層析靜校正技術在煙臺九目山巖體完整性評價中的應用

虞永征,解建建,李德春

(1.安徽省勘查技術院，安徽 合肥 230001；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221008)

0 前言

隨著我國經濟建設的發展,能源需求的加大，地震勘探方法不斷發展，勘探程度不斷深入，地震勘探也從東部平原區走進了西北山地區、沙漠區，對地震資料處理提出了更高的要求，也促進了地震勘探資料處理技術的發展。

復雜地表區存在地表高差大，巖性變化快，橫向變速快，不存在穩定的折射界面等特點，造成了地震原始采集資料存在嚴重的靜校正問題。靜校正問題是制約復雜地表區地震成像技術的關鍵因素[1-6]。層析靜校正技術就是在這種情況下發展起來，處理人員不但可以采用層析反演計算中、長波長的靜校正量，為復雜地區石油、煤炭、頁巖氣等能源地震勘探資料處理解決靜校正問題，提供優秀可靠的處理成果[7-11]；還可以采用回轉射線層析成像估算近地表速度，準確進行近地表模型的建立，解析淺表構造，解決工程勘察中的問題。該文通過煙臺九目山巖體完整性評價的應用，證實了初至波層析反演方法的可行性。

1 層析靜校正技術

計算地震波在地下傳播的速度是地震勘探資料處理解釋中一個非常重要的問題。自Dines和Lytle首次將層析成像技術引入到地震勘探領域以來，McMechen，Somerstein，Daily，Dye，Bishop[12-16]等許多地球物理工作者對地震初至波層析成像的理論原理和方法技術進行了研究，20世紀90年代開始在實際生產中應用。

一般來說，近地表地層因為長期風化形成表層低降速帶，其地震波傳播速度與穩定地質體中地震波傳播速度的差異較大，通過接收炮點與檢波點之間的地震波旅行時，利用初至波層析成像反演技術[1-9]，得到地下的速度結構是一個切實可行的方法。初至波層析成像反演分為線性層析反演和非線性層析反演兩種。

線性層析反演相對穩定，容易收斂，但是對橫向變速適應能力較差，不適應復雜山地資料靜校正。非線性層析反演靜校正理論上將復雜的近地表模型微元化，當劃分的微元足夠小時，可以近似認為每個微元內介質的速度是一個常數，數學上可以認為這一系列微元能夠準確地建立近地表模型，進而通過層析成像反演出近地表的速度模型。根據費馬原理，地震波沿旅行時最短路徑傳播，可以把近地表劃分為很多個足夠小的速度微元，通過求解下面的方程得到近地表速度模型。

式中：ti為地震波穿過每個微元的時間向量；di為每個微元模型向量；si為每個微元內的慢度向量。原理如圖1所示。求解上述方程的方法有很多，一般是最小二乘和共軛梯度法。相應的，不同求解方程的方法形成不同的層析靜校正方法。

圖1 非線性層析反演原理圖

非線性層析成像反演時，首先進行初至拾取，根據工區地層和低速帶調查給定一個初始的速度模型，設定門檻值；然后通過射線追蹤法計算初至波需要的旅行時間，把計算結果跟實際的初至波旅行時間進行對比，計算速度差并作為淺層速度模型的速度改正量，修改速度模型后再進行計算，如此反復進行速度模型迭代和計算，直到計算速度差值不大于設定的門檻值后停止迭代，此時得到的速度模型就是近地表速度模型(圖2)。

圖2 非線性層析反演基本流程

2 應用實例

山東省煙臺市福山區九目山作為國家石油戰略儲備地下水封洞庫備選基地之一，需要查明區內的覆蓋層厚度、風化界線和斷裂構造、對圍巖等級進行劃分；查明斷裂、侵入巖脈的產狀和寬度及與測區的接觸情況等地質現象，對巖體完整性進行勘探評價*中國礦業大學，國家石油戰略儲備煙臺西港地下水封洞庫項目預可行性研究階段地震勘探報告，2013年。。

勘探區屬構造剝蝕地形，最高海拔255.60m，最低海拔100.00m左右，相對高差155m左右。山坡坡度一般在20°左右，地形總體較緩，山體由含斑粗中粒二長花崗巖、含黑云母二長花崗巖組成，山頂、山坡基巖多裸露，局部分布片狀松樹林，坡腳為果園，局部為旱地。

該次勘探目標為花崗巖內部裂隙與斷層，且傾角幾乎直立，地震條件極復雜。為了查明測區內的覆蓋層厚度、風化界線和斷裂構造等；以及對圍巖等級進行劃分，查明斷裂、侵入巖脈及與測區的接觸情況等地質現象，通過詳細分析相關資料，結合理論論證，制定和實施了針對性的地震反射波法和初至波層析成像聯合勘探方法，較好地完成了任務目標。

