第二章浅层折射波法和反射波法

第二章浅层折射波法和反射波法第一节数据采集第二节理论时距曲线第三节资料处理及解释浅层折射波法与反射波法：1、浅层折射波法是一种使用相对较早且较成熟的方法；可用来探测覆盖层厚度、基岩面起伏、断层及古河道;弱点：分辨率较低、测线较长；2、浅层反射波法是近十多年来随着电子技术的发展及微机数字处理系统的开发和普及才得以迅速发展。浅层反射波法具有相对较高的分辨率，可以采用较小的炮检距进行观测，因而可以采用较短的勘探测线；对资料的数字处理技术要求较高。反射地震勘探资料采集现场波动传播和界面关系示意图第一节数据采集•一、数据采集的主要仪器设备1.震源（source)震源是用来释放地震能量的装置，常用震源有：（1）锤击震源；（2）雷管和炸药震源；（3）地震枪震源；（4）电火花震源。（5）可控震源CFS-2A型可控震源2.检波器（detector，geophone,seismometer,jug,pickup)检波器又称拾震器，是把地震波到达所引起的地面微弱震动转换成电信号的换能装置。检波器的的输出与地表质点运动的速度成正比的，称为速度检波器，检波器的的输出与地表质点运动的加速度成正比的，称为加速度检波器。固有频率约10Hz的为低频检波器;固有频率约33Hz的为中频检波器;固有频率约100Hz的为高频检波器。在以往的地震勘探中多采用中频和低频检波器，在工程地震勘探中，多采用高频检波器。检波器（左）实质性元件图解（右）动圈检波器的一半CDJ-Z4-100赫垂直检波器CDJ-P4-100赫水平检波器3.浅层地震仪（seismograph）地震仪是将检波器输出的信号进行放大、显示并记录下来的专门仪器，一般都具有滤波、放大、信号叠加、高精度计时以及数字记录和微机处理等功能。我国目前常用的浅层地震仪多为12道或24道。浅层地震仪浅震仪及其野外工作布置二、野外观测系统在地震勘探现场采集中，为了压制干扰波和确保对有效波进行追踪，激发点和接收点之间的排列及各排列的位置都应保持一定的相对关系，这种激发点和接收点之间以及排列和排列之间的位置关系，称之为观测系统(fieldsetup,recordinggeometry)。不同的方法采取不同的观测系统。一些相关术语道数：一般用N表示，每次放炮一般有48道，96道或更多。道间距：一般用△x表示，道距多为25-100m.放炮方式：一般分为中间放炮和端点放炮(单边或双边)。最小偏移距（或偏移距）：紧挨震源的检波器离开震源的距离，偏移距的长度为道间距的整数倍。最大炮检距：一般用Xmax表示，它是指炮点到最远检波点的距离。测线类型图1、折射波法观测系统（1）测线类型通常的测线类型如图所示。根据激发点和接收点之间的相对位置关系及排列关系，测线类型可分为纵测线、横测线、侧测线及弧形测线。几种常用的观测系统介绍采用纵测线观测时，根据激发点与接收点之间的组合关系，可分为单支时距曲线观测系统、相遇时距曲线观测系统、多重相遇时距曲线观测系统以及追逐时距曲线观测系统等。定义震源到接收点的距离与地震波走时之间的关系曲线为时距曲线（time-distancecurve）。时距曲线是研究地震波运动学(kinematic)特征的一种基本方法。时距曲线观测系统则是根据地震波的时距曲线分布特征所设计的观测系统。在各种时距曲线观测系统中，以相遇时距曲线观测系统使用最为广泛。相遇时距曲线观测系统多重相遇时距曲线观测系统TT2.反射波法观测系统使用最多的是宽角范围观测系统与多次覆盖观测系统。宽角范围观测系统是将接收点布置在临界点附近的范围进行观测，因为在此范围内反射波的能量比较强，且可避开声波和面波的干扰，尤其对弱反射界面其优越性更加明显。图2.1.4同一界面的反射波振幅变化特征多次覆盖观测系统介绍水平叠加的概念：又称共反射点叠加或共中心点叠加，就是把不同激发点、不同接收点上接收到的来自同一反射点的地震记录进行叠加，这样可以压制多次波和各种随机干扰波，从而大大提高了信噪比和地震剖面的质量，并且可以提取速度等重要参数。