（固体地球物理学专业论文）复杂近地表条件下地震波传播规律及补偿方法研究.pdf

s t u d y o ns e i s m i cw a v e p r o p a g a t i o nu n d e rc o m p l e x n e a rs u r f a c ea n dm e t h o d so fe n e r g yc o m p e n s a t i o n at h e s iss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h e j i n g s u p e r v i s o r ：p r o f s u nc h e n g y u s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( h u a d o n g ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：乃年s 月；9h 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：二二乏豸旌 日期：如门年n3 o h h 期：如，年厂月如同 摘要 随着油气勘探的逐渐深入，针对复杂岩性油气藏以及隐蔽油气藏的投入逐渐加 大，因此对地震勘探精度的要求越来越高。近地表因为其特殊性质，会对地震波场产 生较大的影响，引起地震波在传播方向、波形、频谱和能鼍等几方面的变化。这对地 震采集和处理将具有较大的影响。所以有必要对近地表条件下地震波传播规律进行研 究，同时发展近地表参数反演方法对近地表结构进行调查，最后对地震资料进行补偿， 提高地震分辨率。 本文的研究目标一方面是近地表介质特性与地震波吸收衰减规律及其分析方法 研究。对近地表“低速低密”、“低品质因子”、“自由表面 、“折射界面 等特性进行 了阐述，并对近地表特性下的地震波激发、接收以及传播进行了理论分析和正演模拟， 得到了一些有用的近地表特性相关的地震波理论。 另一方面，对近地表吸收衰减参数和速度参数进行提取：即近地表粘弹性质反演 与参数提取；在调研近地表参数反演方法的基础上，根据微测井进行吸收参数和速度 参数的提取理论研究，并在工区进行了实际资料的应用，利用反演结果建立了“近地 表综合模型”。 以上研究的最终目标是建立近地表介质中地震波的传播规律，服务地震采集中的 激发和接收；建立“近地表综合模型”，借助地震j 下演和波场分析，辅助地震采集处 理和解释工作。 最后，基于建立的近地表综合模型，对地震资料的能量补偿方法进行研究。发展 研究基于数据驱动的时频空间域振幅补偿，以及基于动力学特征的反q 滤波方法。 反q 滤波方法包括h a l e 反q 滤波以及稳定性反q 滤波。对三种方法进行了理论模型 试算，分析对比了三种方法的处理效果；最后，针对实际的叠前以及叠后资料进行了 处理，采用不同方法对具体应用效果进行分析。实际处理可以联合时频空间域振幅补 偿以及稳定性反q 滤波方法，从而实现提高地震分辨率，补偿深层弱信号能量的目 的。 关键词：地震波，吸收衰减，近地表，q 反演，能量补偿 s t u d yo ns e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o nu n d e rc o m p l e xn e a r s u r f a c ea n dm e t h o d so fe n e r g yc o m p e n s a t i o n h ej i n g ( s o l i dg e o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f s u nc h e n g y u a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fo i la n dg a se x p l o r a t i o n ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e sa r ef o c u s o nt h ec o m p l i c a t e dl i t h o l o g i co rs u b t l eh y d r o c a r b o nr e s e r v o i r s s oi t c o r r e s p o n d i n g l y d e m a n d sam u c hh i g h e rr e s o l u t i o no fs e i s m i cd a t a n e a rs u r f a c em e d i u mw i l ll a r g e r l ya f f e c t s s