浅层地震勘探多道反射时深转换方法

(江苏省地质勘查技术院，江苏 南京 210049)

0 引 言

浅层地震勘探多道反射法是目前探测隐伏区地层结构及地质构造的有效方法之一，其定量解释精度明显优于其他地球物理方法，因此在城市活断层探测中被广泛应用(何正勤等，2010；秦晶晶等，2020)。资料解释的可靠性主要取决于处理过程中有关参数提取的质量，后者决定了地震时间剖面效果的好坏，因此正确提取参数是地震数据处理工作的前提和保证(何樵登等，1986)。其中，速度参数是地震勘探时深换算最重要的参数，其准确率在一定程度上影响到反射物性界面深度解释的精度(李伍志等，2011)。

在浅层地震多道反射法勘探中，常用的时深转换算法有：① 根据地震时间剖面有效反射波组划分情况，结合钻孔、区域地质等资料，分析解释反射波组对应的物性层分界面，综合地震数据处理计算的速度与钻孔反算的速度求取各有效反射波组对应的时深换算平均速度，再对划分的各有效反射物性界面的到时值进行深度换算；② 根据测区内各测线经地震数据处理所得的平均速度，结合相关钻孔资料综合求取测区内时深转换值，再对获取的地震时间剖面划分的各有效反射物性界面进行时深转换。

对横向速度变化较小的水平层状地层，以上方法深度解释误差相对较小；但对横向速度变化较大的起伏较大地层，深度解释误差有所增大。在缺少可供参考的波速测井资料的情况下，如果地震时间剖面有效反射波组与钻孔分层对应关系不够准确，亦会导致所划分物性层顶面埋深及其层速度产生较大的误差。

综上所述，在有效地震数据处理前提下，为尽量提高浅层地震多道反射法资料深度解释的可靠性，在浅层地震多道反射法最终时间剖面经时深转换模块(time-to-depth conversion)处理所得的相应深度剖面的基础之上，结合钻孔、区域地质等资料，对划分的有效物性反射界面的深度进行校正，再进行相应的地质解释。

1 速度参数的提取

浅层地震勘探欲获取高质量资料，首要任务是野外数据采集获得高信噪比单炮记录(安好收等，2019)，而地震数据处理对最终结果的可靠性起着至关重要的作用(何正勤等，2013)。在地震资料解释中，速度参数的应用是解释工作的重要环节，浅层地震多道反射法在地震数据处理时主要通过分析获取叠加速度谱以提取速度参数(何樵登等，1986)。根据叠加速度谱上能量团强弱的分布，结合区域地质及速度扫描时间剖面效果，选取最佳的叠加速度曲线(图1)。

1.1 速度值拾取

图1 浅层地震勘探多道反射叠加速度谱图(a)叠加速度谱；(b)共炮点道集;(c)某相邻CDP拾取某一叠加速度值时同相轴的叠加显示；(d)某相邻CDP在速度函数同相轴的叠加显示Fig. 1 Stacking velocity spectrum of multi-channel reflection in shallow seismic exploration(a) Stacking velocity spectrum; (b) Common-source point gather; (c) Stacking of in-phase axis when a group of adjacent CDP picks up a stacking velocity value; (d) Stacking of a group of adjacent CDP on the in-phase axis of the velocity function

图1中，速度值拾取可在图1a或图1d界面上完成。图1a为叠加速度谱，即地震波能量(振幅)相对速度值的变化规律。对某一给定自激自收时间t0，按一定速度步长计算反射波时距曲线，据此曲线在共炮点或共中心点道集的各道上取能量(振幅)值相加，当能量(振幅)值达到最大即能量团较强时，所对应的速度值即为该时间t0(深度)处对应的共炮点或共中心点反射波时距曲线的最佳叠加速度(何樵登等，1986)。

1.2 速度谱拾取

速度谱的拾取主要为横向与纵向，即CDP(共深度点)与时间轴2个方向。

(1) 横向上，为使测线处所选速度值相对合理，在叠加速度谱拾取时，根据地质情况及速度扫描时各有效反射波组动校效果，合理控制横向拾取间距，尽量使横向上拾取的叠加速度值相对均匀分布。在速度扫描中，当各有效反射波组起伏不大或横向速度变化较小时，拾取间距宜选用50～100 CDP；当各有效反射波组起伏较大或横向速度变化较大时，要适当减小叠加速度谱的横向拾取间距，即加密横向拾取数据量，拾取间距宜<50 CDP，尽量使拾取的叠加速度值较客观地反映实地情况。

