地震學(xué)百科知識(shí)（十）勘探地震學(xué)＊

張先康

（中國地震局地球物理勘探中心，鄭州450002）

地震科普

地震學(xué)百科知識(shí)（十）勘探地震學(xué)＊

張先康

（中國地震局地球物理勘探中心，鄭州450002）

引言

勘探地震學(xué)是用人工方法激發(fā)向地下傳播的地震波，通過觀測和分析地下巖層對激發(fā)地震波的響應(yīng)結(jié)果，用以推斷地下巖層的結(jié)構(gòu)形態(tài)和物理性質(zhì)的學(xué)科，是應(yīng)用地球物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科［1］。

勘探地震學(xué)是20世紀(jì)初期為尋找石油和天然氣礦床而發(fā)展起來的；20世紀(jì)中葉，勘探地震學(xué)的研究方法被用來研究地殼深部結(jié)構(gòu)，俄國學(xué)者稱其為深地震測深法（deep seismic sounding，DSS）。此后，在地震學(xué)研究領(lǐng)域，勘探地震學(xué)方法一直是研究地殼詳細(xì)結(jié)構(gòu)的主要方法之一。

1 反射波法（reflection seismology）

在地面或水中激發(fā)、并在不同位置觀測地下界面反射波的人工地震勘探方法［2-3］。被觀測的目標(biāo)層與上覆地層之間應(yīng)有一定的波阻抗差異。該方法對劃分具有一定厚度的沉積地層層序、探測隱伏斷層等地質(zhì)構(gòu)造方面效果較好。由于反射波法一般在激發(fā)點(diǎn)附近（在目標(biāo)層的首波盲區(qū)之內(nèi)）觀測，受激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾及地表結(jié)構(gòu)的影響較大。為獲取質(zhì)量良好的反射資料，在地震反射波法勘探中廣泛利用多次覆蓋技術(shù)，以達(dá)到壓制干擾提高地震資料信噪比的作用。

地震波在傳播過程中，遇到介質(zhì)的彈性分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和透射，根據(jù)反射定律，反射角等于入射角，并且入射線和反射線與界面法線在同一平面內(nèi)（圖1）。

圖1 平面波的入射、反射和透射

當(dāng)?shù)卣鸩ù怪比肷涞浇缑鏁r(shí)，反射波振幅Ar與入射波振幅Ai之比有如下關(guān)系：

式中R為反射系數(shù)，Z1和Z2分別為界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗。

當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗相同時(shí)（即Z2＝Z1），在界面上只有透射波而不產(chǎn)生反射波；只有當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗有差異時(shí)（即Z2≠Z1），才會(huì)產(chǎn)生反射波。界面兩側(cè)的波阻抗差（Z2-Z1）越大，反射波強(qiáng)度越強(qiáng)；界面兩側(cè)的波阻抗之和（Z2＋Z1）越大，反射波的強(qiáng)度就越弱。由于地層的波阻抗一般隨著深度的增加而增大，因此，當(dāng)有相同的波阻抗差時(shí)，深層的反射波比淺層的反射波弱。

反射地震記錄中包含著多種信息，其中，反射波的旅行時(shí)t和震源到檢波器之間的距離x的關(guān)系，稱為時(shí)距曲線t（x）。利用時(shí)距曲線可研究地下反射界面的幾何形態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造；利用地震反射記錄中的地震波振幅、相位、頻率、速度、振動(dòng)的偏振方向，以及其他參數(shù)所表現(xiàn)出的反射波的動(dòng)力學(xué)特征，能給出有關(guān)地層巖性、沉積環(huán)境等方面的信息。