e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o nb e c a u s eo fi t ss p e c i a l l yp r o p e r t i e s ，a n dc a u s e ss e i s m i cw a v e c h a n g e si nt h ep r o p a g a t i o nd i r e c t i o n ，w a v e f o r m ，f r e q u e n c ys p e c t r u ma n dt h ee n e r g ya n d o t h e ra s p e c t s i tw i l lh a r d l yd a m a g ee f f e c t i v e n e s so fs e i s m i ca c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y s oi t i sn e c e s s a r yt od e a lw i t hs t u d yo nc o m p l e xn e a rs u r f a c es e i s m i cw a v e p r o p a g a t i o n ，a n dd e v e l o p sn e a r - s u r f a c ep a r a m e t e r si n v e r s i o nm e t h o d st oi n v e s t i g a t et h en e a r s u r f a c es t r u c t u r e t h e nw ea p p l ye n e r g yc o m p e n s a t i o no ns e i s m i cd a t a , a tl a s ti m p r o v e r e s o l u t i o no fs e i s m i cd a t a o nt h eo n eh a n d ，t h i ss t u d yt a r g e t so nn e a r - s u r f a c em e d i u mp r o p e r t i e sa n ds e i s m i c w a v ea t t e n u a t i o nl a wa n dt h ea n a l y t i c a lm e t h o d s i tm a i n l yi n t r o d u c e st h en e a r - s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c so f ”l o w s p e e dl o w d e n s i t y ”，”l o wq u a l i t yf a c t o r ”，”f r e es u r f a c e ”，”r e f r a c t i o n i n t e r f a c e ”a n do t h e rf e a t u r e s t h e nw et h e o r e t i c a ls t u d ya n ds t i m u l a t es e i s m i c ”e x c i t a t i o n ” ”a c q u i s i t i o n ”a n d ”p r o p a g a t i o n ”o nt h en e a r - s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n da c h i e v e ds o m e u s e f u ls e i s m i cw a v e1 a w sw i t h i nn e a r s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s o nt h eo t h e rh a n d ，w ee x t r a c tn e a r s u r f a c ep a r a m e t e r so fa t t e n u a t i o na n dv e l o c i t y ，s oa s t h en e a r s u r f a c ei n v e r s i o no fv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e sa n dp a r a m e t e re x t r a c t i o n b a s e do n i n v e s t i g a t i o no fn e a r s u r f a c ep a r a m e t e r si n v e r s i o nm e t h o d s ，w