(2) 纵向上，对每一CDP点处时间轴方向上叠加速度值的拾取，一般遵循由浅(到时早)至深(到时晚)递增的原则(伊尔马滋，2006)，根据速度谱能量团强弱分布情况，结合速度扫描值所对应的同相轴动校效果等，合理拾取叠加速度值。

在整条测线叠加速度值拾取完成且叠加处理后，根据各有效反射波组叠加效果，对局部叠加效果不理想段的叠加速度值再作适当修正，直至达到最佳叠加效果。为使最佳叠加速度所对应的叠加剖面获得最优处理效果，还需进行有效的叠后精细处理，以满足地质解释的需求，得到最终地震时间剖面图(图2)。

图2 浅层地震勘探多道反射时间剖面图Fig. 2 Time profile of multi-channel reflection in shallow seismic exploration

2 时深剖面转换

浅层地震勘探多道反射法采集的原始数据主要与空间、时间等参数有关，处理结果多为时间剖面，虽然可以反映地层的结构形态、构造性质及其倾向与位置等，但不能准确给出地层分界面的埋深、构造的产状及其上断点的埋深等信息。浅层地震勘探时深转换即为将时间剖面转换成适于地质解释的深度剖面，而速度模型建立的准确性会直接影响时深转换的效果(贾凌云等，2011；秦童等，2018)，进而影响地质解释的精度。地震波速度是时深换算中最重要的参数，求取的值的准确程度会直接影响各有效物性反射界面埋深值的精度。

浅层地震多道反射法一般采用平均速度对所获取的地震时间剖面进行时深换算(李英宾等，2019)，相对准确的平均速度值多通过波速测井获取(李培培等，2015)。大多数情况下，因钻探及波速测井成本较高，波速测井资料很少。地层波速资料只反映钻孔附近小范围的情况，不能代表整条测线或测区的结果(丁卫平等，2012；汪俊等，2020)，因此浅层地震多道反射法平均速度值的求取主要根据地震数据处理得到的叠加速度计算得出。

为使各测线地震时间剖面各有效反射波组叠加效果达到最佳叠加速度值，经Dix公式计算，求取各测线所对应的平均速度，并将其加载到时深转换模块中，对各测线最终地震时间剖面进行时深转换处理，得到相应的深度剖面，再结合时间剖面各有效反射波组划分情况及测线经过处的钻孔资料等，对获取的深度剖面对应的各有效反射波组进行深度标定(标定系数求取主要依据基岩面深度，这主要是因为覆盖层内物性层划分界限不如基岩面确定清楚)，最终得到适于地质解释的深度剖面图(图3)。

图3 浅层地震勘探多道反射深度剖面图Fig. 3 Depth profile of multi-channel reflection in shallow seismic exploration

3 地质解释剖面图编制

根据各测线经地震数据处理所获取的最终时间剖面进行有效反射波组对比和同相轴追踪，首先进行目的层位(如基岩反射)的连续追踪，然后对覆盖层内层位进行对比分析，力求连续准确(安好收等，2017)。在以上相位划定基础上，根据各测线所对应的最终适于地质解释的深度剖面的各有效反射波组绘制相应的深度矢量图，然后根据要求的比例尺绘制各测线的浅层地震勘探多道反射法地质解释剖面图(图4)。结合区内钻孔、区域地质等资料对其进行地质推断解释。图4显示在基岩面反射波组Tg以下(即基岩内部)存在一系列与其斜交的不整合反射波组，这一特征可作为判断基岩面反射波组的依据之一。

4 应用实例

以某研究区穿过钻孔ZK20的L3测线的部分浅层地震多道反射剖面为例进行可行性分析。图5为穿过该钻孔L3测线的部分浅层地震多道反射时间剖面图，图6为按上述方法获取的对应深度剖面图，钻孔ZK20位于图5、图6中CDP660(图中e点)位置附近。根据资料，岩性及分层结构见表1。

图4 浅层地震勘探多道反射时间剖面及地质解释剖面图Fig. 4 Time section and geological interpretation section of multi-channel reflection in shallow seismic exploration