反射波地震勘探需要的設(shè)備包括地震波激發(fā)源、接收裝置和記錄系統(tǒng)3個(gè)組成部分。①地震波激發(fā)源：陸地勘探中，主要采用爆破震源、機(jī)械式脈沖震源和可控震源；水域勘探中，主要采用電火花震源和空氣槍。②地震波接收裝置：地震波的接收可采用各種類型的檢波器，在陸地，通常使用帶尾錐的速度檢波器接收地震波；在水域則使用對壓力敏感的水中檢波器（即壓敏檢波器、水聽器）或海底三分量檢波器。③地震數(shù)據(jù)采集儀器：地震反射記錄系統(tǒng)通過對接收到的地震波進(jìn)行放大、濾波和增益控制來實(shí)現(xiàn)地震資料的采集。為確保強(qiáng)信號(hào)不出現(xiàn)限幅，弱信號(hào)也能被可靠地記錄下來，地震儀器應(yīng)具有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。為提高工作效率和滿足高的覆蓋次數(shù)，地震記錄還需要有足夠的記錄道數(shù)。

2 折射波法（refraction seismology）

利用人工激發(fā)的地震波，在地面不同位置觀測沿地下高速層頂面滑行的地震波來研究地下結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的人工地震勘探方法［1］。通常被用于測定彈性波速度、覆蓋層厚度、界面起伏形態(tài)、斷裂破碎帶以及深部構(gòu)造探測。但該方法對薄層和小構(gòu)造的分辨能力差，一般來說采用該方法不能探測速度逆轉(zhuǎn)層（下層速度比上層速度低的地層）。

當(dāng)界面之下的介質(zhì)波速v2大于上覆介質(zhì)波速v1，且波的入射角等于臨界角θ時(shí)，透射波就會(huì)變成沿界面以v2傳播的滑行波，由滑行波在上部介質(zhì)中激發(fā)出新的波動(dòng)，即地震折射波（圖2）。在臨界角以外（圖2中A點(diǎn)右側(cè)）不遠(yuǎn)處，分界面上任意一點(diǎn)的滑行波會(huì)比反射波先到達(dá)地表的觀測點(diǎn)，所以又把折射波稱為首波。在臨界角之內(nèi)的OA段上，是接收不到折射波的，這個(gè)范圍叫做折射波的“盲區(qū)”。

圖2 滑行波和折射波

在均勻水平層狀介質(zhì)中，折射波的視速度不變，其時(shí)距曲線為直線，時(shí)距曲線斜率的倒數(shù)就是折射波的視速度，等于地震波沿下伏介質(zhì)頂面的滑行速度。由出現(xiàn)折射波的起始點(diǎn)坐標(biāo)x＝2h·tgθ可以看出，界面埋深越深，盲區(qū)越大。在出現(xiàn)折射波的起始點(diǎn)，來自同一界面的反射波和折射波同時(shí)到達(dá)地表接收點(diǎn)，反射波和折射波的時(shí)距曲線在該點(diǎn)相交。

與反射波方法相比，觀測折射波需要的炮檢距比反射波方法要大得多，反射波方法的最大炮檢距一般要求大約等于目標(biāo)層的埋深；而在折射波勘探中，要使目標(biāo)層的折射波作為初至波出現(xiàn)，通常合理的最小炮檢距大約等于目標(biāo)層埋深的3～4倍。因此，折射波勘探的探測深度越深，需要的觀測長度越遠(yuǎn)，要求的震源能量也就越強(qiáng)。

折射波方法測量的是地下地層頂部的地震波速度，而反射波方法為了獲得相應(yīng)的速度信息，則要求地震波能量能穿過整個(gè)地層，且該層頂部的構(gòu)造也不容易由速度分析來得到，因此折射波方法在速度測量方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，特別是在速度變化較大的地方，折射波方法通常能夠很好地發(fā)揮作用。在反射波方法無能為力的地方，利用折射波勘探獲得的地震波速度結(jié)構(gòu)，可分析和研究地下的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