es t u d ym e t h o d so fe x t r a c t i n g a b s o r p t i o na n dv e l o c i t yp a r a m a t e r sf r o mb o r e h o l em i c r o l o g ，a n da p p l yt o f i e l dd a t a p r o c e s s i n g w i t ht h ei n v e r s i o no u t p u t ，w ee s t a b l i s h “n e a r - s u r f a c ec o m p r e h e n s i v em o d e l ” t h r o u g ha b o v es t u d i e s ，t h eu l t i m a t eg o a l i st oo b t a i nt h el a wo fs e i s m i cw a v e p r o p a g a t i o n i nn e a rs u r f a c em e d i a ，a n dc o n t r i b u t et ot h ee x c i t a t i o na n dr e c e p t i o ni ns e i s m i c a c q u i s i t i o ns e r v i c e s t h e ne s t a b l i s h ”n e a rs u r f a c ec o m p r e h e n s i v em o d e l ”，w i t ht h eh e l po f s e i s m i cf o r w a r da n dw a v e f i e l da n a l y s i s ，i tw i l lc o n t r i b u t et ot h es e i s m i ca c q u i s i t i o n ， p r o c e s s i n g ，a n di n t e r p r e t a t i o n a tl a s t ，b a s e do nt h ee s t a b l i s h e d ”n e a r s u r f a c ec o m p r e h e n s i v em o d e l ”，w ed e v e l o p e n e r g yc o m p e n s a t i o nm e t h o d so ns e i s m i cd a t a s i ti n v o l v e st i m e f r e q u e n c y s p a c ed o m a i n e n e r g yc o m p e n s a t i o nb a s e do nd a t a ，a n di n v e r s eqf l t e rm e t h o d sb a s e do nd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s i n v e r s eqf i l t e rm e t h o d si n c l u d eh a l e sa n ds t a b i l i z e dm e t h o d s w et e s tt h e m e t h o dw i t ht h e o r e t i c a lm o d e l s ，t h e na n a l y s ea n dc o m p a r et h r e ed if f e r e n tp r o c e s s i n gr e s u l t s w ep r o c e s sa c t u a lp r e s t a c ka n dp o s t s t a c ks e i s m i cd a t a ，a n da n a l y s ea p p l i c a t i o ne f f e c t i v e n e s s w i t hd i f f e r e n tm o t h e d s d u r i n ga c t u a lp r o c e s s i n g ，w ec a nc o m b i n e dt i m e f r e q u e n c y - s p a c e d o m a i ne n e r g yc o m p e n s a t i o na n ds t a b i l i z e di n v e r s eqf i l t e rm e t h o d s ，t h u sa c h i e v i n gt h eg o a l o fs e i s m i cr e s o l u t i o ni m