1、物探新方法新技術1 地震模擬技術在地震資料解釋過程中，常常需要根據地震解釋結果建立地層模型。這種模型是真實地層的簡化，只考慮影響地震剖面的主要因素。制作模型的技術就是地震模擬技術，包括物理模擬和數學模擬。地震模擬技術是指用物理模型和數學模型代替地下真實介質，用物理實驗和數學計算模擬地震記錄的形成過程，以得到理論地震記錄的各種方法和技術。地震模擬技術廣泛應用于地震理論研究領域，并能夠指導實際生產。1.1 物理模擬物理模擬是用一些已知參數的介質做成一定幾何形態的模型來模擬地下地質結構，采用超聲波模擬地震波，專用換能器模擬震源和檢波器，將野外地震勘探過程在實驗室內重現，得到理論地震記錄的方法和技術。

2、物理模擬的優點是與實際情況接近，真實性和可比性高；缺點是模型制作和改變參數均困難、成本較高。有些地質現象十分復雜，幾乎不能用理論方法去解決，所以有時需要用縮小了的物理模型進行模擬，見圖11。但是如果希望模擬結果真實可靠，模型必須從幾何地震學、運動學和動力學各個方面都與所模擬的地質系統相似。圖11 地震模擬槽為使物理模型觀測到的波場特征與野外觀測到的波場特征一致，要求模型與被模擬系統具有幾何相似性和物理相似性(運動學、動力學)。幾何相似性是指用相應的比例將地質模型縮小，各層的傾角與實際地層的傾角相同，就可以滿足物理模型與地質系統的幾何相似性。如果長度方向縮小的比例為，則面積縮小的比例就是，體積縮

3、小的比例就是。物理相似性則要求模型材料與地層介質的物性參數具有相似性，以便獲得與野外記錄相似的運動學和動力學特征。運動學相似性考慮的是時間比，需要模型在位置和形狀上與實際地質體產生相似的響應，速度與加速度比分別為和。動力學相似性考慮的是質量分布比，則密度比為。與維數無關的參數(例如泊松比)必須與實際地質體在數學上相同。例如可以建立一個用表示的模型，則模型的長度比例為。實際上，所用的模型材料限制了地震速度，模型與真實地層的速度比只能限制在一個很小的范圍內，即。由于已經選擇了，所以只能限制。如果模型材料與真實地質體具有相同的速度，即，則所使用的震源頻率就是實際勘探中所使用的震源頻率的倍(頻率比等于

4、)。制作模型的材料密度與實際地質體的密度基本相同，由于密度比，所以質量比為。圖12為美國Geoquest公司利用物理模擬手段證明菲涅爾帶的影響，其中道間距為，主頻為，菲涅爾帶半徑為。圖12(a)為地質模型，圖12(b)為沿測線A在箱型構造上方的地震記錄，圖12(c)為沿測線B離箱型構造處的地震記錄。補充：French三維模型試驗1.2 合成地震記錄制作合成地震記錄的假設條件是：(1) 地下介質是水平層狀的，無巖性橫向變化，各層間密度變化不大，均可視為常數；(2) 地震子波以平面波形式垂直向下入射到界面，各層反射波的波形與子波波形相同，只是振幅和極性不同；(3) 所有波的轉換、吸收、繞射等能量損

5、失均不考慮。圖12 箱型構造的物理模擬制作合成地震記錄的步驟是：(1) 獲得反射系數反射系數曲線波阻抗曲線根據假設(1)，可用速度曲線代替波阻抗曲線。通常用聲速測井資料即可，但某些地區無聲速測井資料，也可利用電測井資料獲得聲速資料(法斯特公式) (1-1)(2) 地震子波的選擇選用不同的子波來制作合成記錄，與井旁的地震道比較，選擇最接近的一個。(3) 不考慮多次波及透射損失情況地震子波與地層反射系數的褶積為合成記錄 (1-2)(4) 不考慮多次波，但考慮透射損失情況 (1-3)式中 時刻并考慮以上各界面透射損失的等效反射系數。例如第個界面的等效反射系數為(5) 考慮多次波及透射損失情況 (1-

