搜索
地震勘探地震勘探是在天然地震学的基础上发展起来的，产生于20世纪20年代，几十年来，随着科学技术的不断进步，地震勘探得到了迅猛发展，解决地质问题的能力显著增强，应用领域不断扩大。地震勘探是通过观测和研究人工地震(炸药爆炸或锤击激发)产生的地震波在地下的传播规律来解决地质问题的一种地球物理方法。它是利用人工方式激发产生的地震波在地下传播后，带回到地面的信息，来达到研究地下构造或探测的目的。地震勘探的物理基础是地下介质的弹性差异。根据产生波的弹性介质的形变类型，地震勘探可以分为纵波勘探和横波勘探两大类。地震波的传播规律同几何光学相似，在传播过程中，遇到介质的分界面就会产生反射、透射或折射。又可根据波传播方式的不同，分为反射波法、折射波法和透射波法三种。其中前两种是最基本的方法。根据工作环境的差别，地震勘探可分为地面地震勘探、海洋地震勘探和地震测井三类。和其它地球物理方法一样，地震勘探方法工作可分为：野外采集、数据处理和资料解释三个基本环节。相比于其它方法，它具有精度高、分层详细、探测深度大、解释结果较单一的优点，因此广泛用于解决构造问题，尤其是寻找油气、天然气矿床，目前，能源勘探的地震方法已普遍实现了数字化、不仅能迅速查明复杂的储油气构造和含煤构造，而且在岩性、岩相研究和直接找油方面也取得了重大进展。在水文、工程地质工作中，利用地层勘探可以确定地下含水层、查明地下水位、研究基岩起伏、追索断裂带、确定覆盖层厚度等。通过查勘地质构造，地震勘探还可以间接寻找与构造有关的矿产，如铝钒土、砂金、铁、磷、铀等，也用于普查煤、岩盐、铝土等矿床。地震勘探基本工作过程如图5．1—1所示，人工地震引起震源附近岩石内的质点发生振动。这种振动以震源为中心，由近及远地向四周传播，形成地震波。当遇到地下弹性性质不同的岩层界面时地震波将被反射和（或)折射，从而改变前进的方向，并折回地面，引起地面的振动。用检波器接收反射和(或)折射信号，并通过电缆将它们送入地震仪中记录下来，就获得了一幅地震记录。从记录上查出波到达地面各检波点的时间，并利用一些已知的波速资料，就可以推断地下岩层分界面的埋深和产状，达到查明地质构造之目的。一、地震勘探理论基础(一)地震波的类型弹性介质受外力作用产生形变，介质中的质点发生振动，从而形成弹性波。弹性波的形成需要两个条件：①有能传播振动的介质；②在这种介质中激发振动。地震勘探中由人工激发产生的地震波有两种类型。一种类型的波是在弹性介质内部向四周传播的，称为体波。体波又可分为两种类型；一种是质点振动方向与波的传播方向相同的波，称为纵波；另一种是质点振动方向与波的传播方向垂直的波，称为横波。另一种类型的波只沿两种介质的界面传播，称为面波。面波也可以分为两种类型：一种是沿自由表面(介质与大气层的界面)传播的波，称为瑞雷波；另一种是在低速岩层覆盖于高速岩层的情况下，沿两岩层界面传播的波，称为勒夫波。理论证明，体波中纵波的传播速度比横波大1.7倍。一般激发方式产生的地震波中，纵波能量最强，易于观测，故目前地震勘探主要是应用纵波。此后如无特殊说明，本节所讨论的地震波都是纵波。横波虽然速度低、能量弱，但它的分辨率较高，故横波勘探一直在试验和改进之中，并已经取得了一定的进展。(二)地震波的反射和折射假设地下存在着两种岩层(图5．1—2)，上部岩层的密度为1，波在其中传播的速度为1v；下部岩层的密度为2，波在其中传播的速度为2v。理论证明，当上、下岩层的波阻抗(即密度与速度的乘积)2211vv时，入射波1P传播到两种岩层的界面Q上，就会使其中一部分能量返回原来的介质，形成反射波11P，且入射角1与反射角2相等。这种具有波阻抗差异的界面称为反射界面。入射波1P到达界面Q时，还将使一部分能量透过界面，在下层介质中传播，形成透射波12P，(图5．1—2)。令入射角为，透射角为，则它们之间的关系应满足折射定律：21sinsinvv（1）当下伏岩层具有较高的波速，即2v＞1v时，＞。