p r o v e m e n ta n dd e e pw e a ks i g n a le n e r g yc o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：s e i s m i cw a v e ，a b s o r p t i o na n da u e n u a t i o n ，n e a rs u r f a c e ，qi n v e r s e ，e n e r g y c o m p e n s a t i o n 1 1 1 目录 第一章前言1 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状l 1 3 本文研究内容3 第二章近地表地震波传播规律研究5 2 1 近地表衰减与噪音5 2 1 1 粘滞效应5 2 1 2 散射效应6 2 2 近地表对地震波场的影响研究9 2 2 1 近地表吸收规律9 2 2 2 近地表对地震能量传递效果的影响1 l 2 3 近地表的综合作用15 第三章近地表参数反演方法研究17 3 1 品质因子反演方法1 7 3 1 1 品质因子反演算法综述一1 7 3 1 2 微测井近地表参数反演方法2 0 3 1 3q 值反演模块开发2 3 3 2 实际应用效果2 5 3 2 1 工区及施工简介2 5 3 2 2 微测井资料q 值反演2 6 3 2 3 工区微测井资料层速度反演3 2 第四章吸收衰减补偿方法研究3 7 4 1 时频空间域振幅补偿3 7 4 2h a l e 反q 滤波3 9 4 3 稳定性反q 滤波4 l 4 3 1 基本原理4 l 4 3 1 反q 滤波稳定性4 l i v 4 4 理论模型的试算及效果对比4 5 第五章实际资料应用及效果分析一5 3 5 1 实际资料处理5 3 5 1 1 叠前资料处理一5 3 5 1 2 叠后资料处理一5 5 5 2 补偿模块的开发6 4 5 3 小结一6 5 第六章研究总结一6 7 6 1 完成的主要工作6 7 6 2 研究成果和主要认识6 8 6 2 1 研究成果6 8 6 2 2 主要认识6 8 参考文献6 9 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 5 致谢一7 6 中国石油大学( 华东) 硕j ：学位论文 第一章前言 近地表的复杂加剧了地震波场的多样性，使得复杂近地表的研究成为一个具有广阔 应用前景的重要内容。同时对近地表波场传播衰减规律的认识，有助于地震信号的能量 补偿，提高地震剖面的分辨率。本课题从地震波的传播规律出发，探索近地表低速低品 质因子值和自由表面影响下的波场传播，重点研究地震波复杂近地表中的衰减机理，研 究品质因子的提取方法，并对近地表吸收介质的滤波作用做出补偿，以提高地震资料的 解释效果。 基于地震波的传播理论，开展对近地表复杂地表情况下的波场传播规律和波场衰减 特征的研究，利用微测井反演近地表参数策略进行实际资料的参数提取工作，并对不同 补偿方法进行模型以及实际资料处理，从而实现对地震资料的补偿。 1 1 研究目的和意义 众所周知，从地表到低速带底界的整个范围内的地层，虽然厚度不大，但由于其特 有的“低速低密”、“低品质因子”、“自由表面 、“折射界面”等性质，会对地震波场产 生较大的影响，从地下反射上来的地震信号会与自由表面相作用，产生转换波和其他类 型的波，使波场复杂化。同时，来自地下的地震信号在到达地表之前还受到了近地表介 质的滤波作用，由于近地表地层的低速度、高吸收的性质，会引起地震波在传播方向、 波形、频谱和能量等几方面的变化，从而影响地震资料的精度。 通过对近地表波场传播衰减规律的认识，有助于实现对地震信号的能量补偿，提高 地震剖面的分辨率。本论文从地震波的传播规律出发，探索近地表低速低品质因子值和 自由表面影响下的波场传播规律，研究近地表参数的提取方法，并对近地表吸收介质的 滤波作用做出补偿，以提高地震资料的解释效果。 1 2 国内外研究现状 低速带的存在会使地震波场复杂化。r o b b e r t 等( 2 0 0 5 ) 指出，由于波场穿过近地 表并受其影响，详细的近地表纵横波速度比信息对陆上地震数据的处理和解释至关重 要。b a c h r a c h 等【2 】( 1 9 9 8 ) 、b a k e r 等【3 】( 1 9 9 9 ) 等人先后对近地表进行高分辨率地震试 验，分析近源速度变化时发现了次生p 波的存在，并证明了地震记录结果随不同深度变 化的敏感度。同时，低速带使得地震波传播方向偏向垂直方向，导致纵横波场向标量波 l 第章前言 场转化。 近地表低速带会对地震波产生强烈的吸收衰减作用。张中杰等1 4 ( 1 9 9 9 ) 研究认为， 在低频时介质中以弹性效应为主，频率越高，非弹性效应越明显。