6、4)式中 時刻并考慮多次波與以上各界面透射損失的等效反射系數。圖13為合成地震記錄的示意圖。利用合成地震記錄，對地震剖面上的地質層位進行標定，但不可能完全匹配。二維合成地震記錄對垂直傳播和零偏移距沒有限制。可以模擬繞射現象，也可以模擬與偏移距有關的初至、波形和振幅，同時考慮了波型轉換。圖13 合成地震記錄煤田地震勘探中的層位標定問題。1.3 地震數值模擬1.3.1 概述地震數值模擬(Seismic Numerical Simulation or Seismic Numerical Modeling)是在假定地下介質結構模型和相應物理參數已知的條件下，模擬研究地震波在地下各種介質中的傳播規律，計

7、算地面或地下各點地震記錄的一種地震模擬方法。地震數值模擬是地震勘探的重要基礎，在資源勘探、工程勘探和環境地球物理方面得到廣泛應用。地震數值模擬與地震物理模擬同屬于地震正演過程，即已知地下介質結構模型和相應物理參數，預測地面或地下各點的地震記錄。而地震勘探為地震反演過程，即利用地面或地下各點的地震記錄來推導地下介質結構模型(包括構造和巖性)。地震反演是建立在地震正演基礎上的，因此地震數值模擬不僅可以進行地震正演模擬研究，同時也是地震反演的基礎。地震數值模擬方法可以歸納為地震波方程數值解法、積分方程法和射線追蹤法三大類。不同的地震數值模擬方法基于不同的波動方程表達方式。地震波方程數值解法是建立在以

8、彈性或粘彈性理論和牛頓力學為基礎的雙曲型偏微方程地震波傳播方程的理論基礎上的。由于地下介質性質不同，其相應的地震波傳播方程也不同，包括聲學介質中的聲波波動方程；彈性介質中的彈性波波動方程；粘彈性介質中的粘彈性波波動方程；孔隙彈性介質(雙相或多相介質)中的雙相(或多相)介質彈性波波動方程；各向異性介質中的各向異性彈性波波動方程等。積分方程法是建立在惠更斯原理為基礎的波疊加原理基礎上的，其數學表達形式為波動方程的格林函數域積分方程式和邊界積分方程式。射線追蹤法是建立在以射線理論為基礎的波動方程高頻近似理論基礎上的，其數學表達形式為程函方程和傳輸方程。1.3.2 地震數值模擬方法及其特點地震數值模擬

9、是利用先進的計算機技術、可視化建模技術將一定規模的復雜地質構造和復雜巖性建立二維、三維地質地球物理模型，見圖14。為了實現地震數值模擬，必須對地質地球物理模型和地震波方程離散化。地質地球物理模型的離散化是通過對模型的空間剖分實現的。空間剖分方法可分為兩種：正交網格剖分和非正交網格剖分。正交網格在平面上是矩型網格，而非正交網格在平面上是三角型網格和不規則四邊型網格。對于地下介質，非正交網格剖分可以充分考慮到地下介質分布的幾何形態，不受邊界幾何形態的限制。因此，基于非正交網格剖分的數值模擬方法優于基于正交網格剖分的數值模擬方法。圖14 地震數值模擬方法示意圖模型空間的離散必然帶來地震波場的離散，即

10、把連續的地震波動問題變成離散的地震波動問題。地震波方程離散化的目的是：用較小的逼近誤差表示離散波場的空間微分。圖15表示地震數值模擬各種概念之間的關系。圖15 地震數值模擬各種概念之間的關系地震模擬技術從20世紀60年代以來得到飛速發展，形成了有限差分法、有限元法、虛譜法、積分方程法和射線追蹤法等各種數值模擬方法。有限差分法是偏微方程的主要數值解法之一。該方法通過有限差分算子將波動方程離散化，以差分代替微分，將微分方程問題變成代數問題，然后求解相關的線性代數方程組以獲得微分方程問題的數值解。差分算子是一個空間局部算子，其空間分辨較高，適用于劇烈變化的地下介質情況，而頻率分辨率卻很低。算法的穩定

11、性和收斂性受空間采樣率和時間采樣率的影響，但運算速度很快。基于變分原理和剖分插值的有限元法考慮的是分段近似，比較適用于復雜地質條件，其算法復雜，計算速度慢。算子也是空間局部算子，具有高空間分辨、低頻率分辨率的特點。虛譜法是偏微方程的另一種數值解法，利用傅里葉變換將波動方程變換到時間波數域中求解。由于傅里葉變換是基于整個時間域和空間域的，改變空間中某一點的值就會改變波數域中的所有值，即每一點的微分結果都要受到計算域中其它點的影響。因此，不適用于復雜地質條件。虛譜法在頻率域的分辨率高，在時間域的分辨率低。以上三種地震數值模擬算法各有所長，對于三維復雜構造、復雜地質體和復雜巖性地震模擬而言，交錯網絡