随着入射角的增大，透射角将更快地增大。当增至某一临界角i时，＝900。此时出现与光学中的“全反射”类似的现象。透射波在下层介质中以速度2v沿界面滑行，这种沿界面滑行的透射波又称为滑行波。临界角i应满足下列关系21sinvvi（2）以临界角i入射的A点称为临界点。由于界面两侧的质点存在着弹性联系，因此在临界点以后，由于滑行波经过所引起的界面以下介质点的振动必然会引起上层各质点的振动，于是在上层介质中就会形成一种新波，称为折射波或首波。折射波射线是以临界角i出射的一族平行线，其中第一条射线AM又是以i角出射的“临界”反射波射线。M是折射波出现的始点，在区间OM内不存在折射波，该区间称为盲区。折射波形成的基本物理条件是：界面下介质的波速应大于上覆介质的波速。在多层介质中，要使任一地层顶面形成折射波，必须该层波速大于上覆所有各层的波速。如果上覆地层中某一层波速大于下伏所有各层的波速，则在这些下伏层顶面都不能形成折射波，与形成反射的条件相比，形成折射的条件较苛刻。于是，在同一地层剖面中，折射界面的数目总是少于反射界面。因而用折射波法划分地质剖面的能力要比反射波法差。(三)有效波和干扰波在地震勘探中，有效波与干扰波的概念是相对的。一般用于解决所提出地质问题的波称为有效波，而所有妨碍分辨有效波的其它波都属于干扰波。例如，在折射波法中，折射波是有效波，但在反射波法中，折射波又是干扰波了。但是，无论在哪种地震勘探方法中，爆炸引起的声波，风吹草动、机械、车辆等形成的微震都属于干扰波。地震波遇到良好的弹性界面(如地面、基岩面、不整合面、低速带底面等)时，不仅能形成一次反射，而且能再次反射，形成多次反射波。有时还形成折射—反射波、反射—折射波等(图5．1—4)。这些多次波的存在，降低了对一次波的分辨能力。因此，分辨和压制多次波是地层资科处理和解释中的重大课题。(四)地震波在岩石中的传播速度速度是地震资料处理和解释的重要参数。地震波的速度与许多因素有关，主要取决于：岩石的性质、孔隙度、埋深和形成时代。研究表明岩浆岩和变质岩的波速一般比沉积岩的波速大；沉积岩中，灰岩的波速又比砂岩和页岩的波速大；即使同一种岩石，它们的波速也有较大的变化范围。岩石性质不同，致使其弹性常数不同，并且岩石的形成时代、沉积环境不同造成了岩石的性质有很大差异。影响波速的基本因素是岩石的孔隙度。一切固体岩石都是由矿物颗粒构成的，岩石骨架和充填由各种气体或液体的孔隙组成，波在孔隙中的气体或液体中的传播速度要低于在岩石骨架中传播的速度。孔隙度增大时，岩石密度变小，速度也要降低。岩石中的波速还与岩石的生成时代和埋藏深度有关。埋藏深、时代老的岩石要比埋藏浅、时代新的岩石速度大。值得指出的是，地表附近岩石受风化作用而变得疏松，波在其内的传播速度很低，一般为400—1000m/s，这种地带称为低速带。地震波穿过低速带将使其旅行时间增大，消除低速带的影响是处理地震资料必不可少的环节。二、地震波理论时距曲线图5．1一5下部给出了理想情况下地震波在地下的传播路径示意图。图中O为震源(或称炮点)，在测线上用12个检波器接收地震波。该图上部为12道地震记录组成的图像。每道记录都有一些振幅增大的地方，反映了传播路径不同的波（折射波、反射波和直达波）。地震勘探的基本任务之一是根据地震记录确定产生有效的地层空间位置，以获得地下地质构造的资料。解决这个任务主要是利用地震波的传播过程中波前的空间位置与波至时间的关系。由于通常是在测线上观测，其时距关系为一条曲线，称时距曲线。时距曲线是地震勘探中一个很重要的概念。直达波是指从震源出发直接传播到地面各接收点（检波点）的波。从图中可以找出各道记录振幅开始增大(或振幅最大)的点，将这些点连接起来，就构成了该种波的(初至)同相轴。这些同相轴反映了炮点至检波点的距离(称为炮检距)x与波到达各检波点的旅行时t之间的函数关系。在x，t平面内，此函数关系即称为时(间)距(离)曲线。