地震学百科知识（十）勘探地震学＊

张先康

（中国地震局地球物理勘探中心，郑州450002）

地震科普

地震学百科知识（十）勘探地震学＊

张先康

（中国地震局地球物理勘探中心，郑州450002）

引言

勘探地震学是用人工方法激发向地下传播的地震波，通过观测和分析地下岩层对激发地震波的响应结果，用以推断地下岩层的结构形态和物理性质的学科，是应用地球物理学的一个分支学科［1］。

勘探地震学是20世纪初期为寻找石油和天然气矿床而发展起来的；20世纪中叶，勘探地震学的研究方法被用来研究地壳深部结构，俄国学者称其为深地震测深法（deep seismic sounding，DSS）。此后，在地震学研究领域，勘探地震学方法一直是研究地壳详细结构的主要方法之一。

1 反射波法（reflection seismology）

在地面或水中激发、并在不同位置观测地下界面反射波的人工地震勘探方法［2-3］。被观测的目标层与上覆地层之间应有一定的波阻抗差异。该方法对划分具有一定厚度的沉积地层层序、探测隐伏断层等地质构造方面效果较好。由于反射波法一般在激发点附近（在目标层的首波盲区之内）观测，受激发时产生的干扰及地表结构的影响较大。为获取质量良好的反射资料，在地震反射波法勘探中广泛利用多次覆盖技术，以达到压制干扰提高地震资料信噪比的作用。

地震波在传播过程中，遇到介质的弹性分界面时会产生反射和透射，根据反射定律，反射角等于入射角，并且入射线和反射线与界面法线在同一平面内（图1）。

图1 平面波的入射、反射和透射

当地震波垂直入射到界面时，反射波振幅Ar与入射波振幅Ai之比有如下关系：

式中R为反射系数，Z1和Z2分别为界面两侧介质的波阻抗。

当界面两侧介质的波阻抗相同时（即Z2＝Z1），在界面上只有透射波而不产生反射波；只有当界面两侧介质的波阻抗有差异时（即Z2≠Z1），才会产生反射波。界面两侧的波阻抗差（Z2-Z1）越大，反射波强度越强；界面两侧的波阻抗之和（Z2＋Z1）越大，反射波的强度就越弱。由于地层的波阻抗一般随着深度的增加而增大，因此，当有相同的波阻抗差时，深层的反射波比浅层的反射波弱。

反射地震记录中包含着多种信息，其中，反射波的旅行时t和震源到检波器之间的距离x的关系，称为时距曲线t（x）。利用时距曲线可研究地下反射界面的几何形态和地质构造；利用地震反射记录中的地震波振幅、相位、频率、速度、振动的偏振方向，以及其他参数所表现出的反射波的动力学特征，能给出有关地层岩性、沉积环境等方面的信息。

反射波地震勘探需要的设备包括地震波激发源、接收装置和记录系统3个组成部分。①地震波激发源：陆地勘探中，主要采用爆破震源、机械式脉冲震源和可控震源；水域勘探中，主要采用电火花震源和空气枪。②地震波接收装置：地震波的接收可采用各种类型的检波器，在陆地，通常使用带尾锥的速度检波器接收地震波；在水域则使用对压力敏感的水中检波器（即压敏检波器、水听器）或海底三分量检波器。③地震数据采集仪器：地震反射记录系统通过对接收到的地震波进行放大、滤波和增益控制来实现地震资料的采集。为确保强信号不出现限幅，弱信号也能被可靠地记录下来，地震仪器应具有足够大的动态范围。为提高工作效率和满足高的覆盖次数，地震记录还需要有足够的记录道数。

2 折射波法（refraction seismology）

利用人工激发的地震波，在地面不同位置观测沿地下高速层顶面滑行的地震波来研究地下结构和构造的人工地震勘探方法［1］。通常被用于测定弹性波速度、覆盖层厚度、界面起伏形态、断裂破碎带以及深部构造探测。但该方法对薄层和小构造的分辨能力差，一般来说采用该方法不能探测速度逆转层（下层速度比上层速度低的地层）。

当界面之下的介质波速v2大于上覆介质波速v1，且波的入射角等于临界角θ时，透射波就会变成沿界面以v2传播的滑行波，由滑行波在上部介质中激发出新的波动，即地震折射波（图2）。在临界角以外（图2中A点右侧）不远处，分界面上任意一点的滑行波会比反射波先到达地表的观测点，所以又把折射波称为首波。在临界角之内的OA段上，是接收不到折射波的，这个范围叫做折射波的“盲区”。