宽角范围的观测系统与多次覆盖观测系统结合使用是目前地震反射波法中使用最广泛的观测系统。共反射点示意图D’DO64O58O412O316O220O124单边激发6次覆盖观测系统多次覆盖的具体作法介绍在该观测系统中可用下式计算炮点的移动道数N为一个排列的接收道数；n是覆盖次数；d是激发点间距(炮间距)；S是一个常数，单边激发S=1，双边激发S=2；x是检波距(道间距)。（双边激发多次覆盖观测系统，三维观测系统）xdnNS2单边激发6次覆盖观测系统(N=24,υ=2)•例:观测系统:道间距25米,炮间距50米,每炮96道,共10炮,总道数960道,单边放炮.(1)求覆盖次数.(2)测线长度不变,如何使覆盖次数增加一倍答案(1)24(2)炮间距减小一半,或者双边放炮等.注意:为了保持测线长度,当炮间距减小一半时,要适当增加炮数除正确地选用震源、仪器和合理地布置观测系统外，其它采集条件和工作参数的选择也很重要。如测线的布置，覆盖次数和道间距的确定以及仪器的增益、通频带和扫描时间等参数的选定等都会直接影响野外数据采集工作的质量。因此，一个新工区在进行正式工作之前，应作一定的试验研究工作，对区内各种干扰波和有效波的分布特点进行研究，分析各种波在时空域中的相对关系，以及它们在频率和视速度方面的差异。三、影响数据采集的其它因素(1)增益输出信号与输入信号的振幅之比(2）道间距选择道间距大小的总原则为：经过处理后能在地震剖面的相邻道上可靠地追踪波的同一相位，并且不出现空间假频（由离散序列所得到的频谱与原始频谱是不相等的,这种由连续信号离散化，导致离散前后频谱发生变化的现象，就为假频现象），根据采样定理有：实际工作中可由上式估算道间距的大小。为提高地震记录的横向分辨率，常采用小道距接收。（3）偏移距偏移距的大小直接影响了有意义的浅层反射波的覆盖次数，若太大，就不能保证有参考作用或主要目的浅层反射波达到最低要求的覆盖次数，甚至拿不到浅层记录，此外还有可能造成波的振幅和相位的较大变化以及波场复杂化等诸多问题，所以偏移距一般要求尽可能小。然而偏移距太小，波场受震源干扰严重（破坏区，塑性带,…）实际中，应兼顾各种矛盾，选择合适的偏移距。两层模型的各种波分布距离(米)（4）最佳时窗反射波地震勘探中，为了有效地避开面波，声波，直达波和折射波对有效反射波的干扰，可把接收地段选择在尽可能不受或少受各种干扰波影响的地段，这种最佳接收地段又称为“最佳时窗”.在最佳时窗内接收，可避开面波和折射波的干扰，此外，其反射波振幅随炮检距的增大而减小，可见，最佳时窗的选择关键在于选取接收排列的两个端点，即选择偏移距和最大炮检距。一般情况下，可通过展开排列法观测试验确定，或根据经验确定，即最大炮检距不应大于主要目的层埋深的1-1.5倍.近炮检距30米左右远炮检距30米左右浅震试验记录右图为单次覆盖的浅震试验波形记录,在该记录上可以看到清晰的声波、面波、直达波、反射波的同相轴(event)分布。从这张记录上能较容易地识别出反射波，说明其工作条件良好，易于选定最佳接收窗口。反射波声波面波中间放炮双边接收的浅振记录右图所示为中间激发，两侧接收的浅震试验记录。该记录深层情况比前一记录要复杂些，但记录中的声波、直达波、反射波、等同相轴仍清晰可见，可作为设计数据采集条件的依据。反射波直达波声波当勘探深度较浅，地震地质条件比较单一的情况下，我们可以按最佳时窗技术去考虑观测参数的设计等问题，当勘探深度较大，地震地质条件较复杂时，我们最好按组合检波和多次覆盖技术去考虑压制干扰以及观测参数选择问题，因为此时，目的层深浅相差较大，很难选取甚至不可能选取最佳时窗。第二节理论时距曲线时距曲线:用数学方法描述地震勘探中地震波在地下传播及在地面记录时的时-空关系。