辽西葫芦岛东部表层结构调查及速度建模

葛利华，姜 弢，徐学纯，贾海青，杨志超

1.吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春 130026

2.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130026

3.吉林大学地球科学学院，长春 130061

0 引言

随着地震勘探［1］工作的不断深入，容易勘探的平原区域日益减少，主要勘探任务转向了地表条件复杂的区域［2］。这些区域近地表不均匀性突出，特别是有表层高速层［3］、山地［4］或滩浅海［5］等区域，给地震的激发、接收和静校正带来较大的困难，表层结构调查及速度建模是优化井深设计及数据处理静校正的有效方法之一。

近年来，国内外很多地球物理学家针对不同地区的近地表进行了表层调查和速度建模研究。2000年，Chandola等［6］对印度Cauvery盆地砂岩出露区的近地表模型进行了研究，并指出了近地表模型对该区地震数据采集和处理的重要意义。2001年，Zhu等［7］提出首波层析成像建立近地表模型的方法，实验数据和真实数据都表明该方法明显改善了静校正和深度成像。2003年，夏竹等［8］对中国西部复杂地表地区近地表特征与近地表结构进行了研究，对山地、黄土源、沙漠和戈壁4种典型复杂地表地区的近地表地层的地质、地球物理特性及对静校正、速度分析、叠加成像等的影响进行了详尽的分析。2008年，Enikanselu等［9］利用29个小折射数据和1口微测井数据，揭示了尼日利亚尼日尔三角洲Mono地区的风化层地球物理特征。2010年，孙维昭等［10］发展了基于微测井资料进行层析反演重建高分辫率近地表速度模型的方法，进行了相应的高精度静校正量的计算，最后在我国南方某地区进行了实际应用。2011年，李卫忠等［11］提出近地表相和近地表相分析的概念，利用可控震源地震采集、近地表调查等数据，进行了近地表黏弹性参数反演，并建立了高精度的极浅近地表层模型。2011年，Guevara等［12］用2口微测井数据在哥伦比亚某地区建立了横波速度模型，得到随深部高速变化的速度模型及相关的岩性特征，用于数据处理的静校正。2012年，Yang等［13］提出基于 Monte-Carlo抽样方法的近地表速度建模方法，用合成数据和实际数据验证了该方法的有效性。2013年，Lu等［14］提出基于多模块快速行进法（multi-stencils fast marching method，MSFM）的地震走时层析成像方法，用于重建复杂近地表速度模型，提高了建立速度模型的效率和准确性。

此次，为满足国家深部探测项目对方法比对研究的需求，同时为辽西葫芦岛东部进行首次区域地震勘探井深设计提供依据，为后期数据处理提供准确的静校正量，笔者基于地表相似系数的表层模型建立方法对辽西葫芦岛东部进行了表层速度建模。

1 辽西葫芦岛东部地表条件

辽西葫芦岛东部地区以山地为主，出露的地层为典型的华北型。该测区地表起伏较大，地势总体呈西北高、东南低的趋势，为松岭山脉延续分布丘陵地带。此次实验测线长16.9km，为西北－东南走向，桩号西北小，东南大，海拔高程为4～191m；中部至南部海边为农田，土层厚度小于0.5m，海拔高程8～80m；交通发达、人口密度大、地面干扰源多；北部为山区，地表裸露岩石，起伏较大且通行困难。该测区发育地层比较齐全，包括太古宇［15］、元古宇［16－17］、古生界、中生界［18］及新生界。大部分地段出露地层为太古宇变质岩或岩浆岩，局部小面积出露沉积岩。

2 表层结构速度建模原理

2.1 微测井工作原理

微测井按照实现方式不同分为地面微测井［19］、井中微测井和双井微测井［20］等。参照表层调查实验点多种方法比对实验结果，笔者采用井中微测井方法。井中微测井采用井中激发，地面接收的方式，得到透射波［21－22］记录，根据透射波初至时间来研究近地表结构。

井中微测井通过改变炸药或雷管在井中的激发位置获得不同的初至时间。激发时井中注水，确保与大地良好耦合［23］，以得到可靠、有效的微测井地震记录。

得到微测井地震记录后，把透射波的初至时间转化为井口位置自激自收［24］的垂直时间T0，设i点的垂直时间为T0i，则

其中：ti为i点的初至时间；Hi为激发点i的深度；d为井检距。

将转换后的时间T0与对应的深度置于时间－深度坐标系。不同深度的T0位于同一速度层内时，点的分布为一直线，直线斜率的倒数即为该层的层速度。2条直线的交点为上下层介质的分界面。