图2 滑行波和折射波

在均匀水平层状介质中，折射波的视速度不变，其时距曲线为直线，时距曲线斜率的倒数就是折射波的视速度，等于地震波沿下伏介质顶面的滑行速度。由出现折射波的起始点坐标x＝2h·tgθ可以看出，界面埋深越深，盲区越大。在出现折射波的起始点，来自同一界面的反射波和折射波同时到达地表接收点，反射波和折射波的时距曲线在该点相交。

与反射波方法相比，观测折射波需要的炮检距比反射波方法要大得多，反射波方法的最大炮检距一般要求大约等于目标层的埋深；而在折射波勘探中，要使目标层的折射波作为初至波出现，通常合理的最小炮检距大约等于目标层埋深的3～4倍。因此，折射波勘探的探测深度越深，需要的观测长度越远，要求的震源能量也就越强。

折射波方法测量的是地下地层顶部的地震波速度，而反射波方法为了获得相应的速度信息，则要求地震波能量能穿过整个地层，且该层顶部的构造也不容易由速度分析来得到，因此折射波方法在速度测量方面具有明显的优点，特别是在速度变化较大的地方，折射波方法通常能够很好地发挥作用。在反射波方法无能为力的地方，利用折射波勘探获得的地震波速度结构，可分析和研究地下的结构和构造。

在浅层地震折射波勘探中，大多采用与反射波勘探相同的地震仪；在深地震折射波勘探中，目前主要采用点测式数字地震仪。折射波勘探的地震波激发大多采用爆破震源；当探测的目标层较浅时，也可采用机械式的脉冲震源或可控震源。由于同一目标层的折射波比反射波的频率低，因此，折射波勘探的地震波接收通常使用固有频率＜10 Hz的检波器。

3 观测系统（spread geometry）

在地震勘探中，为了获得连续完整的探测资料，必须按照一定的规则来布设地震波激发点和地震波接收点，这种激发点和接收点的相对位置关系称为地震观测系统。

根据地震波激发点和接收点的相对位置，地震勘探测线分为纵测线和非纵测线2大类。当地震波激发点和接收点分布在同一条直线上时称为纵测线，激发点和接收点分布不在同一条直线上时称为非纵测线。目前，在二维地震勘探中，主要采用纵测线工作方式；特殊情况下，为了查明大型地表障碍物下面的隐伏构造时，也采用非纵测线工作方式。在三维地震勘探中，则采用纵测线和非纵测线并用的工作方式。

在地震勘探时，为了方便野外工作的布置，常用图示法表示地震勘探的观测系统。最简明表示观测系统的方法是采用综合平面图。从分布在测线上的各个激发点出发，向两侧做与测线成45°角的直线，将测线上的接收段投影到通过激发点的直线上，用粗线或彩色线标出，称为综合平面图。其中的粗线或彩色线的交点是观测系统的互换点（图3）。

图3 观测系统综合平面图

当地下界面水平时，综合平面图上每段粗线或彩色线在测线上的投影为所勘探的界面长度，也称覆盖长度。覆盖是指对地下界面进行采样（地震道对地下界面某点反射的地震波进行记录），如果对界面上的每个点只采样一次，称为单次覆盖；若对界面上的每个点进行多次采样，则称为多次覆盖。多次覆盖观测系统是地震反射勘探中使用最广泛的一种观测系统。为了适应地震勘探中各种不同的要求，观测系统还可分为简单连续观测系统、间隔连续观测系统、延长时距观测系统、多次覆盖观测系统、非纵观测系统等。

4 静校正（statics）

为消除地形、近地表风化层厚度和速度等激发和接收条件变化对地震记录的影响而进行的时差校正称为静校正。在地震勘探时，观测面可能起伏不平，地下介质在纵横向上也可能存在不均匀现象，这些因素将使得地震记录上的初至出现不规则的变化，反射波走时的双曲线形态发生畸变，从而不能正确地反映地下的构造形态。为了改善地震剖面的质量，以便能正确地解释地下构造，就必须把上述因素引起的畸变加以校正。

