基于Tesseral2D的水下砂体地震正演计算

谢磊磊蒋甫玉常文凯

（河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098）

基于Tesseral2D的水下砂体地震正演计算

谢磊磊，蒋甫玉，常文凯

（河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098）

基于水下砂层与围岩的波阻抗差异，应用地震波数值模拟软件Tesseral2D建立含有水、粉细砂、砾砂和砾岩的起伏地层模型，在不同的道间距、最小偏移距、子波频率以及不同岩体波速条件下分别对该模型进行正演计算。一般情况下，在震源频率为400Hz、最小偏移距为5 m、道间距为1 m或2m时，地震波响应明显、同相轴清晰、干扰波较少，水下地层界面反映良好。进一步结合南京长江第二大桥桥址区的地质资料，建立含有水、淤泥质粉质黏土、粉细砂、砾砂、砂砾卵石和砾岩的水下砂层模型，应用Tesseral2D软件对该模型进行正演研究。结果表明，在震源频率为400 Hz、道间距为2m以及最小偏移距为5m时，地震响应能很好地反映水下各岩层界面，特别是能较明显地圈定水下砂层的厚度和分布范围，为实际水下砂体的地震勘探提供理论依据。

水下砂层；Tesseral2D软件；地震正演模型；正演计算；弹性波方程；南京长江第二大桥水下地层

砂是一种再生速度缓慢的资源，随着城镇化建设的快速发展，各类基础设施和重大工程建设方兴未艾，作为混凝土细骨料的砂，其需求量与日俱增［1⁃2］。因为砂矿资源主要赋藏于水下，所以对水下砂体进行有效勘探，探明砂层的储量和分布范围显得尤为重要［3⁃4］。目前，对水下砂体的勘察常采用水上钻探和静力触探相结合的方法，但是在水上搭建操作平台时具有危险性，且由于测点布置少、不连续，使其难以确定水下砂体的准确厚度和连续分布范围［5］。因此，开展快速有效地探测水下砂层的研究是促进我国城镇化建设的一个重要环节。

地震勘探是利用各岩层的波阻抗差异进行勘探的地球物理方法［6］，是地球物理勘探中最重要、最有效的一种方法［7］。浅层地震勘探具有勘探精度高、分层能力强、所需震源能量和勘测场地要求较小等优点［8］。目前，浅层地震勘探在城市隐伏断层的勘察［9］、资源勘查［10］、岩土工程勘察［11］、水利工程检测［12］等领域得到广泛应用。遗憾的是，应用浅层地震对水下砂层厚度和分布范围的勘探，目前国内外还未见相关文献报道。众所周知，地震响应的机理是各岩石的弹性参数存在差异，在分辨率允许的范围内，具有不同波阻抗的岩层之间的界面都将呈现不同的地震波响应［13］。地震波几乎囊括了地下所有地质体结构特征的信息，但是如何“读懂”这些地震波场信息却是一个长期困扰地震学家的难题［14］。为了提高野外地震勘探的工作效率，进行室内正演模拟计算以确定观测系统参数显得尤为重要。

本文运用Tesseral2D软件建立含有水、粉细砂、砾砂、砾岩的起伏地层模型，通过设置不同的道间距、最小偏移距、子波频率以及岩石弹性参数并进行正演计算，比较不同参数的设置对地震响应的影响。然后结合南京长江二桥桥址区的水下砂体分布情况，建立水下砂层模型并进行正演计算，探讨该模型的波场分布特征。

1 地震正演模拟的基本原理

常规的地震波场正演方法主要有几何射线法和波动方程法，前者可以精确计算地震波的射线路径和旅行时间等运动学特征，但对于一些复杂的地质构造和岩性信息容易产生盲区；波动方程模拟法着重考虑地震波动力学性质，能够更逼真地模拟得到复杂地层的地震波场特征［15］。考虑水下岩层复杂的赋存状态，本次研究采用基于有限差分法的二维全波场数值模拟软件Tesseral2D，其基本计算公式如下［5］：

式中各项符号的意义见文献［5］。

2 水下起伏地层的地震波响应

在野外地震勘探过程中，地震资料采集的效果受到震源频率、道间距、最小偏移距、震源子波频率、岩体弹性参数等因素的影响，这些参数设置合理与否直接决定了地震勘探的成败。为了提高野外勘探的工作效率，有必要进行模拟计算以确定合理的观测系统参数。因此，在模拟计算水下砂层模型之前，应用Tesseral2D软件建立水下起伏地层的地质模型（图1）以及各岩土体的弹性力学参数（表1）。

首先探讨道间距分别为1m、2m、3m时的地震响应（这里地震记录是指反射面震源生成的相当于零偏移距的地震记录）。由正演计算结果（图2）可知，各地震响应图基本都能反映出各岩层界面，随着道间距逐渐增大，下伏地层的地震响应效果逐渐变差，同相轴变模糊。同时，从观测目标的横向变化来看，当道间距为1m、2m时，岩层起伏形态明显，特别是楔形体反映得很清楚；当道间距为3 m时，干扰波增多，下层砾砂的顶界面逐渐变模糊以致无法分辨。

接下来探讨最小偏移距分别取5 m、10 m、15 m时的地震响应，正演计算结果见图3。从图3可看出，地震响应基本能反映各岩层界面，但随着偏移距的逐渐增大，下伏地层界面同相轴不明显，难以划分地层。同时，从观测目标的横向变化来看，当最小偏移距为5 m时地震响应同相轴清晰、连续，各岩土体层的起伏形态明显；随着偏移距的增大，干扰波增加，地震响应的同相轴逐渐变模糊、不连续，增加了划分地层的难度。