一、直达波理论时距曲线（time-distancecurve）直达波是指地震波从震源出发，不经任何反射，直接到达各检波点的地震波。直达波的时距曲线是在x-t直角坐标系中，把激发点作为坐标原点，横坐标x表示沿线上各观测点到激发点的距离，纵坐标t表示直达波到达各观测点的传播时间。地震波从O点出发，沿测线X传播到任意点的旅行时间T为：T=X/V（2.2.1）直达波时距曲线斜率的倒数为地表覆盖层的波速二、折射波理论时距曲线1221222122cos2VVVVhVxVihVxt截距时间(时距曲线的延长线与T轴的交点)t0为：212122102cos2VVVVhViht水平二层介质折射波时距曲线斜率为:可以看出：时距曲线的交点也就是折射波超过直达波的时间，在交点以内，直达波先于折射波到达，在交点以外，折射波先于直达波到达；折射波的斜率比直达波的斜率小也就是说折射波到达的视速度比直达波到达的视速度大。折射波时距曲线怎么使用呢？•首先从直达波初至时间求解v1,•由折射波时距曲线的斜率求v2(斜率从哪里来？)•由地震记录上读t0,所以根据下面公式可以反演界面深度212122102cos2VVVVhViht)/(sin31113VVi（2）三层介质V3V2V1，当入射波在R2界面上的B点产生折射时，则入射射线在界面处必须满足：23222321321231322VVVVhVVVVhVxt)/(sin32123VVi和可导出水平三层介质的时距曲线方程为：水平三层介质折射波时距曲线(3)多层介质只要各层介质的速度满足：121VVVVnn第i层界面上的折射波时距方程为：11222ikkikikniVVVVhVxt水平多层介质折射波时距曲线2.倾斜界面的折射波时距曲线sin)(coscos/,cos/12212211xhhtgihhxABihBOihAO在界面的下倾方向(O1点激发,M1O2段接收,相当于激发点O1为界面的下倾方向,)观测，折射波到达地面接收点O2的走时为：12211VBOVABVAOt下从图中几何关系可知：iVVsin/12倾斜界面折射波时距曲线111cos2)sin(VihVixt下将这些关系代入t下的表达式，可得如下时距曲线方程式：121cos2)sin(VihVixt上同理,若在O2激发,波到达测线上倾方向任意点的时距曲线方程为：倾斜界面的折射波时距曲线特征讨论倾斜界面折射波时距曲线（1）上倾与下倾方向时距曲线斜率不同,其视速度不同,上倾方向视速度大于下倾方向的视速度。（2）上倾与下倾方向观测到的初至区距离和盲区大小不同，在下倾方向接收时，初至区距离和盲区较小，截距时间也要小些。在上倾方向接收时，初至区距离和盲区要大些，截距时间也要大些。据此可以判断界面的倾向。（3）当i+90º时若在下倾方向接收，折射波射线将无法返回地面，这时盲区无限大。而在上倾方向接收，则入射角总是小于临界角，无法形成折射波。临界角I与界面倾角的关系（4）上倾与下倾方向观测的视速度分别为：)sin(1*iVV下)sin(1*iVV上和（2.2.12）（a）i=V*（b）iV*为负)sin(sin21)sin(sin21*11*11*11*11上下下上VVVVVVVVi（5）联立（2.2.12）两式可解得：若已知V1，则可根据相遇时距曲线的视速度求得倾角和临界角以及V2（V2=V1/sini）。3.变速层的折射波时距曲线（1）关于速度随深度的变化规律A、速度随深度增加而呈线性增加，即符合下列表达式：)1(0ZVVz式中V0为表面一点的速度值，是一个和介质性质有关的系数。B、介质的波速呈现为随深度的非线性变化，而线性关系只只是其中的一个特例。介质的速度随深度变化的更为一般的表达式为：nzZVV/10)1(式中当n1，可认为其变化是线性的。（2.2.16）（2）潜射波的时距方程和时距曲线地震波在变速层中的传播和在常数层中的传播有不同的特点，把变速层中的折射波称为潜射波。形成潜