静校正主要有一次静校正和剩余静校正。一次静校正是根据野外测得的近地表参数计算出静校正量，然后对不同观测点的传播时间进行校正。剩余静校正是在一次静校正未能完全消除近地表影响，包括动校正后产生的剩余动校正量的情况下，对数据中存在的剩余静校正量所做的校正。

图4 静校正前、后的地震记录

一次静校正包括井深校正、地形校正和低速带校正。剩余静校正量分为长波长和短波长分量2大类。长波长分量是由近地表因素在大范围内（大于一个排列长度）的变化所引起的时差，在一个排列内，炮点和接收点的剩余静校正量均为正或均为负，它构成了剩余静校正量中的低频背景。长波长分量对叠加效果影响不大，但会造成剖面上的地质构造形态发生畸变。短波长分量是由于近地表因素局部变化或由于观测误差引起的时差，这种时差在一个排列内或一个共中心点道集内随机出现。它的波长短、波数高，在共反射点道之间引起较大的时差，直接影响叠加效果。

5 动校正（normal moveout correction）

零偏移距记录是一种理论上的记录形式，在多次覆盖地震勘探中一般采集的是非零偏移距记录。这样，由不同共炮点记录上的不同接收道组成的共中心点道集中的各记录道将具有不同的炮检距，道集中的各记录道具有不同的反射波旅行时。为了把这些道上的反射波到时校正到零偏移距（自激自收）的反射波到时，就需要对记录进行正常时差校正（NMO），即把双曲线形状的共中心时距曲线校正为水平直线。由于正常时差△t是随着反射波t0时（炮检距为0时的反射波走时）的变化而变化的（图5），因此，这种校正也称为动校正。

动校正的主要作用就是将非零偏移距的共中心点道集，转换为近似的等效零偏移距道集，待叠加后获得等效零偏移距叠加道，进而获得等效自激自收叠加剖面。

动校正过程包括计算动校正量和动校正的实现。动校正是在叠加速度分析之后进行的，一旦获得了准确的（t0，v）数据，就可以根据反射波双曲线时距方程计算出反射波同相轴的轨迹，从而得到各道的动校正量。由于反射波的t0时是已知的，因此，在对地震数据进行动校正前，获得准确的叠加速度非常关键。地震道记录的是振幅值，它是按一定的时间间隔采样的振幅值序列。动校正是将某个时刻记录的样点振幅向时间轴的反方向移动。如果时移量是采样间隔的整数倍，只需将样点值移到新的时间位置即可；当时移量不是采样间隔的整数倍时，由于动校正后地震道上的采样点时间位置保持不变，因此不能保留原来的样点振幅值，需要根据这些振幅值插值出等间隔样点位置上的振幅值。根据动校正后样点振幅值的计算精度的不同，又可分为普通动校正、高精度动校正等方法。

图5 正常时差（△t）、动校正（NMO）和叠加示意图

6 偏移（migration）

当界面水平时，叠加剖面上所显示的反射点位置位于共中心点的正下方；当界面倾斜时，叠加剖面上的反射点位置将沿界面偏离反射点的真实位置。对地震剖面进行偏移，是使倾斜反射归位到真正的地下界面位置，并使绕射波收敛，以显示如断层面等地下界面性质的细节。偏移的目的是把反射波图像恢复到地下地层的真实图像。如果偏移处理是在已进行了共中心点叠加的资料上进行的，即称为叠加偏移或称叠后偏移。如果偏移处理是从原始地震资料开始，在叠加前就把反射点偏移到真实位置上，然后再对共反射点数据进行叠加，则称为偏移叠加或叠前偏移。偏移处理不但能够重建地下构造图像，而且，也可以提高地震勘探的空间分辨率。

偏移的分类可以按叠前、叠后来分，也可以按二维、三维来分。另外，还有时间偏移和深度偏移之分。二维偏移仅处理剖面内的反射波同相轴，没有考虑侧面波和其他三维影响；三维偏移是在三维空间内对反射波同相轴进行重新定位，因此，获得的地下构造图像更加准确。时间偏移是指速度是时间（或深度）的函数，该方法适用于叠加剖面上有绕射波或构造有倾角、横向速度变化不大的地区。深度偏移的速度结构采用一个复杂的深度剖面来表示，即速度函数由v（x，z）给出；该方法适用于叠加剖面上有构造倾角、横向速度变化较大的地区。如果存在严重的横向速度不均匀，已无法对数据进行速度分析和叠加，应采用叠前深度偏移。

