微地震信號低衰減傳播

肖 健，孫書廷，劉建中

（北京科若思技術(shù)開發(fā)股份有限公司，北京 100082）

微地震信號低衰減傳播

肖 健，孫書廷，劉建中

（北京科若思技術(shù)開發(fā)股份有限公司，北京 100082）

本文探討了弱地震信號低衰減傳播的可能性。結(jié)果表明，地下的地震信號傳播介質(zhì)均表現(xiàn)出一定的彈性，振動信號幅度在低于介質(zhì)彈性限度時傳播，衰減很小，表現(xiàn)出低衰減特征。這一特點(diǎn)保證了可以在地面，甚至黃土覆蓋區(qū)監(jiān)測到微地震信號。

微地震；低衰減；非彈性衰減

1 前言

微地震監(jiān)測技術(shù)是地震學(xué)研究的前沿技術(shù)，隨著油田開采科學(xué)性的增加，已經(jīng)成為一個不可或缺的實(shí)用監(jiān)測手段。油田微地震是指-2至-5級地震，震級小、信號弱，震源處地動位移幅度常常在微米量級。在地面能否接收到如此弱的微地震信號成為一個重要的議題。事實(shí)上，即使在黃土高原，也接收到了來自千米以下深度的微地震信號，這表明微地震信號必有一個特定的傳輸機(jī)制，可以在幾千米外被接收到。

2 地震信號的衰減機(jī)制

地震信號在傳輸過程中衰減，隨著傳輸距離增加，地震信號幅度趨小。衰減有多種原因：散射衰減、輻射面積增加衰減、非彈性衰減；還有很多其他衰減原因，但對于近源深地震而言，上述衰減是信號在傳輸過程中趨小的主要原因。

2.1 散射衰減

地質(zhì)界面、顆粒晶面均會形成反射、折射，使本來傳向接收點(diǎn)的地震信號傳向其他方向，致接收點(diǎn)的地震波能量趨小，減小了信號幅度。

在信號從高速層進(jìn)入低速層時，反射信號弱，衰減相對較小；反之，衰減大。

界面上入射P波和反射、折射P波和Sv波的能量之間的關(guān)系如下[1]

式（2）中

式（3）的第3項(xiàng)是筆者研究關(guān)注的，即穿過層面部分的P波能量，圖1給出了計算結(jié)果，從下向上傳輸，有90%以上的P波能量可以穿過層面。

折射Sv波也可能對監(jiān)測結(jié)果有影響，式（3）的第4項(xiàng)是穿過層面部分的Sv波能量，圖3給出了計算結(jié)果，從下向上傳輸，有不大于30%的轉(zhuǎn)換Sv波能量可以穿過層面。

圖1和圖2的計算結(jié)果使用表1的介質(zhì)參數(shù)。

圖1 P波自下而上傳播的透過信號Fig.1 P-wave propagation through a bottom-up signal

圖2 P波自下而上傳播轉(zhuǎn)換成S波的透過信號Fig.2 Bottom-up P-wave converted into S-wave propagation through the signal

表1 圖1、圖2中各曲線采用的介質(zhì)參數(shù)Table 1 Medium parameters used by each curve in Fig.1 and Fig.2

表1給出不同參數(shù)反射、折射曲線的圖例，表中：ρ1、ρ2，σ1、σ2，α1、α2，β1、β2分別是傳播介質(zhì)密度，泊松比，P波波速，S波波速；下角標(biāo)1是指上層介質(zhì)，下角標(biāo)2是指下層介質(zhì)。

從圖1和圖2可以看出，從下向上傳輸，層面散射的衰減并不大。在沉積地層，結(jié)晶顆粒相對較少，晶面散射的作用不是很強(qiáng)烈。

在油田地震監(jiān)測領(lǐng)域，地震波散射形成的衰減不是信號衰減的主要原因。

2.2 輻射面積增加衰減

微地震震源可以看做點(diǎn)源，輻射出的信號隨著距離增加，波及面積也增加，單位面積上的輻射能量減小。面積與距離的關(guān)系可以寫為

照射面積是距離的平方，輻射能量按著距離的平方減小，振幅則隨著距離的一次方減小。從物理上考慮，球面波的振幅因子為r-1是可以理解的，因?yàn)楫?dāng)球面波向外傳播時，波前面積（球面）隨r-2增大，因此每單位面積的能流就按r-2減小。因?yàn)槟芰髋c振幅的平方成正比，所以球面波的振幅與r-1成正比。

2.3 非彈性衰減

在淺層，地層結(jié)構(gòu)主要是沉積層、土層，這些層的介質(zhì)存在明顯的非彈性。地震波傳播過程，在路徑上形成不可恢復(fù)的變形，形成能量損耗。如土層結(jié)構(gòu)疏松，在很小的位移作用下就會粉末化；在很大地震的地震波作用下，有些砂體也會粉末化；被統(tǒng)稱為砂、土液化。更大的地震，其地震波會導(dǎo)致房倒屋塌，形成宏觀裂縫。這些均會形成能量損耗。地震波傳播過程中的非彈性損耗是地震波衰減的主要原因。

3 微地震信號的弱衰減傳輸

所有固體介質(zhì)，均有一定的強(qiáng)度，在弱外力作用下表現(xiàn)出一些彈性。被傳遞的信號如果很弱，傳播介質(zhì)受到的外力作用始終在彈性范圍內(nèi)，就會表現(xiàn)為低衰減傳播。

圖3、表2是泥巖的壓縮實(shí)驗(yàn)，可以看出，在幾兆帕壓力作用下，應(yīng)變也表現(xiàn)為線性[2]。

黃土實(shí)驗(yàn)表明，即使是黃土，低壓力下，應(yīng)力、應(yīng)變曲線表現(xiàn)為線性，也表現(xiàn)出很弱的彈性[3]。從表2可見，試驗(yàn)點(diǎn)砂質(zhì)黃土的水平向變形模量E0H和垂直變形模量E0V，分別為