2.2 地表速度模型建立原理

微测井点的数量有限，得到的微测井解释成果不足以代表整条测线的表层情况。为了获得整条测线的低、降速层厚度和速度，需要建立近地表模型。近地表与界面、界面与界面之间存在近代沉积的连续性和继承性，它们之间具有一定的相干关系。可以利用表层调查结果和层间的这种相干关系，建立整个工区表层模型［25］。

设A、B为2个微测井点，水平距离为D1，低速层的厚度和速度分别为ZA、ZB、vA、vB，如图1所示。

图1 表层模型建立示意图Fig.1 Schematic of surface modeling

设层间关系系数为K，A、B之间地面上任意一点为G。由A、B2点低速层厚度直线内插得到G点的厚度为ZAB，并把内插直线与G点的竖线交点记为C，G与C点的高程差为H，则G点的低速层厚度ZG为

其中：EG为G点的地表高程；EC为C点的地表高程，由A、B2点的地表高程直线内插得到。H＝EG－EC：当C点位于G点以下时，H为正值；当C点位于G点以上时，H为负值。

G点的速度vG为

其中，D2为A与G间的水平距离。

设N为一定范围内的控制点数，则层间关系系数K为

其中：E1，j为第一个界面第j点的高程；¯E1为第一个界面一定范围内的平均高程；E2，j为第二个界面第j点的高程；¯E2为第二个界面一定范围内的平均高程；Em，j为（E1，j－¯E1）和（E2，j－¯E2）中较大的一个。当K＝1时，高速层顶界面和地表高程面完全相似；当K＝0时，高速层顶界面和地表高程面无关，完全为搜索半径内控制点高速层顶高程线性平滑。

根据公式（2）、（3）、（4），可逐一计算测线内其他物理点表层的层速度和厚度。

3 微测井采集方法设计及参数

3.1 微测井采集方法设计

该测区内地表黄土层较薄，为保证每个层位不少于4个控制点，浅层激发点加密。该测区以山地为主，大多数井潜水面较深，为保证每次都在水中激发，激发过程中需要不断补充水源。利用Google Earth、地形图等工具，提前适当调整微测井点位，尽量选择离道路近的井位进行微测井，保证供水便利。为防止炸药在井中激发时对井壁造成破坏，激发改用雷管，激发前注水时往井中倒入适量膨润土保护井壁。向井中注水过程中，容易冲掉井壁上的碎石，使碎石脱落，测井后测井电缆拔不出来造成生产井浪费，选择测井点位时适当微调，选择井况较好的井，且注水过程采取保护井壁措施，微测井电缆下井时，与井底保留一定距离，防止雷管激发后掉落物堆积在井底拔卡住微测井电缆。

3.2 微测井采集参数

经过试验，确定施工因素。采用 WZG-24A地震仪，采集时采用固定增益12dB，记录长度0.5s，采样率0.2ms。自上而下各激发点雷管数量均为1发，以雷管底部对齐爆破电缆的标记处为准。采取相应的防浮措施，确保每一层位至少有4个控制点（个别低速层很薄的点不少于3个），井中激发点间距布设遵循上密下疏的原则，0.50～5.00m激发间距为0.25m，6.00～10.00m激发间距为0.50m，10.00m以下激发点间距为1.00m，具体实施时依据低降速层变化情况微调激发点距。采用型号为PS-38的单只检波器，共12道，扇形摆放接收，为保证检波器与井口高差，1－5道距井口1.00m，6－12道距井口2.00m，如图2所示。

4 微测井解释及速度建模结果

山地微测井工作存在困难，邻区微测井工作开展较少。建昌辽河油田2008年和2012年的2次山地勘探，2008年生产物理点2 587个，只有6口微测井，2012年有所提高，5 506个物理点中也仅有46个微测井点，其他点位的表层工作用准确度和困难性都较小的小折射代替。

