层析静校正技术在烟台九目山岩体完整性评价中的应用

虞永征,解建建,李德春

(1.安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230001；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221008)

0 前言

随着我国经济建设的发展,能源需求的加大，地震勘探方法不断发展，勘探程度不断深入，地震勘探也从东部平原区走进了西北山地区、沙漠区，对地震资料处理提出了更高的要求，也促进了地震勘探资料处理技术的发展。

复杂地表区存在地表高差大，岩性变化快，横向变速快，不存在稳定的折射界面等特点，造成了地震原始采集资料存在严重的静校正问题。静校正问题是制约复杂地表区地震成像技术的关键因素[1-6]。层析静校正技术就是在这种情况下发展起来，处理人员不但可以采用层析反演计算中、长波长的静校正量，为复杂地区石油、煤炭、页岩气等能源地震勘探资料处理解决静校正问题，提供优秀可靠的处理成果[7-11]；还可以采用回转射线层析成像估算近地表速度，准确进行近地表模型的建立，解析浅表构造，解决工程勘察中的问题。该文通过烟台九目山岩体完整性评价的应用，证实了初至波层析反演方法的可行性。

1 层析静校正技术

计算地震波在地下传播的速度是地震勘探资料处理解释中一个非常重要的问题。自Dines和Lytle首次将层析成像技术引入到地震勘探领域以来，McMechen，Somerstein，Daily，Dye，Bishop[12-16]等许多地球物理工作者对地震初至波层析成像的理论原理和方法技术进行了研究，20世纪90年代开始在实际生产中应用。

一般来说，近地表地层因为长期风化形成表层低降速带，其地震波传播速度与稳定地质体中地震波传播速度的差异较大，通过接收炮点与检波点之间的地震波旅行时，利用初至波层析成像反演技术[1-9]，得到地下的速度结构是一个切实可行的方法。初至波层析成像反演分为线性层析反演和非线性层析反演两种。

线性层析反演相对稳定，容易收敛，但是对横向变速适应能力较差，不适应复杂山地资料静校正。非线性层析反演静校正理论上将复杂的近地表模型微元化，当划分的微元足够小时，可以近似认为每个微元内介质的速度是一个常数，数学上可以认为这一系列微元能够准确地建立近地表模型，进而通过层析成像反演出近地表的速度模型。根据费马原理，地震波沿旅行时最短路径传播，可以把近地表划分为很多个足够小的速度微元，通过求解下面的方程得到近地表速度模型。

式中：ti为地震波穿过每个微元的时间向量；di为每个微元模型向量；si为每个微元内的慢度向量。原理如图1所示。求解上述方程的方法有很多，一般是最小二乘和共轭梯度法。相应的，不同求解方程的方法形成不同的层析静校正方法。

图1 非线性层析反演原理图

非线性层析成像反演时，首先进行初至拾取，根据工区地层和低速带调查给定一个初始的速度模型，设定门槛值；然后通过射线追踪法计算初至波需要的旅行时间，把计算结果跟实际的初至波旅行时间进行对比，计算速度差并作为浅层速度模型的速度改正量，修改速度模型后再进行计算，如此反复进行速度模型迭代和计算，直到计算速度差值不大于设定的门槛值后停止迭代，此时得到的速度模型就是近地表速度模型(图2)。

图2 非线性层析反演基本流程

2 应用实例

山东省烟台市福山区九目山作为国家石油战略储备地下水封洞库备选基地之一，需要查明区内的覆盖层厚度、风化界线和断裂构造、对围岩等级进行划分；查明断裂、侵入岩脉的产状和宽度及与测区的接触情况等地质现象，对岩体完整性进行勘探评价*中国矿业大学，国家石油战略储备烟台西港地下水封洞库项目预可行性研究阶段地震勘探报告，2013年。。

勘探区属构造剥蚀地形，最高海拔255.60m，最低海拔100.00m左右，相对高差155m左右。山坡坡度一般在20°左右，地形总体较缓，山体由含斑粗中粒二长花岗岩、含黑云母二长花岗岩组成，山顶、山坡基岩多裸露，局部分布片状松树林，坡脚为果园，局部为旱地。