在淺層地震折射波勘探中，大多采用與反射波勘探相同的地震儀；在深地震折射波勘探中，目前主要采用點(diǎn)測式數(shù)字地震儀。折射波勘探的地震波激發(fā)大多采用爆破震源；當(dāng)探測的目標(biāo)層較淺時(shí)，也可采用機(jī)械式的脈沖震源或可控震源。由于同一目標(biāo)層的折射波比反射波的頻率低，因此，折射波勘探的地震波接收通常使用固有頻率＜10 Hz的檢波器。

3 觀測系統(tǒng)（spread geometry）

在地震勘探中，為了獲得連續(xù)完整的探測資料，必須按照一定的規(guī)則來布設(shè)地震波激發(fā)點(diǎn)和地震波接收點(diǎn)，這種激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的相對位置關(guān)系稱為地震觀測系統(tǒng)。

根據(jù)地震波激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的相對位置，地震勘探測線分為縱測線和非縱測線2大類。當(dāng)?shù)卣鸩ぐl(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)分布在同一條直線上時(shí)稱為縱測線，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)分布不在同一條直線上時(shí)稱為非縱測線。目前，在二維地震勘探中，主要采用縱測線工作方式；特殊情況下，為了查明大型地表障礙物下面的隱伏構(gòu)造時(shí)，也采用非縱測線工作方式。在三維地震勘探中，則采用縱測線和非縱測線并用的工作方式。

在地震勘探時(shí)，為了方便野外工作的布置，常用圖示法表示地震勘探的觀測系統(tǒng)。最簡明表示觀測系統(tǒng)的方法是采用綜合平面圖。從分布在測線上的各個(gè)激發(fā)點(diǎn)出發(fā)，向兩側(cè)做與測線成45°角的直線，將測線上的接收段投影到通過激發(fā)點(diǎn)的直線上，用粗線或彩色線標(biāo)出，稱為綜合平面圖。其中的粗線或彩色線的交點(diǎn)是觀測系統(tǒng)的互換點(diǎn)（圖3）。

圖3 觀測系統(tǒng)綜合平面圖

當(dāng)?shù)叵陆缑嫠綍r(shí)，綜合平面圖上每段粗線或彩色線在測線上的投影為所勘探的界面長度，也稱覆蓋長度。覆蓋是指對地下界面進(jìn)行采樣（地震道對地下界面某點(diǎn)反射的地震波進(jìn)行記錄），如果對界面上的每個(gè)點(diǎn)只采樣一次，稱為單次覆蓋；若對界面上的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多次采樣，則稱為多次覆蓋。多次覆蓋觀測系統(tǒng)是地震反射勘探中使用最廣泛的一種觀測系統(tǒng)。為了適應(yīng)地震勘探中各種不同的要求，觀測系統(tǒng)還可分為簡單連續(xù)觀測系統(tǒng)、間隔連續(xù)觀測系統(tǒng)、延長時(shí)距觀測系統(tǒng)、多次覆蓋觀測系統(tǒng)、非縱觀測系統(tǒng)等。

4 靜校正（statics）

為消除地形、近地表風(fēng)化層厚度和速度等激發(fā)和接收條件變化對地震記錄的影響而進(jìn)行的時(shí)差校正稱為靜校正。在地震勘探時(shí)，觀測面可能起伏不平，地下介質(zhì)在縱橫向上也可能存在不均勻現(xiàn)象，這些因素將使得地震記錄上的初至出現(xiàn)不規(guī)則的變化，反射波走時(shí)的雙曲線形態(tài)發(fā)生畸變，從而不能正確地反映地下的構(gòu)造形態(tài)。為了改善地震剖面的質(zhì)量，以便能正確地解釋地下構(gòu)造，就必須把上述因素引起的畸變加以校正。

靜校正主要有一次靜校正和剩余靜校正。一次靜校正是根據(jù)野外測得的近地表參數(shù)計(jì)算出靜校正量，然后對不同觀測點(diǎn)的傳播時(shí)間進(jìn)行校正。剩余靜校正是在一次靜校正未能完全消除近地表影響，包括動(dòng)校正后產(chǎn)生的剩余動(dòng)校正量的情況下，對數(shù)據(jù)中存在的剩余靜校正量所做的校正。

