碳酸盐岩表层结构对地震波能量的影响

钟明寿 谢全民 常 鉴 刘少光 龙 源 刘 影(中国人民解放军陆军工程大学，江苏南京 210007； ②中国人民解放军陆军工程大学军械士官学校，湖北武汉 430075；中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所，江苏南京 210014； 宁德市公安局，福建宁德 352100)

1 引言

世界油气勘探统计数据表明，碳酸盐岩中的油、气储量和产量所占份额都越来越大。中国碳酸盐岩的油气资源量也十分丰富，累计探明石油储量22.3亿吨、天然气储量约占全国总储量的三分之一。目前碳酸盐岩中油气藏的勘探程度低、待勘探领域非常广阔。通过地球物理方法确定油气在岩层中的具体位置是开采的先决条件，其中以化爆震源激发地震波的方法因勘探范围广、精度高、费用低等优势占据重要地位。在化爆震源地震勘探中，地震波的传播路径、振动强度和波形随所穿过碳酸盐岩介质的弹性性质和几何形态发生复杂的变化，地震波能量受到诸如药量、药性、耦合方式和不耦合系数等震源激发参数以及岩层地质和地形条件等诸多因素的影响[1-11]。

通过实验室物理模型试验和典型碳酸盐岩现场爆炸地震波试验及其地震记录的相关处理和数据分析，可为优选碳酸盐岩地区爆炸地震波的震源激发参数和激发方式奠定基础。

2 碳酸盐岩与砂、泥岩的表层地质条件差异

通常在讨论多层介质地震波的传播问题时，认为每层的地层厚度Δh远大于地震波的波长λ(λ一般为70～100m)，或地震波垂直通过某层的双程旅行时间t远大于地震波的视周期T。在这种情况下，地层上、下界面的反射波不会发生叠加。相反，如果Δh远小于λ或t远小于T，则地层上、下界面的反射波将会发生明显的干涉和叠加，致使每一层面所形成的波动特点都不同于厚层。在地震勘探领域，将这类地层称为“薄互层”[12-15]。必须明确的是，这种意义下的薄互层是由岩层本身绝对厚度及波动频率(或波长)的相互关系决定的。

观察野外的灰岩和砂、泥岩地层发现：由于沉积环境的稳定性差异，灰岩地层的岩性在纵向上变化不明显，且纵向分界面(波阻抗界面)不明显或者波阻抗差很小；砂、泥岩地层的纵向岩性变化很大，单层厚度小(一般为1～2m)、层间差异大[16-18]，纵向分界面(波阻抗界面)很多，不整合面等沉积突变区或岩性变化较大的分界面的波阻抗差较大(图1)。因此，灰岩的表层地质结构表现为厚层，砂、泥岩的表层地质结构表现为薄互层，可通过薄互层反射波的相关特征表征两种表层结构的差异及对震源激发地震波能量的影响。

图1 灰岩(a)和砂、泥岩(b)地层的差异

3 不同表层结构震源激发试验

前人研究了薄互层反射波的频谱、强度、波形等动力学特征，认为炸药震源在相对柔软的固体介质中激发的地震波低频能量较大[19,20]。为研究在层状结构表层激发时地震波能量及频率的变化规律，在一块平滑、整齐的大理石上进行三组不同表层结构条件下激发的物理模拟试验。激发震源是频率为320kHz超声波震源，三种表层结构及激发方式分别为： ①在大理石上面不同深度的水中激发； ②大理石表面浇注0.7mm厚的硅橡胶层，在硅橡胶层上面不同深度的水中激发； ③大理石表面浇注1.0mm厚的硅橡胶层，在硅橡胶层上面不同深度的水中激发。即通过上述方式研究较厚储层(没有硅胶层)、不同厚度薄层(不同厚度硅胶层)的地震响应特征。大理石之上覆盖硅橡胶层是为了模拟薄互层，研究在不同水深激发的不同厚度的薄层的地震调谐效应。

图2～图4为三组模型试验的能量柱状图分析及地震记录。由图可见，在层状结构条件下不同激发深度得到的地震记录及能量分布差异明显，具体表现为：在第一种表层结构中激发深度为0时，地震能量达到最大值(图2)；在第二种表层结构中激发深度为12m时，地震能量达到最大值(图3)；在第三种表层结构中激发深度为8m时，地震能量达到最大值(图4)。可见，能量变化与激发深度没有线性关系，其中在某个激发深度上地震记录的能量达到最大。因此，不同表层结构在外界激励下的频率响应不同，层状结构岩层起到低通滤波器作用，并且对某些频率成分进行了调谐放大。

图3 第二种表层结构的激发能量柱状图(上)与地震记录(下)

图4 第三种表层结构的激发能量柱状图(上)与地震记录(下)

通过上述试验可知，当岩石表层结构存在薄互层时，将对某些频率成分产生调谐放大作用。如果适合爆破地震勘探的频率成分在这些放大的频率范围内，可认为该表层结构的地震地质条件较好，可对地震勘探所需频率调谐放大，得到能量较强的地震信号。在一般情况下灰岩表层不具备这样的条件，这是灰岩裸露地区激发条件差的原因之一。