震源子波频率关系着地震勘探的深度和精度，通过设置不同的震源子波频率观察正演计算地震响应的区别，可为实际野外勘探参数的设置提供重要的理论参考。震源子波频率分别设为300 Hz、400 Hz、500 Hz时，正演计算结果见图4。从图4可以看出，子波频率为300Hz时，在70～120 m、140～160 m处存在干扰波，容易误导成此处有地层分界；子波频率为400Hz时，各岩层界面清晰，同相轴明显；随着子波频率的增大，虽然分辨率增大，但干扰波也增多，而且同相轴变得不清晰。

岩土体波阻抗的大小影响着地震响应的好坏，所以在正演计算中，岩土体弹性参数的设置显得尤为重要。设置各岩土层波速分别相差700m／s、500m／s、300m／s时，正演计算结果见图5。从图5可看出，虽然设置的各岩土体波速有差异，但地震响应的各岩土体层的分界面比较清楚，当相邻岩土体波阻抗差异越大，其地震响应越明显，同时干扰波相应增加。

3 水下砂层正演模拟计算

考虑水下砂层的实际赋存情况，本次研究结合南京长江第二大桥桥址区的水下砂体分布状况。该桥址区位于宁镇隆起西段，属于长江河相沉积地层。该区主要为全新统（Q4）地层，岩性自上而下为淤泥质粉质黏土、粉细砂、砾砂、砂砾卵石。基岩主要为白垩系浦口组（K2p）和葛村组（K1g）地层，岩性主要为砂砾岩、砾岩及泥岩、砂岩等。

综合前文的研究成果，当道间距为1m或2m、偏移距为5m、子波频率为400Hz、各岩层波速相差500m／s时地震映像能准确反映出水下各地层的埋深和分布范围。根据钻探和波速测井资料建立自上而下分别为河道淡水、淤泥质粉质黏土、粉细砂、砾砂、砂砾卵石和砾岩的水下砂体模型（图6），正演计算中的各岩层参数见表1。

利用Tesseral2D软件对图6模型采用弹性波动方程计算，经直达波切除、叠加、抽道集、取速度谱、动校正等处理，得到正演计算成果（图7）。由图7可知，此次正演模拟很好地划分出水下各岩层的厚度和分布范围。由于薄层、低速的淤泥质粉质黏土层的存在，使粉细砂层顶界面的地震响应不理想，右侧同相轴不清晰；由于Tesseral2D软件对边界条件控制不理想，导致左侧0～50m处和右侧160～180m处的粉细砂层区域内出现杂波，使整体响应效果变差。随着勘探深度的增加，地震波能量衰减，导致砾岩顶界面响应效果不理想，局部无同相轴响应。

4 结 语

a.在检波器数量不变的情况下，通过设置不同的道间距、最小偏移距、子波频率及波速，应用Tesseral2D软件对典型的起伏地层模型进行正演计算。结果表明，当道间距为1m或2 m、最小偏移距为5 m、子波频率为400 Hz时，地震响应清晰，同相轴明显，能很好地划分水下各岩层的厚度和分布范围。

b.结合南京长江第二大桥桥址区的水下砂层分布资料，应用Tesseral2D软件建立水下砂层模型并对该模型进行正演计算。结果显示，在道间距为2m、最小偏移距为5 m、子波频率为400 Hz时，地震响应能很好地反映水下各岩层的赋存状态，特别是能较明显的圈定水下砂层的厚度和分布范围，可为实际水下砂体的地震勘探提供重要的理论依据。

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Tesseral2D⁃based earthquake forward simulation of underwater sand strata

XIE Leilei，JIANG Fuyu，CHANG Wenkai
（College of Earth Sciences and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Based on the difference of wave impedance between underwater sand strata and rock media，a stratigraphic model of fluctuant strata containing water，fine sand，gravel sand，and conglomerate was established using Tesseral2D software for seismic numerical simulation.Then，the forward calculation with the model was conducted under different channel spacings，least offsets，wavelet frequencies，and wave velocities in rocks.Under normal circumstances with a source frequency of 400Hz，a least offset of 5m，and a channel spacing of 1m or 2m，the seismic response is significant，with constant phases and less interference waves，which also well reflects the underwater stratum interface.In combination with the geological data from the bridge site area of the Second Nanjing Yangtze River Bridge，a stratigraphic model for underwater sand strata was established，containing water，silty clay，silty sand，gravel pebble，and conglomerate.Forward simulation using Tesseral2D software shows that，with a source frequency of 400 Hz，a channel spacing of 2 m，and a least offset of 5 m，the seismic response can well reflect the underwater interfaces between different rock strata，and determine the thickness and distribution range of underwater sand strata，providing an important theoretical basis for the exploration of underwater sand strata.

underwater sand stratum；Tesseral2D software；earthquake forward calculation model；forward calculation；elastic wave equation；underwater stratum of Second Nanjing Yangtze River Bridge

P631

A

1000-1980（2015）04-0351-05

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.013

2014-1021

江苏省自然科学基金（BK20140844）；江苏省地质矿产勘查局科研技改项目（2014⁃KY⁃15）

谢磊磊（1989—），男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事固体地球物理学研究。E⁃mail：15240240707＠163.com

蒋甫玉，讲师。E⁃mail：jiangfy＠hhu.edu.cn