圖4 靜校正前、后的地震記錄

一次靜校正包括井深校正、地形校正和低速帶校正。剩余靜校正量分為長波長和短波長分量2大類。長波長分量是由近地表因素在大范圍內(nèi)（大于一個(gè)排列長度）的變化所引起的時(shí)差，在一個(gè)排列內(nèi)，炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的剩余靜校正量均為正或均為負(fù)，它構(gòu)成了剩余靜校正量中的低頻背景。長波長分量對疊加效果影響不大，但會(huì)造成剖面上的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)發(fā)生畸變。短波長分量是由于近地表因素局部變化或由于觀測誤差引起的時(shí)差，這種時(shí)差在一個(gè)排列內(nèi)或一個(gè)共中心點(diǎn)道集內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)。它的波長短、波數(shù)高，在共反射點(diǎn)道之間引起較大的時(shí)差，直接影響疊加效果。

5 動(dòng)校正（normal moveout correction）

零偏移距記錄是一種理論上的記錄形式，在多次覆蓋地震勘探中一般采集的是非零偏移距記錄。這樣，由不同共炮點(diǎn)記錄上的不同接收道組成的共中心點(diǎn)道集中的各記錄道將具有不同的炮檢距，道集中的各記錄道具有不同的反射波旅行時(shí)。為了把這些道上的反射波到時(shí)校正到零偏移距（自激自收）的反射波到時(shí)，就需要對記錄進(jìn)行正常時(shí)差校正（NMO），即把雙曲線形狀的共中心時(shí)距曲線校正為水平直線。由于正常時(shí)差△t是隨著反射波t0時(shí)（炮檢距為0時(shí)的反射波走時(shí)）的變化而變化的（圖5），因此，這種校正也稱為動(dòng)校正。

動(dòng)校正的主要作用就是將非零偏移距的共中心點(diǎn)道集，轉(zhuǎn)換為近似的等效零偏移距道集，待疊加后獲得等效零偏移距疊加道，進(jìn)而獲得等效自激自收疊加剖面。

動(dòng)校正過程包括計(jì)算動(dòng)校正量和動(dòng)校正的實(shí)現(xiàn)。動(dòng)校正是在疊加速度分析之后進(jìn)行的，一旦獲得了準(zhǔn)確的（t0，v）數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)反射波雙曲線時(shí)距方程計(jì)算出反射波同相軸的軌跡，從而得到各道的動(dòng)校正量。由于反射波的t0時(shí)是已知的，因此，在對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)校正前，獲得準(zhǔn)確的疊加速度非常關(guān)鍵。地震道記錄的是振幅值，它是按一定的時(shí)間間隔采樣的振幅值序列。動(dòng)校正是將某個(gè)時(shí)刻記錄的樣點(diǎn)振幅向時(shí)間軸的反方向移動(dòng)。如果時(shí)移量是采樣間隔的整數(shù)倍，只需將樣點(diǎn)值移到新的時(shí)間位置即可；當(dāng)時(shí)移量不是采樣間隔的整數(shù)倍時(shí)，由于動(dòng)校正后地震道上的采樣點(diǎn)時(shí)間位置保持不變，因此不能保留原來的樣點(diǎn)振幅值，需要根據(jù)這些振幅值插值出等間隔樣點(diǎn)位置上的振幅值。根據(jù)動(dòng)校正后樣點(diǎn)振幅值的計(jì)算精度的不同，又可分為普通動(dòng)校正、高精度動(dòng)校正等方法。

