示圖

2.2 Q值模型的建立

利用雙井微測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算Q值，在縱向上具有較高的精度。但由于雙井微測(cè)井在橫向上分布較為稀疏，因此不能得到整個(gè)區(qū)域的準(zhǔn)確Q值模型。根據(jù)李慶忠等人[9-10]的研究，地層的Q值與地層速度具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且給出了數(shù)學(xué)表達(dá)公式Q=，vp為縱波速度[10]?；诖耍秒p井微測(cè)井資料獲得四川盆地川西地區(qū)近地表地層Q值和地層縱波速度，在進(jìn)行Q值和速度對(duì)應(yīng)關(guān)系求取過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)與李慶忠的公式誤差較大，根據(jù)實(shí)際獲得的數(shù)據(jù)和考慮川西地區(qū)地表?xiàng)l件與其他地區(qū)的差別，擬合得到Q值與縱波速度(v)之間的關(guān)系式如下：

圖6為四川盆地川西北柘壩場(chǎng)構(gòu)造利用地震大炮資料層析反演得到的近地表縱波速度結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合前面擬合得到的縱波速度與Q值的關(guān)系公式，得到近地表Q值結(jié)構(gòu)模型（圖7），可見(jiàn)該模型精細(xì)地反映了Q值在橫向和縱向上的變化情況，每個(gè)物理點(diǎn)上都具有不同的Q值，為后期精細(xì)Q補(bǔ)償提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 應(yīng)用效果

上述近地表Q值模型構(gòu)建和補(bǔ)償技術(shù)，在川西北地區(qū)柘壩場(chǎng)構(gòu)造進(jìn)行了首次應(yīng)用。圖8是原始單炮資料，可見(jiàn)資料中低頻面波干擾突出，信噪比低，縱向上地震波反射能量隨深度增加而減弱，橫向上地震波反射能量隨距離增加而變?nèi)酰易兓痪?，有的部位減弱明顯，有的部位減弱不明顯。這主要由地表?xiàng)l件變化引起。通過(guò)近地表Q值補(bǔ)償后，可見(jiàn)單炮資料（圖9）的淺、中、深層及遠(yuǎn)、近偏移距的地震波反射能量較為均衡，同時(shí)地震反射的25～50 Hz高頻段能量得到較大提高，而低頻面波能量卻沒(méi)有增加，更突出有效反射波，使資料信噪比得到較大提高。圖10是補(bǔ)償前后單炮資料的頻譜圖，可見(jiàn)補(bǔ)償前資料的優(yōu)勢(shì)頻帶范圍是7～25 Hz，而補(bǔ)償后地震資料的優(yōu)勢(shì)頻帶拓寬為7～40 Hz，頻帶向高頻端拓展了15 Hz左右。

4 結(jié)論

1）針對(duì)巖性分層較多的近地表結(jié)構(gòu)，采用綜合屬性分層可以增加每一層的Q值計(jì)算樣點(diǎn)，從而降低計(jì)算結(jié)果的誤差。

2）利用雙井微測(cè)井和大炮初至信息，構(gòu)建的近地表Q值模型能真實(shí)反映近地表縱、橫向上隨地形、巖性、低降速帶厚度、速度變化的Q值變化情況。

3）利用這種Q值模型對(duì)地震資料進(jìn)行反Q濾波，有效補(bǔ)償了近地表對(duì)地震波頻率和能量的衰減。

4）復(fù)雜地區(qū)近地表Q值模型構(gòu)建技術(shù)還處于初步研究階段，還需要補(bǔ)償方法和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行完善，能獲得更高頻率的地震反射信息。

圖6 川西北地區(qū)柘壩場(chǎng)構(gòu)造二維近地表速度模型圖

圖7 川西北地區(qū)柘壩場(chǎng)構(gòu)造二維近地表Q值模型圖

圖8 Q補(bǔ)償前單炮地震記錄剖面圖

圖9 Q補(bǔ)償后的單炮地震記錄剖面圖

圖10 單炮地震記錄頻譜對(duì)比圖