该次勘探目标为花岗岩内部裂隙与断层，且倾角几乎直立，地震条件极复杂。为了查明测区内的覆盖层厚度、风化界线和断裂构造等；以及对围岩等级进行划分，查明断裂、侵入岩脉及与测区的接触情况等地质现象，通过详细分析相关资料，结合理论论证，制定和实施了针对性的地震反射波法和初至波层析成像联合勘探方法，较好地完成了任务目标。

2.1 地震资料采集

通过详细分析相关资料，结合理论论证，采用了纵测线排列观测系统[17]。覆盖次数16次，接收道数200道，道距5m，炮点距25m，主测线间距200m，联络测线250m；采用井炮激发，井深要求钻孔至基岩内3m，激发药量500g，采用2只60Hz检波器组合接收，采样间隔为0.5ms,记录长度为2s。

2.2 地震资料处理

该次勘探地表条件复杂，地形起伏较大、基岩裸露、地表种植等对资料采集和处理等都会带来较大影响，特别是静校正问题较严重，选择L4线CDP300-650为试验线段，从原始单炮中可以看出，由于区内近地表的起伏和低、降速带的变化，造成了初至波起伏不平现象，呈非线性变化，同相轴连续性差；经折射静校正后的单炮记录，单炮初至波较光滑，仍有部分呈非线性变化；经层析静校正后的单炮记录，单炮初至波光滑且线性关系明显，同相轴连续性增强(图3)。

图3 L4线折射静校正与层析静校正单炮效果对比图

原始叠加剖面上波组杂乱无章，没有连续性，达不到同相轴叠加；折射波静校正后叠加剖面上浅层基岩面波组连续，但仍然存在部分长波长静校正问题，致使部分成像效果不佳，与缺失稳定折射层有关；层析静校正后的叠加剖面与折射静校正后叠加剖面比较，浅层基岩面波组连续性较强，且在250ms以下发现较好的断面波；通过对比可以知道层析静校正能更好地解决了长波长静校正问题(图4)。

图4 L4线折射静校正与层析静校正剖面效果对比图

该区为成套花岗岩，由于风化作用，浅层速度横向变化较大，该次勘探采用5m的道距，面元较小，基本上可以假定每个面元内介质的速度是不变的，满足费马原理，可利用反射波勘探单炮的初至折射波层析反演出较精确的近地表速度模型(图5)。

图5 层析反演速度模型

2.3 成果解释与分析

该区为花岗岩裸露地区，断裂的地震响应特征与沉积岩地区不同，利用地震剖面上的断面波和初至层析反演的速度剖面进行联合解释；利用L3，L4线的速度剖面，通过横向对比，发现存在较明显的断层，而L4线反射波时间剖面上存在明显的断面波，预示断层的存在，解释断层1条，参考已有地质、物探、钻探等资料，进一步确定F1断层走向近NE，倾向SE(图6)。

依据岩体完整性分级指标，以层析反演的地震纵波速度近似作为岩体速度，根据钻孔声波测定和地震反演结果将岩石速度定为5800m/s[18-20]，计算出岩体完整性系数剖面和水平面分布图，利用钻孔的标定对其进行分级，分别得出相关岩体完整性分级的剖面图和平面图(图7、图8)。

图6 L4线的叠加、速度剖面断层解释图

图7 L4线岩体完整性分级剖面图

图8 不同水平面岩体完整性分级剖面图

从反射波叠加剖面看，岩体内部反射波杂乱无章，不存在物性差异，无侵入岩脉。综合岩体完整性分级剖面及平面切片资料分析，F1断层带对于勘探区内的完整性影响不大；烟台市福山区九目山完全满足作为国家石油战略储备地下水封洞库的地质条件。

3 结论

(1)该次地震勘探采用道距小，覆盖次数较高，能够满足层析静校正中关于微元的假设，可以认为每个微元内介质的速度是一个常数，所以层析静校成像反演效果较好，反演速度模型准确，为岩体完整性评价提供了可靠的基础资料。