(一)直达波时距曲线假设地下充满均匀介质，波在其中传播的速度为v，以震源o作为坐标原点，则在炮检距为x的点上直达波的旅行时可表示为vxt（3）上式就是直达波的时距方程。当测点在原点右方时，式中取正号，反之取负号。显然,直达波时距曲线是通过原点的对称直线(图5．1—6)。求此直线斜率的倒数即可得到波速v。(二)反射波时距曲线假设地面和反射界面都是水平的，波在其中传播的速度为1v，震源至界面的法线深度为h，取震源o为坐标原点，当在地面任意点S观测时，波的行程为ORS,根据几何光学的镜象原理，通过作图求得一个相对于界面与震源对称的虚震源*O(图5．1—6)。显然tvSORSRORSOR1由直角三角形OSO*可得出22122)2(tvxh式中t为波从o点出发经界面R点反射到达地面S点的旅行时间，将上式化简，便得到水平界面的反射波时距方程:22141xhvt（4）反射波时距曲线是双曲线中位于上部的一条曲线，且以纵轴为对称(图5.1—6)。波在震源o处是垂直入射和反射的，该处最先接收到反射波。令x＝0，则上式可得到震源处的反射波旅行时0t，102vht（5）0t称为回声时间。若反射界面为倾斜的平界面，则其反射波时距方程为sin441221xhxhvt(6)式中为界面的视倾角。当界面下倾方向与x轴的正向一致时，根式中第三项前取正号，否则取负号。(6)式也是双曲线方程，但时距曲线的极小点不在震源上方，而在沿界面上倾方向的某一点上(图5．1—7)。图5．1—8是水平多层介质的反射波时距曲线系。由图可见，反映不同深度界面的时距曲线在形态上是有差别的。界面埋藏愈深，时距曲线愈平缓。(三)折射波时距曲线取震源o为坐标原点，假设地面和折射界面都是水平的,震源至界面的法线深度为h，上层介质的波速为1v，下层介质的波速为2v，且1v＜2v。当在盲区以外炮检距为x的任意点S参观测时，波的传播路径如图5．1—9。RSKROKOKRS其中ihRSOKcosi为临界角。于是波在上层介质中的旅行时间为：ivhRSOKvtcos2)(1111波在界面Q上的滑行时间为22222vhtgixvMSvKRt故折射波总旅行时间为：21212cos2vhtgixivhttt（7）将(2)式代入（7）式可得到水平界面的折射波时距方程)cos2sin(11ihixvt（8）式中x取绝对值是为了使该式在测线上的任何测点上都适用。水平界面的折射波时距曲线是以M和M’为始点，以纵轴为对称的两条直线段S1和S2，其中OM和OM’为盲区(图5．1—9)。如果折射界面为倾斜的平界面，则其折射波时距方程为)cos2)sin((11ihixvt（9）式中为界面的视倾角。当检波点相对震源位于界面下倾方向时，(9)式中取正值，否则取负。倾斜平界面的折射波时距曲线也是两条直线段，但沿界面上倾方向较缓，盲区范围较小(图5．1—10)。当x＝0时，由(9)式，有10cos2viht（10）式中0t是两条时距曲线延长至纵轴的交点，称为截距时间。图5．1一11是水平多层介质的折射波时距曲线。由该图同样可以看出，界面埋藏愈深，反映该界面的时距曲线愈平缓。三、地震仪和地震勘探工作方法地震勘探资料的野外采集是整个地震勘探工作的首要环节，分现场踏勘、施工设计、试验和正式生产几个阶段。其初要任务是：地震测线的布置，激发地震波和接收地震波。野外工作的关键是地震勘探采集系统和工作方法，它决定能否获得高质量的第一手资料，关系到地震勘探最终获得成果的优劣。（一）地震勘探仪器简介现代地震勘探仪器主要有检波器、放大器、数字记录器和微型计算机等装置组成，其除接收和记录地震波外，还可对记录资料进行简单初步处理、检测野外数据采集的质量。地震仪是获得地层记录必不可少的工具。由人工激发所引起的反射波或折射波到达地面时，地面产生的微弱振动被埋在小坑中的检波器接收下来并转换成电讯号，经电缆送入放大器放大，再由记录器记录下来。一个检被器、一