12、高階有限差分法其綜合性能(占內存大小、模擬精度、計算效率和并行算法實現)最好，是最實用的方法。1.3.3 地震數值模擬三維建模進行地震數值模擬時，必須首先建立地質地球物理模型。為了準確地建立地震數值模擬所需的地質地球物理模型，要根據工作地區的地質、鉆井、地震、測井和巖石物理資料，進行綜合分析，確定地質地球物理模型。三維建模過程見圖16。圖16 建立地質地球物理模型三維建模的關鍵技術包括：(1) 對三維復雜地質體的有效描述； (2) 三維空間內的交互編輯； (3) 三維空間插值；(4) 地質統計學方法和拓撲學應用。1.4 應用實例1.4.1 謝橋煤礦2002年，在謝橋煤礦東二采區三維地震勘探工作

13、中，發現測區北部13-1煤層露頭以外有兩個“異常帶”，圖17是“異常帶”在偏移剖面上的反映。在“異常帶”處作速度譜，發現在時間350至500毫秒段的層速度較低，見圖18。理論地震記錄的計算在地震勘探解釋工作中起著愈來愈重要的作用，特別是在構造復雜地區。由于波動方程從本質上描述了波的傳播，通過對波動方程求數值解，可以制作人工理論合成的地震記錄。首先根據“低速異常帶”在偏移剖面上的反射特征和在速度譜上的低速特性，設計了“低速異常帶”地質模型，見圖19。圖17 “異常帶”在偏移剖面上的反映圖18 “異常帶”在速度譜上的反映圖19 “低速異常帶”地質模型“低速異常帶”地質模型長度1200m，CDP間距

14、5m，共計241道。模型中對地層進行了簡化，僅僅考慮了新生界地層、煤系地層和8煤的三個層位。在新生界地層底界面有一個150m的楔形體進入煤系地層，即相當于在8煤層上方有一個低速體。表11給出“低速異常帶”地質模型的參數。表11 “低速異常帶”地質模型的參數地層厚度(m)速度(m/s)傾角(°)新生界地層36040018002煤系地層400440360028煤3220012.5本次工作中，利用ProMax地震資料處理系統中的有限差分模塊對“低速異常帶”地質模型制作了理論地震記錄，其中采樣間隔1ms，記錄長度600ms，選用Ricker子波，主頻為60Hz。制作過程中，楔形體高度為變量，

15、分別取60m、80m、100m、120m和150m，對該模型進行計算得到理論地震記錄，見圖110。然后將理論地震記錄與實際偏移剖面進行對比，找到最佳擬合的結果。地震正演結果表明，楔形低速體的高度在100120m左右。圖110 “低速異常帶”模型的理論地震記錄通過以上分析，配合地震正演模型計算的結論，可以排除“低速異常帶”是由資料處理因素造成的。經過綜合論證，認為這一現象是由于地下低速體造成的。1.4.2 東灘煤礦東灘煤礦某采區二維地震勘探發現了斷層，但是在巷道掘進時未見斷層，煤層是連續的。分析其原因，是煤層上覆介質變化而造成的。圖111是東灘煤礦地質模型，長度1000m，CDP間距10m，共計

16、101道。模型中考慮了新生界地層、煤系地層、侏羅系地層(巖漿巖)和3煤等四個層位。表12給出東灘煤礦地質模型的參數。圖112是東灘煤礦地質模型的理論地震記錄，可以明顯看出速度變化造成的解釋陷阱。表12 東灘煤礦地質模型的參數地層厚度(m)速度(m/s)傾角(°)新生界地層20018000煤系地層60036000侏羅系地層100450003煤522000圖111 東灘煤礦地質模型圖112 東灘煤礦地質模型的理論地震記錄1.4.3 錢營孜煤礦2008年，在錢營孜煤礦東一采區三維地震勘探工作中，發現F17逆斷層組，落差達300m，見圖113。但是，在巷道掘進過程未見斷層，而是撓曲構造，地層由10°突變為70°。圖113 F17逆斷層的地震記錄利用地震模擬技術設計了F17逆斷層的地質模型，見圖114。F17逆斷層“地質模型長度1000m，CDP間距10m，共計101道。模型中僅考慮