截至目前，已发展了多种形式的、能在多域中实现反射波归位的偏移处理方法。常用的建立在波动方程基础上的主要有3种方法，即克希霍夫偏移、有限差分偏移和f-k偏移方法及其各种变形。

7 三维地震勘探（3D seismic survey）

地震勘探的地质和构造目标位于三维空间，震源激发产生的弹性波在三维空间中传播，传统的二维地震勘探测线记录的不仅有其垂直面内的反射，也记录到由不同方向上来的侧面波，这些波应被归位到空间真实的位置上去。此外，二维观测由于测点不够密集，难以满足有足够精度和分辨率的勘探要求。三维地震勘探的实质是通过密集测网的地震资料采集、三维数据体处理和解释技术，达到对绕射波的合理收敛和侧面波的三维空间准确归位，准确重现地下三维精细结构和构造的方法。

用三维地震勘探方法探测研究地下构造，需要根据测区条件和所要解决的地质问题设计相应的观测系统。三维地震观测系统主要有面积观测系统和线性观测系统2大类（图6）。

三维地震勘探的地震波激发震源与二维地震勘探相同，在陆地主要采用爆破震源和可控震源，在水域主要采用电火花震源和空气枪。三维地震勘探需要较多的仪器接收道数，通常为二维地震勘探所用接收道数的数倍。

三维地震勘探的目的是提高资料的信噪比和分辨率。二维地震勘探采用CMP（共中心点）叠加方法压制干扰噪声，提高地震资料的信噪比，然而，干扰噪声的分布具有空间分布特征。三维地震勘探通过把同一个面元内的数据进行叠加来压制空间噪声，以达到提高地震资料信噪比的目的。地震数据的偏移处理是提高地震资料分辨率的主要手段。三维偏移不但考虑了沿测线方向上的构造对地震数据的影响，同时，也考虑了垂直测线方向上的构造对地震数据的影响，因此，三维偏移能把地下三维地质体偏移到实际的空间位置上。另外，在地震资料解释中，还可以结合三维地震资料信息量丰富以及信噪比和分辨率高的特点，通过采用反射层位的空间对比方法、三维相干数据体分析、三维可视化等技术，对反射层位和地下构造解释施以更多的约束条件，进而提高探测精度。

图6 三维地震观测系统分类

8 垂直地震剖面（vertical seismic pro-

file，VSP）

垂直地震剖面法（VSP）是在地震测井基础上发展起来的一种地震勘探新技术。传统的地震测井和声波测井只利用直达波初至时间求取单一的地震信息（地震波速度），VSP采用与地震测井类同的工作方法，记录初至波和续至波，获取井孔附近的上行波、下行波场中的众多地震信息。

VSP的基本工作方式是在地面设置地震波激发源，沿井孔在井下布设三分量检波器，按照一定的间隔接收地震波（图7）。

图7 VSP基本工作原理

VSP勘探方法具有以下方面的特点：

（1）VSP在井下介质内部记录地震波，因此避开了近地表松散层对地震波场的影响。

（2）VSP资料不但包括了地面地震观测所能接收到的地震波场，而且还能采集到地面地震观测所不能接收到的下行直达波。

（3）VSP在地面激发，沿井孔顺序布设观测点，可以获得地面地震数据处理所需要的地震子波和精确的地震波速度。

（4）VSP采用井下三分量检波器接收，可以观测到纵波、横波和转换波等多种类型的地震波。由于各种波的到达方向不同，且随着震源和观测点的改变而改变，因此，更易于进行界面附近的地震波动力学研究。

VSP勘探所需要的探测设备包括地震波激发源、井下检波器和记录系统3个部分。①地震波激发源：由于VSP在地面激发地震波，因此，几乎所有能用于地面地震勘探的震源都适用于VSP勘探。如果工作区的随机噪声很强，采用可控震源和互相关方法能较好地压制扫描频带以外的干扰噪声，提高资料的信噪比。②井下检波器通常采用三分量检波器，检波器的外壳设置有贴近井壁的推靠装置和测距系统。③VSP记录系统一般不需要太多的记录道数，但应有足够大的动态增益和动态范围，以记录弱能量的高频地震波。

（作者电子信箱，张先康：xkzhang＠public2．zz．ha．cn）

［1］陆基孟主编．地震勘探原理．北京：石油大学出版社，1993

［2］郑绪文编著．反射波地震勘探方法，北京：石油工业出版社，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。