王大兴等岭j ( 2 0 0 6 ) 指出近地表强烈的吸收作用会极大地降低地面的真分辨率，影响有效的储层预测和烃类 识别，l i l 6 】( 2 0 0 8 ) 指出未固结沉积层的低品质因子o 对地震波能量有强烈的吸收作 用，导致地震能量衰减明显，高频损失严重，波形畸变。然而，低品质因子的地层通常 具有低速度，使得地震波传播方向偏向垂直方向，增强了纵波波场在这个方向上的能量。 研究粘弹性吸收系数成像技术已有很多年。起初人们在时间域中利用波的振幅衰减 信息进行吸收系数成像，接着提出了在频率域内反演品质因子。并提出了多种计算q 值 的方法，t o n n 7 1 1 8 1 ( 1 9 9 1 ) 对十种常用的反演q 值方法进行了对比。从广义上说计算q 值的方法有两大类：( 1 )时间域法，即在时间域计算q 值，如振幅衰减法，解析信号 法，上升时问法，子波模拟法，相位模拟法，脉冲振幅法；( 2 ) 频率法，即在频率域中 计算q 值，如频谱模拟法，匹配技术，频谱比率法。 基于同样的理论基础，出现了一些新的方法，如：周辉等1 9 】( 1 9 9 4 ) 利用地震波频 谱计算o 值的相似系数法和o 补偿法；白桦等1 0 l ( 1 9 9 9 ) 的基于时频分析的地层吸收 补偿( 引入短时傅立叶变换以明显表示频率分量的时间局域化) ；凌云等【l i 】( 1 9 9 7 ) 的 一维弹性阻尼波动方程延拓法； q u a ny l 【1 2 】( 19 9 7 ) 与h a r r i sjm 的基于中心频率偏 移反演地层的吸收系数法；z h a n gcj 1 1 3 】( 2 0 0 2 ) 与u l r y c btj 的从c m p 道集反演地层 品质因子的方法；a n d e r s o n 1 4 1 ( 1 9 6 5 ) 、x i aj “1 5 】( 2 0 0 1 ) 等提出从面波中提取品质因 子的方法；c a r l o scm 等i l6 j ( 2 0 0 4 ) 从转换p s 波中提取品质因子的方法，s c o t ts i n g l e t o n 等【1 7 】( 2 0 0 6 ) 用g a b o r - m o r l e t 联合时频分析技术反演品质因子的方法等。这些方法在什 么情况下适用，其适用的机理是什么，还有待于进一步研究。在充分进行粘弹吸收机理 的基础上，研究新的更为合理的吸收参数提取方法也显得越来越重要。以上提到的方法 都是基于常q 假设条件下的，即q 不随着频率的变化而变化。另外，还有学者如j e n g y i h l l 8 】等人，认为近地表的q 值应该和频率有关系，他们还给出了频率和o 的指数关系 式。 地震波的能量补偿能够消除非地质因素对地震波振幅的影响，使反射波能量变化只 与界面的属性相关。振幅补偿在前期研究过程中只进行常规补偿，即球面扩散补偿，地 表一致性补偿，这是基于子波不变形理论，如果考虑子波时变性，就要对地层吸收衰减 做更深入的补偿，即地层吸收补偿，反q 滤波就是一种常用的吸收补偿。更多新的补偿 2 中国杠油人学( 华东) 硕士学位论文 方法得以发展提出：d a v eh a l e l j 州( 1 9 8 2 ) 基于f u t t e r m a n 模型在最小相位假设的前提下 提出了一种反q 滤波算法；裴江云，何樵剖2 0 】( 1 9 9 4 ) 基于k i a r t a n s s o n 模型提出了相 似的反q 滤波算法；他们都是基于级数展丌对高频进行近似补偿的方法；赵圣亮等【2 ( 1 9 9 4 ) 针对高频能量的损失提出了一种在频率域的简单的补偿方法；高军【2 2 】( 1 9 9 6 ) 和白桦( 1 9 9 9 ) 在时频域应用傅罩叶变换方法进行了吸收补偿；李鲲鹏f 2 4 】( 2 0 0 0 ) 提 出了小波包分解理论，将之应用至0 地层吸收衰减的解释以及补偿过程中；姚振兴等1 2 副 ( 2 0 0 3 ) 发展了新的反q 滤波算法，他在深度域对地震剖面进行补偿，根据地震波衰减 规律，基于深度域的q 滤波算子更具有实际意义，他在基于地震波振幅的介质吸收作用 前提下对由此造成的波形畸变即地震波的频散性质进行了考虑；刘喜武等1 2 6 】( 2 0 0 6 ) 利 用广义s 变换进行了地层的衰减补偿，对比短时f o u r i e r 变换和连续小波变换方法，提 高了地震资料的品质，对分辨率也有很好的改善作用；y a n g h u aw a n g l 2 7 】【2 8 】( 2 0 0 2 ，2 0 0 6 ) 提出了基于波场延拓思想的一维稳定反q 滤波方法，对振幅补偿过程中过补偿效应进行 了校正，对高频噪音的放大进行了压制，对地震波频带范围内的有效频带进行了补偿， 同时可以单独进行相位校正，几乎可以完全的恢复频散效应引起的相位畸变。r a l f f e r b e r 等1 2 9 j ( 2 0 0 5 ) 对地震能量衰减造成的衰减利用滤波组方法来进行补偿，这种方法的最大 优点是能够处理q 随时间随意变化的情况。