此次实验，该区生产物理点234个，2013年1月到2013年4月完成井中微测井8口，平均每2 km 1个点。

图2 井中微测井观测系统示意图Fig.2 Schematic of well-microlog observing system

4.1 微测井解释结果

按照野外施工方法得到8口井的炮集记录，用克朗软件绘制时深曲线。以12304桩号为例，该桩号微测井井深18m：0.75～4.25m激发点间距为0.25m，4.5～9.5m 激发间距为0.5m，11～18m激发间距为1m，炮集记录如图3所示。根据得到的炮集记录，得到微测井解释成果（图4）。由图4可见，该微测井点近地表分为4层。其中：低速层的速度为798m/s，厚度为2.39m；降速层的速度为2 354m/s，厚度为4.61m；在低速层和降速层之间存在速度为5 112m/s、厚度为2.11m的较薄高速夹层；该微测井点处高速层1顶界面的埋深为9.11 m，速度为4 887m/s。

微测井的表层结构计算结果如表1所示。由表1可见：高速层速度为2 878～4 887m/s，顶界面埋深为4.50～9.56m，平均为6.36m；低速层速度为349～993m/s，平均厚度为3.34m；工区东侧12304号桩附近地下3m处有约2m的较薄高速层。同时，对留作井中微测井的8口生产井进行岩性录井，结果为6口井处地表被较薄的黄土覆盖，2口井花岗岩出露；高速层顶界面最厚处为7.50m左右，岩性以花岗岩为主，1口井为石英砂岩，2口井为凝灰岩。

图3 12304桩号井中微测井炮集记录Fig.3 Shot gather of uphole in pile No.12304

图4 12304桩号井中微测井时深曲线Fig.4 Time-depth curve of uphole in pile No.12304

表1 微测井解释结果Table 1 Interpretation results of uphole

4.2 速度建模结果

根据式（4）和表1的微测井解释成果，计算可得地表相似系数，如图5所示。

图5 地表相似系数Fig.5 Similarity coefficient of near-surface

由图5可见：整个测区低速层的相似系数均较大，为0.9～1.0，说明该测区低速层的连续性较好；降速层和高速层1相似系数左侧较小，中间较大，右侧介于两者之间，可见降速层和高速层1在测线西北端变化最剧烈，连续性也较差；中间区段连续性较好，东南段介于两者之间。

由激发点坐标、高程，接收点坐标、高程，以及微测井解释成果、相似系数，得到该工区厚度分布（图6）和速度分布（图7）。

由图6可见：低速层厚度变化不大，为1～5m，平均厚度为2.9m；降速层厚度除个别区段厚度变化较大外，大部分区段位于10m之内，平均厚度为8.7m；结合8口微测井结果，高速层顶界面平均厚度为9.7m。根据经验值，最佳激发井深在高速层顶面以下约4m为宜，本测区的药量试验确定激发药量为8kg，药柱长度为2m，考虑到部分区段高速层较深，设计激发井深13～15m。

由岩性录井结果知，13～15m处激发岩性主要为致密的花岗岩。

图6 表层厚度分布图Fig.6 Distribution of surface thickness

图7 表层速度分布图Fig.7 Distribution of surface velocity

由图7可见：低速层速度变化较小，在1 000 m/s内；降速层速度测线两端较中间低，测线两端速度变化较平缓，总体为1 000～2 800m/s；高速层1速度变化大，在10500桩号附近较低，范围为2 800～4 900m/s。

根据解释成果及建立的模型，得到静校正量数据，并绘制表层界面高程图（图8），为工区的静校正提供了真实可靠的数据。

为消除地表高程差大对低、降速层变化的影响，更好地了解表层厚度和速度的变化，将图8地表拉平，得到地表拉平后的表层剖面图（图9）。由图9可见测线内近地表的速度分布以及各速度层的厚度分布。在深度15m处，除10500桩号附近速度较低外，大部分区段速度高于2 800m/s，从而验证了设计激发井深13～15m的合理性，激发进入高速层，由岩性录井结果可知激发岩性主要为致密的花岗岩。

图8 表层界面高程图Fig.8 Elevation of surface interfaces

图9 地表拉平后表层剖面图Fig.9 Surface profiles after leveling the surface

5 结论

1）该工区地形起伏大，测线西北端表层速度和厚度变化大，中间段连续性较好，东南端变化较缓和。

2）该测区表层分2～3层：低速层厚度为1.68～4.33m，速度为349～993m/s；降速层厚度为1.82～5.23m，速度为989～24 481m/s；高速层1埋深为4.64～12.28m，速度为2 878～4 887m/s。

3）表层结构建模不仅为静校正提供了数据，同时也为激发井深选择提供了依据。

（

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