(2)复杂地表区存在地表高差大、岩性变化快、横向速度变化剧烈，折射波静校正方法在缺失稳定折射层时，折射静校正效果一般；走时层析静校正能够比较准确地反演地下介质的速度模型，可以较好地解决复杂地表的静校正问题。

(3)在极浅表、浅表反射波不能被完好地接收时，可以利用回转射线层析反演估算近地表速度模型，其有效深度至少可达300m，该模型与反射波剖面一起综合分析，可以满足断层解释和岩石风化程度、完整性等解释的需要。

(4)该次地震勘探采用了地震反射波勘探与初至波层析反演联合的方法，结合已有的地质、物探资料，较好地解决了埋深300m以上的岩体的完整性探测问题，对断裂带的解释有明显的效果，钻孔验证效果很好，较好地完成了地质勘探任务。

[1] 张胤彬,潘冬明,胡明顺，等.复杂地表初至层析地震静校正技术及其应用[J].煤田地质与勘探，2012,40(4):66-70.

[2] 赵万书,赵兴.复杂地表区地震资料静校正方法探讨[J].煤炭与化工，2015,38(9):111-119.

[3] 刘秋良,冯会元,汪清辉，等.几种静校正方法在苏里格气田的应用[J].石油天然气学报，2012,34(6):72-76.

[4] 肖盈,居兴国,齐玉涛，等.YE地区低信噪比复杂地表资料的静校正处理技术[J].山东国土资源,2017,33(11):72-77.

[5] 屈绍忠.初至反演近地表速度的建模方法分析与应用[J].中国煤炭地质，2013,25(5):46-49.

[6] 刘占族，曹孟起，孙军晓，等.煤层气地震勘探中的静校正方法[J].石油地球物理勘探.2012,47(3):425-429.

[7] 赵艳平，宁俊瑞，高鸿，等.层析反演静校正技术在鄂尔多斯盆地中黄土塬区的应用[J].中国煤炭地质，2010,25(5):63-66.

[8] 罗英伟，段卫星，徐维秀，等.几种静校正方法的研究与比较[J].油气地球物理，2010,8(1):34-39.

[9] 李国发，常索亮，侯伯刚.起伏地表煤田地震资料静校正[J].地球物理学进展，2009,24(3):1058-1064.

[10] 耿春明.地震勘探在准东煤田大井矿区的应用[J].山东国土资源,2015,31(6):49-51.

[11] 曾爱平,孙立新,杜贤军.地震勘探中多次反射折射波的影响分析及应对措施——以滕县煤田某煤矿地震勘探为例[J].山东国土资源,2017,33(1):71-75.

[12] MCMECHAN G A.Seismic tomography in boreholes[J].Geophys.J. Roy.Astr. Soc.,1983(74):601-612.

[13] SOMERSTEIN.Radio-frequency geotomography for remotelyprobing the interior of operating mini and commercial sized oilshaleretorts[J].Geophysics,1984(49):1288-1300.

[14] DAILY W D.Underground oil-shale retort monitoring usinggeotomography[J].Geophysics,1984(49):1701-1711.

[15] DYER B C,WORTHINGTON M H.Seismic reflection tomography:a case study[J].First Break,1988(6):3354-3366.

[16] BISHOP T N,BUBE K P,CUTLER R T,etal.Tomographic determinationof velocity and depth in laterally varying media[J].Geophysics,1985(50):903-923.

[17] 王晶,姜飞,李京涛，等.复杂山区三维地震勘探野外施工方法[J]. 山东国土资源， 2014,30(1)：48-50.

[18] 李庆忠.岩石的纵、横波速度规律[J].石油地球物理勘探，1992,27(1):1-12.

[19] 马中高.岩石的纵、横波速度与密度的规律研究[J].地球物理学进展，2005,20(4):905-910.

[20] 刘洪文.济阳坳陷岩石密度与纵波速度的关系[J].油气地质与采收率，2008，16(6):26-29.