z h a n gx i a n w e n l 3 0 】( 2 0 0 7 ) 提出了一种基于 稳定波场延拓的反q 滤波算法，取得了很好的效果。x i a o j i ew a n g 3 l j ( 2 0 1 0 ) 对叠前资 料进行了品质因子的提取，并将结果作为地震属性来辅助进行油气的预测。 1 3 本文研究内容 本文针对近地表的低速度、低品质因子、自由面等特性对地震波的激发以及接收进 行了模拟，得到了一些实用的规律；调研了反演品质因子的方法原理，确定了频谱比率 法作为近地表反演的主要方法，并依据实际的微测井资料进行了资料的提取；最后对三 种不同补偿方法进行了研究，进行了时频空间域振幅补偿、h a l e 反q 滤波、稳定性反q 滤波算法的模型试算以及实际资料处理，对各种方法处理效果进行了对比分析。 第一章是前言，对近地表特性以及对实际资料影响进行了调查，对反演品质因子的 国内外研究现状进行了详细的阐述，最后对不同的补偿方法研究现状进行了调研。 第二章是近地表地震波传播规律研究，首先阐述了地震波近地表衰减以及散射噪音 的机理，然后对近地表影响因素进行了j 下演模拟以及理论分析，对不同近地表条件下的 模拟结果进行了对比分析，得到了一些对实际工作有意义的规律。 3 第一章前言 第三章是近地表参数反演方法研究，首先对国内外反演品质因子方法进行了分类阐 述，涉及了近几年的新方法介绍。然后对微测井反演品质因子策略的原理进行了详细的 介绍，并发展了利用微测井反演品质因子及层速度的方法，最后根据实际资料进行了近 地表品质因子及层速度的提取，并依据近地表参数得到了近地表模型。 第四章是吸收衰减补偿方法研究，对三种能量补偿方法：时频空问域振幅补偿、h a l e 反q 滤波、稳定性反q 滤波方法基本原理以及方法的数学实现进行了阐述。然后利用 常q 无噪音衰减模型分别对三种方法进行了试算，对于结果从波形、振幅谱、相位等方 面进行了对比分析。 第五章是对第四章中介绍的三种补偿方法进行实际资料的处理。使用的资料分别为 叠前n m o 剖面以及叠后地震剖面，对三种方法的处理结果和原始剖面进行了对比，并 且抽道进行了具体的分析。从实际处理效果进行三种方法的优缺点对比。 第六章是对全文的总结，对取得成果以及完成的工作进行了综合表述。 4 中国石油人学( 华东) 硕 学位论文 第二章近地表地震波传播规律研究 2 1 近地表衰减与噪音 地震波的能量衰减机理非常复杂，这是学者们始终致力研究的问题。地震波能量的衰 减，从传播角度来看，可以分为两种：介质因素以及非介质因素两大类。非介质因素主要 指几何扩散即球面发散，这方面的理论研究以及实际观测都比较成熟。介质因素主要包括 介质的粘滞性、界面的广义散射( 如反射、透射、折射等界面上的次一级传播) 以及介质 非均匀性导致的散射。概括起来介质因素主要包括粘滞效应以及散射效应，国内外学者对 这两方面进行了理论研究以及实验室模拟，机理比较复杂。 2 1 1 粘滞效应 粘滞性机理中的一种说法是弹性滞后效应。实验结果证明，介质内部结构在外力作用 下会产生结构上的复杂变化。外力作用撤出后，介质不能够完全恢复其原始状态，存在一 定程度的剩余应变。剩余应变的存在会消耗介质的应变能量，进而使波在传播过程中能量 逐步衰减。 在粘滞性机理中，介质内部颗粒之问摩擦热效应现象和b i s q 效应即b i o t 喷射流效应， 这两种解释备受人们关注。其中前者是和强振幅即应变振幅大于1 0 。6 m 的情况，后者适应 弱振幅即应变振幅小于1 0 曲m 的情况。这里仅就这两种解释的基本问题给出简单的阐述。 ( 1 ) 固体颗粒内摩擦的热效应 这种条件下对应的振幅应变大小超过1 0 一m ，介质内部的内摩擦力导致岩石颗粒应变过 程中的摩擦作用产生热能，热能的耗散导致地震波传播过程中衰减现象的产生。这种形式 的衰减对于干燥岩石的作用尤其重要【3 2 】。 有关学者( w i n k l e r 和n u r ，1 9 7 9 ；w a l s h ，1 9 6 6 ；b i r c h ，1 9 7 5 ；l o s k n e r 等，1 9 7 7 ；j o h n s t o n 等1 9 8 0 a ) 对地震波在干燥岩石中的衰减进行了计算和解释，并获得了较好的结果；但是在 应变很小或者裂缝尺度较小时分析地震传播过程中的衰减作用，可以观测到颗粒或者裂缝 之间的相对移动比原子之间的相对滑移还要小，因此，这种微观条件下的滑移不可以利用 宏观条件下的理论进行描述3 3 1 ；摩擦滑移被看作是引起地震波非线性传播的因素之一 ( m i n d l i n 和d e r e s i e w i c z ，1 9 5 3 ；k n o p o f f 和m a c d o n a l d ，1 9 6 0 ；w h i t e ，1 9 6 6 ；w a l s h ，1 9 6 6 ； m a v k o ，1 9 7 9 ) 。