2.1 地震資料采集

通過詳細分析相關資料，結合理論論證，采用了縱測線排列觀測系統[17]。覆蓋次數16次，接收道數200道，道距5m，炮點距25m，主測線間距200m，聯絡測線250m；采用井炮激發，井深要求鉆孔至基巖內3m，激發藥量500g，采用2只60Hz檢波器組合接收，采樣間隔為0.5ms,記錄長度為2s。

2.2 地震資料處理

該次勘探地表條件復雜，地形起伏較大、基巖裸露、地表種植等對資料采集和處理等都會帶來較大影響，特別是靜校正問題較嚴重，選擇L4線CDP300-650為試驗線段，從原始單炮中可以看出，由于區內近地表的起伏和低、降速帶的變化，造成了初至波起伏不平現象，呈非線性變化，同相軸連續性差；經折射靜校正后的單炮記錄，單炮初至波較光滑，仍有部分呈非線性變化；經層析靜校正后的單炮記錄，單炮初至波光滑且線性關系明顯，同相軸連續性增強(圖3)。

圖3 L4線折射靜校正與層析靜校正單炮效果對比圖

原始疊加剖面上波組雜亂無章，沒有連續性，達不到同相軸疊加；折射波靜校正后疊加剖面上淺層基巖面波組連續，但仍然存在部分長波長靜校正問題，致使部分成像效果不佳，與缺失穩定折射層有關；層析靜校正后的疊加剖面與折射靜校正后疊加剖面比較，淺層基巖面波組連續性較強，且在250ms以下發現較好的斷面波；通過對比可以知道層析靜校正能更好地解決了長波長靜校正問題(圖4)。

圖4 L4線折射靜校正與層析靜校正剖面效果對比圖

該區為成套花崗巖，由于風化作用，淺層速度橫向變化較大，該次勘探采用5m的道距，面元較小，基本上可以假定每個面元內介質的速度是不變的，滿足費馬原理，可利用反射波勘探單炮的初至折射波層析反演出較精確的近地表速度模型(圖5)。

圖5 層析反演速度模型

2.3 成果解釋與分析

該區為花崗巖裸露地區，斷裂的地震響應特征與沉積巖地區不同，利用地震剖面上的斷面波和初至層析反演的速度剖面進行聯合解釋；利用L3，L4線的速度剖面，通過橫向對比，發現存在較明顯的斷層，而L4線反射波時間剖面上存在明顯的斷面波，預示斷層的存在，解釋斷層1條，參考已有地質、物探、鉆探等資料，進一步確定F1斷層走向近NE，傾向SE(圖6)。

依據巖體完整性分級指標，以層析反演的地震縱波速度近似作為巖體速度，根據鉆孔聲波測定和地震反演結果將巖石速度定為5800m/s[18-20]，計算出巖體完整性系數剖面和水平面分布圖，利用鉆孔的標定對其進行分級，分別得出相關巖體完整性分級的剖面圖和平面圖(圖7、圖8)。

圖6 L4線的疊加、速度剖面斷層解釋圖

圖7 L4線巖體完整性分級剖面圖

圖8 不同水平面巖體完整性分級剖面圖

從反射波疊加剖面看，巖體內部反射波雜亂無章，不存在物性差異，無侵入巖脈。綜合巖體完整性分級剖面及平面切片資料分析，F1斷層帶對于勘探區內的完整性影響不大；煙臺市福山區九目山完全滿足作為國家石油戰略儲備地下水封洞庫的地質條件。

3 結論

(1)該次地震勘探采用道距小，覆蓋次數較高，能夠滿足層析靜校正中關于微元的假設，可以認為每個微元內介質的速度是一個常數，所以層析靜校成像反演效果較好，反演速度模型準確，為巖體完整性評價提供了可靠的基礎資料。

(2)復雜地表區存在地表高差大、巖性變化快、橫向速度變化劇烈，折射波靜校正方法在缺失穩定折射層時，折射靜校正效果一般；走時層析靜校正能夠比較準確地反演地下介質的速度模型，可以較好地解決復雜地表的靜校正問題。

(3)在極淺表、淺表反射波不能被完好地接收時，可以利用回轉射線層析反演估算近地表速度模型，其有效深度至少可達300m，該模型與反射波剖面一起綜合分析，可以滿足斷層解釋和巖石風化程度、完整性等解釋的需要。

(4)該次地震勘探采用了地震反射波勘探與初至波層析反演聯合的方法，結合已有的地質、物探資料，較好地解決了埋深300m以上的巖體的完整性探測問題，對斷裂帶的解釋有明顯的效果，鉆孔驗證效果很好，較好地完成了地質勘探任務。

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