4 灰岩表层结构接收试验

为了研究灰岩裸露区复杂的地表接收条件对地震波能量的影响，进行灰岩表层结构接收试验。在一个较为平整的灰岩裸露地面，以激发点为中心、直径为4m的圆上选择三个测点，每个测点安置3个不同类型的检波器(图5)。

本次试验采用的地震波信号测试系统如图6所示，由地震中央控制器、Geode地震采集站和检波器排列组成。整机地震记录系统有6、12、16～64道可选，采用TM视窗操作系统的全套地震软件，总道数按实际需要最大可达1000道。记录长度为标准16384样点，也可选65536样点；具备滤波功能，滤波频率由用户选择；数据格式采用标准SEG-2格式，同时可选SGOS、SEG-D和SEG-Y格式。

在中心点炮孔中使用20g乳化炸药激发获得不同接收条件的地震记录(图7)。显然，由于地表接收条件的改变，不但初至波波形差异非常大，而且反射波的差异也非常大。同一组检波器类型的不同带来的地震波波形差异远小于由表层接收条件不同带来的地震波波形差异。

图5 不同接收条件试验的检波器安置情况(a)1#测点； (b)2#测点； (c)3#测点

1#测点的1～3道3个检波器直接固定在灰岩上，灰岩表层有破碎迹象； 在灰岩上加约0.4m厚的胶泥，2#测点的4～6道3个检波器固定在胶泥上； 3#测点的7～9道3个检波器直接固定在灰岩上，灰岩表层为完整岩石结构。1、4、7道为25Hz加速度检波器，2、5、8道为10Hz加速度检波器，3、6、9道为40Hz速度检波器

图6 地震波信号测试系统

图8～图10分别为不同接收条件下25、10Hz加速度检波器及40Hz速度检波器记录的波形和频谱。由图可见：不同表层结构的地震记录的波形和频谱差异明显，说明在爆炸子波的激励下，某个层位确实对某些频率成分具有调谐作用；对于不同的检波器及表层结构，在频谱的40Hz处总有一个峰值，说明试验点附近灰岩地层的表层结构存在一个固定的频率响应，推断该响应与表层介质的结构有关。灰岩裸露区岩层的表层结构在纵、横向复杂多变，大都是基岩上覆盖着一层薄土层或基岩直接裸露于地表，同时由于风化淋滤作用和地质构造运动的影响，表层基岩结构较复杂，甚至灰岩有破碎现象。因此，在横向上地震排列接收条件的一致性较差。

图8 不同接收条件下25 Hz加速度检波器记录的波形(a)和频谱 (b)

图9 不同接收条件下10 Hz加速度检波器记录的波形(a)和频谱 (b)

图10 不同接收条件下40 Hz速度检波器记录的波形(a)和频谱 (b)

上述分析表明，爆炸地震波的产生机理为：炸药在介质中爆炸后产生的冲击波先转化为弹塑性应力波，进入弹性区为应力波，该应力波的主要能量集中在几千至上万赫兹的频率范围，在地震勘探过程中应力波的高频部分迅速衰减，而占其中份额很少的低频信号被接收。同时，地表地层在炸药爆炸的激励作用下产生相应的低频振幅响应，它和应力波混合在一起，成为地震激发的地震子波。灰岩地层由于岩层厚度和岩石密度大，造成在震源激发作用下碳酸盐岩动态响应弱，导致其地震子波能量弱，因此采集到的地震波能量较弱。同时，在灰岩裸露地区，当地下反射波到达地表时，由于表层条件一致性很差，导致反射振幅、频率和相位产生很大差异，不仅严重影响多次叠加效果，而且影响整条测线的信号采集效果，增加了地震采集技术的复杂性。

5 结论

(1)当岩石表层结构存在薄互层时，将对某些频率成分产生调谐放大作用。如果适合爆破地震勘探的频率成分在这些放大的频率范围内，则该表层结构的地震地质条件较好，能够调谐放大地震勘探所需频率，并得到能量较强的地震信号。在一般情况下灰岩表层不具备上述条件，这是灰岩裸露地区激发条件差的原因之一。

(2)爆炸应力波的主要能量集中在几千至上万赫兹频率范围，在地震勘探中，应力波的高频部分迅速衰减，而占其中份额很少的低频信号被接收。同时，地表地层在炸药爆炸的激励作用下产生相应的低频振幅响应，它和应力波混合在一起，成为地震激发的地震子波。

(3)灰岩地层由于岩层厚度和岩石密度大，在震源激发作用下碳酸盐岩动态响应弱，导致其地震子波的能量弱，因此在碳酸盐岩中采集到的地震波能量较弱；在灰岩裸露地区，岩石表层条件一致性很差，导致爆炸反射波的振幅、频率和相位产生很大的差异，增加了在碳酸盐岩地区爆炸地震勘探采集技术的复杂性。

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