但是，只有在大应变即应变振幅大于1 0 击m 的情况下，摩擦滑移引起的地 震波能量衰减才能被观测到( g o r d o n 和d a v i s ，1 9 6 8 ；g o r d o n 和r a d e r ，1 9 7 1 ；w i n k l e r 等， 气 第_ 二章近地表地震波传播规律研究 1 9 7 9 ：j o h n s t o n 等1 9 8 0 b ) 。 ( 2 ) b i s q 效应即b i o t 喷射流效应 若振幅即应变振幅小于1 0 。6 m 时，流体在岩石颗粒之问孔洞中的喷挤作用可能是能量 消耗的主要因素。地震波通过b i o t 介质时，因为在不同压缩条件下产生压缩以及膨胀形变 作用，同时产生了区域之间的压力差，流体因此在介质中产生相对于岩石骨架的流动作用， 而岩石孔隙问的摩擦力产生粘滞性，使得能量因此而耗减，我们把这种条件下的现象称为 总体流动【3 钔。 在实际的测量实验中得到的能量衰减以及频散的程度都要明显大于理论预测的结果 ( m a v k o 和n u r ，1 9 7 9 ；w i n k l e r ，1 9 8 6 ：w a n g 和n u r ，1 9 9 0 ) ，因此，m a v k o 和n u r ( 1 9 7 9 ) 提出了喷射流机制，在这种机制条件下对不完全饱和孔隙介质中纵波、横波的衰减进行了 研究，得到了较为理想的结果。之后，学者p a l m e r 和t r a v i o l i a ( 1 9 8 0 ) 、m u r p h y 等( 1 9 8 6 ) 、 a k b a r 等( 1 9 9 3 ) 以及d v o r k i n 和m a v k o ( 1 9 9 5 ) 进一步研究喷射流机制理论，并对其进行 了发展和完善。在多孔隙岩石中，孔隙大小不同导致它们所具有的物理性质或者说波阻抗 不同，喷射流机制指出，在压力条件下，流体在大波阻抗即大孔隙和小波阻抗甚1 3 d , ：f k 隙之 问相互挤压流动，不同尺度孔隙之间的压力变化不同导致流体不饱和情况下由小孔隙喷挤 入大孔隙中或者相邻的裂缝中，认为在此过程中的不断交互作用导致了地震波能量的衰减。 这种机制被认为是引起多孔隙介质中发生弹性波高频衰减主要因素【3 5 】。 上述介绍的两种衰减机制即b i o t 流动机制和喷射流机制，并不是独立发生的。在含流 体的多孔介质中的地震波或者声波传播过程，b i o t 流动机制和喷射流机制因为固体和液体 的耦合作用而同时发生作用，它们共同导致了宏观上地震波传播过程中的能量衰减以及频 散现象的产生。 2 1 2 散射效应 激发炮点产生的噪音以及外部风，车辆行走等随机噪音是构成地震资料噪音的两种主 要种类。后者产生的噪音为环境因素，无固定规律。无固定频率，具有随机性特点。我们 一般考虑激发因素产生的噪音因素。 近地表不均匀性导致了波场的散射以及绕射。由于这些干扰非常靠近震源和检波器， 使得干扰信号变强并具有扩散性。最强的干扰信号是直达面波，也就是常说的地滚波，其 质点位移轨迹呈椭圆型，因此，“散射”地滚波也存在干扰。 地震波散射，广义地说，任何由地球三维非均匀性引起的地震波的改变都可称为地震 6 中国石油大学( 华东) 硕 学位论文 波散射【3 6 】，我们利用传播态势对散射进行分类。 假设非均匀性的尺度为o ，k 为波数，五为波长，强度为帚，这时可以用三个无量纲数 来表示波传播态的特征： k a = 2 万叫五、归一化传播长度为叫口，l 为传播长度或非均匀 区域范围，通过勋大小对散射进行分类： ( 1 ) 准均匀念散射：当切 o 0 1 时，因非均匀性程度太低，以致无法用波加以鉴别， 这种介质可近似看做某种均匀介质。 ( 2 ) r a y l e i g h 散射：当蛔口1 ( 例如勋 1 ，人 1 和巾 1 ，所以必须考虑衍射的影 响。 3 饱和态：中 2 万和人 2 万，在这个态内，振幅起伏被饱和，射线分裂成许多微射 线并且彼此发生干涉。可以利用路径积分和矩方程法来推导波在这个态内传播的统计特性。 对于广角散射和r a y l e i g h 散射，因为散射场远远小于入射场，属于弱散射情况。 7 第二章近地表地震波传播规律研究 在近地表和非常接近近地表的地方进行了很多地震波观测显示，表层介质非常复杂并 会引起波散射。总体而言，地球的近地表是粗糙不平的，而且结构非常不规则，地球表面 的结构物性的横向变化通常很大，表层物质和底层物质的速度比通常在l ：2 到1 ：5 之间，泊 松比变化也非常大，表层物质的性质在某些地点可能呈准液状，而在另一些可能类似于 p o i s s o n 固体，地表弹性常数的这种变化可归因于岩石物理性质的变化，如岩石的孔隙率。 渗透性、破裂、孔隙流体的出现、压实和变质作用等。 