基于谐振原理的地震勘探方法在资源勘查中的应用

李红光，侯 铮

（黑龙江省有色金属地质勘查七〇六队，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

传统的地震勘探方法在勘测石油、天然气资源、煤田、区域地质研究和地壳研究等方面，都得到广泛应用。地震勘探是通过人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的规律与特点，以查明地下的地质构造、沉积、储层等地质特征，为寻找油气田（藏）或其它勘探目标服务的一种物探方法。地震理论经过几个世纪的论证演变，已经非常全面细致了，但是在生产使用上我们还有很多路要走[1]。

1 地质发展背景

地震研究始于19世纪中期。1845年，r.马利特使用人工激发地震波来测量弹性波在地壳中的速度，这是地震研究的开始。第一次世界大战，交战的各方都使用重炮后坐力造成的地震波来确定彼此的武器（重炮）位置。1913年前后，r.费森登在其著作中对利用反射波进行地震勘探的方法进行论述，但受限于当时的技术原因，该项技术无法达到实际应用水平。1921年，j.c.卡彻将地震反射研究应用于实际，首次在美国俄克拉荷马州记录了人造地震反射波。1930年，通过反射法地震勘探，在该地区发现了三个油田；从那时起，反射法进入了工业应用阶段。关于折射的地震研究始于20世纪初的德国，在20世纪20年代的l.明特罗普，通过折射地震勘探在墨西哥湾沿岸发现了许多盐丘。30年代，苏联，Г.А.甘布尔采夫等吸收反射法的相关技术，相应的改进了折射法；初始折射法只能记录先到达的折射波，而改进的折射法可以记录后期到达的折射波，可以更仔细地观察研究波形特性。在20世纪50年代和60年代，光点照相记录方式被模拟磁带记录方法所取代，这种方法通过为多次回放选择不同的记录，来提高记录质量。20世纪70年代，模拟磁带记录被数字磁带记录取代，建立了以高速数字计算机记录、多覆盖技术、地震计算技术为基础的完整技术体系，大大提高了记录精度和解决地质问题的能力。自20世纪70年代初以来，地震勘探已被用于研究岩石岩性及其孔隙中的流体组成。基于地震时间剖面分析的气藏“亮点”分析和基于地震反射波振幅与偏移量关系的油气储层预测(见圈闭)，成功例子很多[2]。拟测井技术可以计算地层波阻抗和层速度，在条件允许的情况下，可以达到地质分析要求的实际效果。现代地震勘探正由构造勘探演化为岩性勘探。

2 中国地震勘探技术发展

中国从1951年开始进行地震勘探，并将其应用于石油和天然气储量、煤田、工程地质和一些金属矿山的勘探。20世纪60年代，中国进入了大规模地球物理研究的阶段，在这一时期，地震研究小组不仅迅速发展，而且地震仪器也不断更新和发展。模拟带式存储的地震仪是1966年开发的，数字的地震仪是1968年开发的。在此期间，胜利、大港、江汉和其他油田被发现。20世纪80年代，中国地球物理数据处理技术和解释进步明显。中国已经建立了几个计算机处理中心，将反褶积、迁移等更复杂处理方式作为常规方法；相应波长的形状、亮点、即时的在线分析、碳和氮以及其他特殊处理也得到了广泛应用。解译技术的发展得益于计算机处理能力和水平高速进步，使解译结果更加准确可靠。20世纪80年代初，人机交互解释系统问世；解释工作站不仅提高地震解译的效率，而且将地震数据的解释和自动化提高到了一个新的水平。20世纪90年代，我国各大油田分别进行了新一轮的计算机系统的更新换代，多节点、并行算法的巨型计算机和相应的地震资料处理系统的引进，极大的推动了我国油气勘探开发技术的深入发展。地震资料解释目前主要采用从国外引进的Landmark和GeoFram工作站交互解释系统。目前国内使用的处理和解释系统主要由物探局推出的GRISYS和GRISTATION。在这十年中的核心技术有：高分辨率三维地震勘探、时间推移(4D)地震技术、三维深度偏移成像、地震资料的三维可视化解释等。

在陆地和海洋反射法、折射法这两种方法均可应用。折射法在研究很浅或很深的界面、寻找特殊的高速地层时比反射法更有效。但折射法的应用有条件限制，其要求界面下层波速必须大于上层波速，所以折射法的应用范围较窄；而反射法只对岩层波阻抗的要求有所变化，易于得到满足，因而地震勘探中广泛采用的是反射法。现在反射法作为主流的地震勘探方式，其主要采用的是时间域反射勘探方案，反射地震基于的基本原理：(回声测距原理)S=1/2×vt，即假设弹性地震波在时间和空间上的传播符合波动方程及其极限；在地表采集地震反射波序列，得到反射波的时间剖面，时间剖面经过偏移校正和时深转换后，得到的铅垂深度剖面，即以波动形式表述的波阻抗差。这种勘探方式，日趋成熟，解译越加完善，但同时受到原理因素的限制，其先天就有很多不足之处，限制了地震技术在更多领域的应用。