實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，弱結(jié)構(gòu)介質(zhì)的變形模量是壓力的函數(shù)，隨著壓力變小而增大。圖4是來自珠江三角洲不同工程的土層加壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看到，在很小的壓力下，土層仍有較大的變形模量。隨著壓力升高，模量顯著減小。

圖3 泥巖應(yīng)力、應(yīng)變實(shí)驗(yàn)Fig.3 Mudstone stress and strain experiment

表2 土層力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of soil mechanics experiment

圖4 由載荷實(shí)驗(yàn)成果所得到的p-E0關(guān)系Fig.4 p-E0curves gathered by bearing test

軟土的非線性特性主要表現(xiàn)為土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性函數(shù)。圖4為根據(jù)珠江三角洲內(nèi)3個典型工程的載荷實(shí)驗(yàn)成果，采用公式（7）得到的壓力p與變形模量E0的關(guān)系。

式（7）中：d為壓板直徑。

圖4表明，由載荷實(shí)驗(yàn)確定的變形模量隨著壓力的增大而呈非線性減小。在很小的作用力作用下，即使土層也表現(xiàn)出足夠大的模量，表現(xiàn)出彈性。

微地震信號在發(fā)震點(diǎn)位移幅度在毫米量級，在接收點(diǎn)遠(yuǎn)小于微米量級。在整個傳播途徑中，擾動強(qiáng)度均會在傳播介質(zhì)的彈性范圍內(nèi)，不會形成永久變形，沒有或很少有非彈性衰減，出現(xiàn)微地震信號弱衰減效應(yīng)。

4 微地震信號弱衰減實(shí)例

圖5是根據(jù)圣費(fèi)爾南多大地震作出的不同距離的加速度反應(yīng)譜，可以看出，隨著距離增加，譜線間的間距變小，衰減趨小。量出1周、0.05周在不同距離的幅度（見表3），作出其隨距離的衰減曲線，可以看出，隨著距離增加，衰減趨勢變小。0.05周已經(jīng)近于儀器工作頻率的下限，可以作為微地震研究、弱信號傳播衰減研究的依據(jù)[4]。

圖5 圣費(fèi)爾南多地震不同距離處加速度反應(yīng)譜Fig.5 San fernando earthquake acceleration response spectrum at different distances

表3 統(tǒng)計出的圣費(fèi)爾南多地震不同距離處的加速度幅值Table 3 San Fernando earthquake acceleration amplitude at different distances

圖6中，藍(lán)色線是1周加速度幅值隨距離的衰減曲線；粉色線是0.05周加速度幅值隨距離的衰減曲線。隨著距離增加，曲線變得平緩，衰減趨勢急劇變小。對于指定周期的地震信號，傳播過程變化的就是信號強(qiáng)度，該圖表明，隨著地震信號的趨弱，衰減也急劇變小。這使微地震衰減不同于大地震，可以出現(xiàn)弱衰減傳播效應(yīng)。

圖6 不同距離的幅度衰減圖Fig.6 Amplitude attenuation figure at different distances

5 在黃土覆蓋區(qū)記到微震

在鎮(zhèn)涇油田進(jìn)行壓裂裂縫監(jiān)測，該油田位于黃土高原，覆蓋厚層黃土，通常地震勘探效果較差，厚黃土層嚴(yán)重影響地震信號質(zhì)量。在紅河371井壓裂時，筆者監(jiān)測到可以分辨的微地震波形。證明了弱信號衰減系數(shù)應(yīng)該遠(yuǎn)小于大震信號，黃土層也存在弱彈性。極小的微地震信號不能打破脆弱的黃土層結(jié)構(gòu)，微地震信號傳播形成的振動限制在土層的彈性范圍內(nèi)，信號很少衰減[5]。在鎮(zhèn)涇油田監(jiān)測到的微地震波形見圖7。

圖7 在鎮(zhèn)涇油田監(jiān)測到的微地震波形Fig.7 Micro-seismic waveform monitored in zhenjing oilfields

研究結(jié)果表明，只要傳輸信號振動幅度足夠小，在土層中仍然會在傳播介質(zhì)彈性范圍內(nèi)傳輸，表現(xiàn)出弱信號低衰減的傳輸特性。

[1]傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴仲.地球物理學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1985：328-329.

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[3]方錢寶，馬建林，喻 渝.大斷面黃土隧道圍巖彈性抗力系數(shù)—變形模量與壓縮模量試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(2)：3932-3937.

[4]王俊國.近震地震波衰減時間與震級的關(guān)系[J].地震地磁觀測與研究，1985，6(6)：114-116.

[5]劉建中，唐春華，左建軍.微地震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向及應(yīng)用[J].中國工程科學(xué)，2013，15（10）：54-58.

Micro-seismic signal propagation of low attenuation

Xiao Jian，Sun Shuting，Liu Jianzhong
（Beijing Traverse Technology and Development Ltd.，Beijing 100082，China）

This article explored the possibility of spread of weak seismic signals and low attenuation.The results showed that both underground seismic signal propagation medium showed a degree of elasticity，the vibration signal amplitude，just below the elastic limit attenuation is very small，showing low attenuation characteristics.This feature ensures that on the ground，and even the loess coverage area of micro seismic signal detected.

micro-seismic；low attenuation；inelastic attenuation

P315.73

A

1009-1742（2014）08-0083-05

2013-11-20

劉建中，1947年出生，男，吉林吉林市人，高級工程師，主要從事采油工程和地應(yīng)力研究工作；E-mail：jianzhong.liu@microseismic.net