在层状系统中引入任何横向非均匀性都会将自由传播波散射到所有波数，并引起自由 传播波与弹性介质中的俘获波或者简振振型的混合。根据非均匀构造的类型，散射可分为 体波反射、面波散射、体波面波散射、和面波体波散射等。 ( 1 ) 不规则地形的体波散射 由不规则自由表面引起的应力被看作一个等效于光滑表面的点源，当把地形引起的残 余应力看作一级近似时，要求地形不规则起伏的高程小于一个波长且不规则的倾斜坡度很 小。总的来说，与波长尺度相当的地形不规则将引起入射体波的集中或者分散，这种响应 与波形、入射角、地形特征、观测点的位置以及是否存在低速层有关。地形可将入射p 波 和s v 体波转化为r a y l e i g h 波，使地震记录变得更加复杂，观测资料证实了体波聚焦和散 射r a y l e i g h 波的存在。 ( 2 ) 不规则表层的体波散射 表层体波散射包括波垂直入射和近垂直入射到光滑表层的反射和不规则表面的衍射。 表层反射，就是入射信号在表层底层和自由表面之间的多次反射，在实际地震勘探中非常 重要。对表层不规则构造特别是低速构造中体波的研究，认识到体波和面波具有耦合现象。 表层不均匀构造通过散射体波和面波严重影响常规地震勘探数据，g e y e r ( 1 9 7 6 ) 研究了近 地表陆地地震反射调查中产生的噪音，发现许多噪声是由地层和浅地表结构引起的体波面 波散射造成的。g i v s o n 和l e v a n d e r ( 1 9 8 8 ) 用声波有限差分法模拟了具有不规则低速表层 的平面层状结构的c m p ，发现由于散射波场和表层反射场的频谱特性差别太大，预叠加反 褶积不能用于多重散射和共振耦合面波。模拟实验证明，在非均匀低速薄表层的散射因强 反射和表面波场而加强。回折反射波将引起附加面波噪音而加强表面噪声场。 在勘探地震学中，小范围低速层、不规则表层或浅层衍射点源的存在将引起面波、散 射体波、多重散射面波和横向共振波形的共振耦合而影响地震数据质量。 ( 3 ) 不规则波导中的面波 在体波和面波的耦合方式中，面波可在不规则自由表面或者不规则波导中同体波耦合， 8 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 面波也能被转换成其他波形。由散射点激发的转换体波和面波对任何地震信号尾波的产生 都起作用，散射体波和面波总是与初始面波相互干涉，混杂在相速度和群速度频散的观测 中，在不规则波导中传播的l o v e 波和r a y l e i g h 波对不规则层状结构的敏感性有相当不同， r a y l e i g h 波频散对波导不规则性不是很敏感。 根据不同尺度的非均匀体对地震波的影响，可借助于不同的传播态式进行讨论。对不 同传播态式的地震波散射问题，用不同的近似解析方法去解决。 杜增利( 2 0 0 8 ) 通过理论模拟证实，后期补偿处理过程中可恢复的高频能量与记录中 的噪声含量有关，噪音能量超过高频成分时，衰减的高频能量是不可恢复的。 2 2 近地表对地震波场的影响研究 从地表到低速带底界整个范围的地层内，包含两个重要的界面( 地表白由面和低速带 底界的强反射面) 和一个低速地层，我们统称为近地表介质。近地表的特性及其影响包括 以下几个方面： 近地表介质因为风化作用导致速度很低，横向变化剧烈，这对实际地震处理过程中的 静校正影响很大；同时风化作用使得近地表疏松以及近地表结构疏松，介质密度较低，地 层品质因子很小，通过近地表层品质因子反演得到的结果远低于根据李庆忠经验公式拟合 的品质因子值，这就导致了对地震波能量的强烈吸收作用；再有因为半空间介质中的自由 表面的存在，震源激发与接收收到自由面影响，形成特殊波，使波场复杂化；最后，低速 带底界往往存在高速层，客观上形成了一个折射界面，影响了震源能量的下传，实际上起 到了能量的屏蔽作用。近地表特性概括起来为：“低速度”、“低密度”、“低品质因子”、“自 由面”以及“折射面 。 2 2 1 近地表吸收规律 火成岩、变质岩、结晶岩( 包括石灰岩) 的q 值最大；页岩次之；砂岩q 值较小；土 壤和地面表层的q 值最小。w a t e r s ( 1 9 7 8 ) 总结了纵波品质因子q 。与纵波速度之间的统计 平均关系为：q p = 1 0 7 6 v 2 ；李庆忠院士统计出：q = 1 4 v 2 一；根据胜利地区的实际情况， 得到胜利拟合结果为：中深层q = 2 3 9 6 x1 7 7 8 ；浅层q = 4 9 3 v 44 5 ，各种拟合关系见图2 1 ， 左右两侧分别为线性、对数坐标显示。 为了详细说明近地表对能量的吸收作用，我们对近地表作用进行模拟，从而得出一个 9 第二：章近地表地震波传播规律研究 量化的吸收规律，我们分别模拟低速带厚度以及速度不同时直达波能量随炮检距的变化， 地层的q 值根据李庆忠拟合公式给出，模拟结果见图2 2 ，图2 3 ， 图2 2 中低速带厚度( 1 m ，3 m ) 较小时能量随着炮检距