3 国外的地质测量点技术

1989年，日本科学家中村(Nakamura)提出了一种特殊的评估方法，该方法是在同一地面测量点上，根据水平分量与竖向分量傅里叶振幅谱比值来估计场地特征，即“中村法”。这种方法常用于研究场地的特征，并取得了许多成果。目前，国内外的研究人员也在使用这种方法研究相关的结构特征。该技术的实质是测量地下物体弹性波的谐振频率。谐振也叫共振，即当一个物体受到一定弹性频率的波的激励时，其反应的振幅被放大。我们的日常生活正有很多共振现象的实例，其中1940年，美国的全长860m的塔柯姆大桥，就是因为大风引起的共振而被吹毁。而地下地质体对地震波的反应，也是有共振现象存在的，当一定频率的振动作用于地质体时，地质体发生共振，导致地震波的振幅显著增加。所以，谐振应用于地质勘探是有一定的理论基础的；但是长期以来，人们对这一现象的认识，并没有形成理论研究体系。其主要原因是，该技术主要利用的震源是无源地震信号，需要通过多次叠加从大量弱信号数据中获取有用信息。其次，自然界的震源信号是复杂的，地质上有用的信号主要来自于地下的微弱信号。因此，在高噪声条件下，很难获得长期观测和分析的数据。因此，这些因素影响着谐振这种地震勘探方法的发展。多年来，人们普遍认识到，这种方法一般适用于灾害分析和特定类型地震研究。近年来，由于微动技术的发展，人们开始尝试在结构研究领域中使用这一技术。2016年，英国国家地质调查局基于该技术原理开发了一种被动微震技术，并尝试将其应用于碳酸盐岩溶发育和岩相变化地区研究。实验使人们惊奇地获得了诸如基岩与第四系的边界、灰岩与白云岩之间的界面以及裂缝发育区域等信息。由于技术本质上是被动微动技术的一个分支(即一种非人工源)，它省略了主动源，但是检测时间大大的增加了。

4 地震技术探测算法

我国对“中村法”以及谐振法的研究一直都在进行，但是由于受到早期的技术限制，很多想法无法实现。但是，这不影响我们对谐振法的应用推广。2005年一种基于谐振原理的勘探方法进入到油气开发中，其利用油气储层的固有频率区段发生谐振现象，来确定地下的地层位置，并以该地层位置作为油气聚集的部位。吴会良完善了该方法，利用该方法可以很好的解决油气检测成功率低的问题，从而有效地降低石油勘探的风险，提高投资回报率。油气上谐振方法的成功应用，充分说明谐振理论的科学性。谐振原理的特性代表了其有很广阔的发展空间，所以基于谐振原理的开发应用任重而道远。2017年，北京派特森科技股份有限公司董事长薛爱民博士，依托于大型计算机技术，开发并成功实践应用了地震波频率谐振勘探技术（Seismic FRP），该技术具有极高的勘探灵敏度（特别是对于中浅层），对地质属性具有超常的鉴别能力，适应复杂地表环境和地下介质环境，采集作业方便、灵活、经济、快速，数据处理快速、地质解释明确简单。

谐振勘探技术的技术原理是通过利用地震勘探中地震波的积分公式：，其稳态情况下可以进一步简化为：，由公式可知地震波振幅是几何关系G和频率及地质性质M（即传递函数）的函数，地震波传递函数M是波的频率和沿路径介质性质的函数；当地质模型为简单的双层结构时，当S1=90°时发生谐振，，最后简化为上下两层的波阻抗的比值，多层结构可以通过递推公式继续计算得到；通过公式推导最后得到，其中是输入震动振幅，是地面测量值，是我们想得到的放大倍数，放大倍数与地层的关系公式有确定公式，有了放大倍数（传递函数），可以反过来计算出地层参数；那么地下地质体的密度情况就可以通过公式计算出来，密度变化，对地质体性质的判定是直接的，相比其他地震勘探手段(面波、反射波、折射波)而言，频率谐振勘探技术增加了直接找矿、评判最优靶点的能力，以此还可以进一步得到地质体的波速，有了速度与密度，频率谐振的勘探目标体基本没有任何限制。经过实际生产应用，频率谐振技术在油气，技术矿产，工程施工，无论在深度上，精度上都达到了以往无法达到的高度；并且由于谐振原理的先天优势，其既可以利用有源地震的方式，又可以利用天然噪音作为信号，基本没有体积效应的影响，可利用的海量的数据，进行高精度的探测工作。

5 实验分析

频率谐振技术近三年才刚刚兴起，处于起步阶段，但是由于薛爱民教授的大力推广，基于这项技术的优势，在全国各地已经开展了很多实际工作，通过市场的验证，全国新的城市地质招标项目中频率谐振技术都已经被认可。仅仅三年，已经证明该技术本身的价值和优势，在精细探测方面：1mm～2mm的浅部裂缝可以成像，在深部勘探方面：40Km的深部地质完全可以成像，在属性勘探方面：对孔隙度、速度、密度、刚度、泊松比都敏感，同时这项新的技术还有许多技术尚待开发，如速度分析、偏移等。

6 结语

地震频率谐振勘探技术是一种新的地震勘探技术，该技术的勘探精度对常规物探方法形成了挑战，该技术安全环保，经济性好，对于现阶段困扰油气开发、金属矿产勘查等方面的问题，都能以另一种全新的方式提供较好的解决方案，其具备强大的开发潜力。