图5 L3测线浅层地震勘探多道反射时间剖面图(部分)Fig. 5 Time section of multi-channel reflection in shallow seismic exploration on survey line L3 (part)

图6 L3测线浅层地震勘探多道反射深度剖面图(部分)Fig. 6 Depth section of multi-channel reflection in shallow seismic exploration on survey line L3 (part)

表1 钻孔ZK20地层结构

结合区域地质及钻孔等资料，经各测线对比分析，认为时间剖面图(图5)中基岩面反射波组Tg以上主要存在2组有效反射波组T1、T2。深度剖面图(图6)中各有效反射波组根据时间剖面图5划定。

图5显示，在CDP660(图中e点)附近，基岩面反射波组Tg双程到时为170 ms左右，覆盖层内反射波组T1、T2双程到时分别约为63、110 ms。

同一位置，深度剖面图(图6)显示反射波组T1、T2、Tg的埋深分别约为55、97、155 m。因基岩面的确定较覆盖层内物性界面的划定更准确，所以各有效反射波组的深度标定系数主要依据钻孔揭示的基岩面埋深与深度剖面图显示的基岩面反射波组Tg埋深的比值求取。

钻孔ZK20(e点位置)揭示基岩面埋深为159 m，深度剖面图(图6)显示基岩面反射波组Tg埋深为155 m，经计算所得深度标定系数约为1.026，将e点位置各有效反射波组埋深乘以此标定系数，得到该位置反射波组T1、T2及Tg标定后的深度分别约为56、100、159 m。按上述方法对获取的整条测线各有效反射波组深度值进行标定后，结合区域地质及钻孔等资料，根据要求的比例尺绘制相应的地质解释剖面图。

也可通过对平均速度值的标定来实现对深度的校正。根据叠加速度并由Dix公式计算所得的平均速度(表2)显示，CDP600处双程到时150、180 ms的平均速度分别为1 772、1 822 m/s，CDP700处双程到时150、180 ms的平均速度分别为1 810、1 870 m/s。据此，通过线性插值计算可求得CDP660处(图中e点，钻孔位置)双程到时170 ms的平均速度为1 832 m/s。根据此位置钻孔揭示的基岩面深度(159 m)及时间剖面(图5)显示的反射波组Tg双程到时(170 ms)，可反算求得此处基岩面以上的平均速度为1 871 m/s。将根据钻孔反算求得的平均速度除以根据叠加速度由Dix公式计算所得的平均速度，即可得到平均速度值标定系数约为1.021。将由Dix公式计算所得的所有平均速度乘以标定系数进行校正，然后进行时深转换处理，得到校正后的深度剖面。

表2 根据叠加速度由Dix公式计算的平均速度

根据以上数据分析，可计算得到基岩面埋深值的相对误差≈2.5%，平均速度值相对误差≈2.1%，说明在研究区缺少钻孔资料情况下，通过此方法可得到相对误差≤5%的界面数据，能够满足勘探精度的要求。

5 结 论

时深转换是浅层地震勘探多道反射法进行地质解释的关键一步，其转换效果直接影响各有效反射物性界面埋深解释精度。要使所得的浅层地震深度剖面的解释误差相对较小，在进行时深转换时需注意下列4点。

(1) 速度参数是浅层地震勘探多道反射法时深换算最关键的参数，其提取的准确性直接影响时深转换的效果，进而影响各有效反射物性界面深度解释误差的大小，应据测区地质情况、速度扫描效果、横向和纵向波速变化规律，合理控制速度谱拾取间距及叠加速度值的拾取。

(2) 浅层地震勘探多道反射法时深转换应在经地震数据处理后的最终时间剖面上进行，以适用于相应的地质解释。

(3) 当测线经过钻孔位置时，应根据钻孔资料对所获取的深度剖面各有效反射波组直接进行深度校正；或根据钻孔反算的平均速度，对根据叠加速度并由Dix公式计算得到的平均速度进行标定，从而实现对深度剖面各有效反射波组深度的校正。

(4) 参照最终时间剖面所划分的各有效反射波组，依据所获取的相应最终深度剖面，绘制对应的各有效反射物性界面深度矢量图，然后根据要求的比例尺绘制浅层地震勘探多道反射法地质解释剖面图，再结合测区相关钻孔及区域地质等资料进行合理的地质推断解释。