圖5 正常時(shí)差（△t）、動(dòng)校正（NMO）和疊加示意圖

6 偏移（migration）

當(dāng)界面水平時(shí)，疊加剖面上所顯示的反射點(diǎn)位置位于共中心點(diǎn)的正下方；當(dāng)界面傾斜時(shí)，疊加剖面上的反射點(diǎn)位置將沿界面偏離反射點(diǎn)的真實(shí)位置。對地震剖面進(jìn)行偏移，是使傾斜反射歸位到真正的地下界面位置，并使繞射波收斂，以顯示如斷層面等地下界面性質(zhì)的細(xì)節(jié)。偏移的目的是把反射波圖像恢復(fù)到地下地層的真實(shí)圖像。如果偏移處理是在已進(jìn)行了共中心點(diǎn)疊加的資料上進(jìn)行的，即稱為疊加偏移或稱疊后偏移。如果偏移處理是從原始地震資料開始，在疊加前就把反射點(diǎn)偏移到真實(shí)位置上，然后再對共反射點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，則稱為偏移疊加或疊前偏移。偏移處理不但能夠重建地下構(gòu)造圖像，而且，也可以提高地震勘探的空間分辨率。

偏移的分類可以按疊前、疊后來分，也可以按二維、三維來分。另外，還有時(shí)間偏移和深度偏移之分。二維偏移僅處理剖面內(nèi)的反射波同相軸，沒有考慮側(cè)面波和其他三維影響；三維偏移是在三維空間內(nèi)對反射波同相軸進(jìn)行重新定位，因此，獲得的地下構(gòu)造圖像更加準(zhǔn)確。時(shí)間偏移是指速度是時(shí)間（或深度）的函數(shù)，該方法適用于疊加剖面上有繞射波或構(gòu)造有傾角、橫向速度變化不大的地區(qū)。深度偏移的速度結(jié)構(gòu)采用一個(gè)復(fù)雜的深度剖面來表示，即速度函數(shù)由v（x，z）給出；該方法適用于疊加剖面上有構(gòu)造傾角、橫向速度變化較大的地區(qū)。如果存在嚴(yán)重的橫向速度不均勻，已無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析和疊加，應(yīng)采用疊前深度偏移。

截至目前，已發(fā)展了多種形式的、能在多域中實(shí)現(xiàn)反射波歸位的偏移處理方法。常用的建立在波動(dòng)方程基礎(chǔ)上的主要有3種方法，即克?；舴蚱啤⒂邢薏罘制坪蚮-k偏移方法及其各種變形。

7 三維地震勘探（3D seismic survey）

地震勘探的地質(zhì)和構(gòu)造目標(biāo)位于三維空間，震源激發(fā)產(chǎn)生的彈性波在三維空間中傳播，傳統(tǒng)的二維地震勘探測線記錄的不僅有其垂直面內(nèi)的反射，也記錄到由不同方向上來的側(cè)面波，這些波應(yīng)被歸位到空間真實(shí)的位置上去。此外，二維觀測由于測點(diǎn)不夠密集，難以滿足有足夠精度和分辨率的勘探要求。三維地震勘探的實(shí)質(zhì)是通過密集測網(wǎng)的地震資料采集、三維數(shù)據(jù)體處理和解釋技術(shù)，達(dá)到對繞射波的合理收斂和側(cè)面波的三維空間準(zhǔn)確歸位，準(zhǔn)確重現(xiàn)地下三維精細(xì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的方法。

用三維地震勘探方法探測研究地下構(gòu)造，需要根據(jù)測區(qū)條件和所要解決的地質(zhì)問題設(shè)計(jì)相應(yīng)的觀測系統(tǒng)。三維地震觀測系統(tǒng)主要有面積觀測系統(tǒng)和線性觀測系統(tǒng)2大類（圖6）。

三維地震勘探的地震波激發(fā)震源與二維地震勘探相同，在陸地主要采用爆破震源和可控震源，在水域主要采用電火花震源和空氣槍。三維地震勘探需要較多的儀器接收道數(shù)，通常為二維地震勘探所用接收道數(shù)的數(shù)倍。

三維地震勘探的目的是提高資料的信噪比和分辨率。二維地震勘探采用CMP（共中心點(diǎn)）疊加方法壓制干擾噪聲，提高地震資料的信噪比，然而，干擾噪聲的分布具有空間分布特征。三維地震勘探通過把同一個(gè)面元內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加來壓制空間噪聲，以達(dá)到提高地震資料信噪比的目的。地震數(shù)據(jù)的偏移處理是提高地震資料分辨率的主要手段。三維偏移不但考慮了沿測線方向上的構(gòu)造對地震數(shù)據(jù)的影響，同時(shí)，也考慮了垂直測線方向上的構(gòu)造對地震數(shù)據(jù)的影響，因此，三維偏移能把地下三維地質(zhì)體偏移到實(shí)際的空間位置上。另外，在地震資料解釋中，還可以結(jié)合三維地震資料信息量豐富以及信噪比和分辨率高的特點(diǎn)，通過采用反射層位的空間對比方法、三維相干數(shù)據(jù)體分析、三維可視化等技術(shù)，對反射層位和地下構(gòu)造解釋施以更多的約束條件，進(jìn)而提高探測精度。

圖6 三維地震觀測系統(tǒng)分類

8 垂直地震剖面（vertical seismic pro-

file，VSP）

垂直地震剖面法（VSP）是在地震測井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種地震勘探新技術(shù)。傳統(tǒng)的地震測井和聲波測井只利用直達(dá)波初至?xí)r間求取單一的地震信息（地震波速度），VSP采用與地震測井類同的工作方法，記錄初至波和續(xù)至波，獲取井孔附近的上行波、下行波場中的眾多地震信息。

VSP的基本工作方式是在地面設(shè)置地震波激發(fā)源，沿井孔在井下布設(shè)三分量檢波器，按照一定的間隔接收地震波（圖7）。

圖7 VSP基本工作原理

VSP勘探方法具有以下方面的特點(diǎn)：

（1）VSP在井下介質(zhì)內(nèi)部記錄地震波，因此避開了近地表松散層對地震波場的影響。

（2）VSP資料不但包括了地面地震觀測所能接收到的地震波場，而且還能采集到地面地震觀測所不能接收到的下行直達(dá)波。

（3）VSP在地面激發(fā)，沿井孔順序布設(shè)觀測點(diǎn)，可以獲得地面地震數(shù)據(jù)處理所需要的地震子波和精確的地震波速度。

（4）VSP采用井下三分量檢波器接收，可以觀測到縱波、橫波和轉(zhuǎn)換波等多種類型的地震波。由于各種波的到達(dá)方向不同，且隨著震源和觀測點(diǎn)的改變而改變，因此，更易于進(jìn)行界面附近的地震波動(dòng)力學(xué)研究。

VSP勘探所需要的探測設(shè)備包括地震波激發(fā)源、井下檢波器和記錄系統(tǒng)3個(gè)部分。①地震波激發(fā)源：由于VSP在地面激發(fā)地震波，因此，幾乎所有能用于地面地震勘探的震源都適用于VSP勘探。如果工作區(qū)的隨機(jī)噪聲很強(qiáng)，采用可控震源和互相關(guān)方法能較好地壓制掃描頻帶以外的干擾噪聲，提高資料的信噪比。②井下檢波器通常采用三分量檢波器，檢波器的外殼設(shè)置有貼近井壁的推靠裝置和測距系統(tǒng)。③VSP記錄系統(tǒng)一般不需要太多的記錄道數(shù)，但應(yīng)有足夠大的動(dòng)態(tài)增益和動(dòng)態(tài)范圍，以記錄弱能量的高頻地震波。

（作者電子信箱，張先康：xkzhang＠public2．zz．ha．cn）

［1］陸基孟主編．地震勘探原理．北京：石油大學(xué)出版社，1993

［2］鄭緒文編著．反射波地震勘探方法，北京：石油工業(yè)出版社，1989

［3］Waters K H．Reflection Seismology：A Tool for Energy Resource Exploration．John Wiley ＆Sons，New York，NY，1992

P631．4；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．04．010

2014-02-27。