總 第 237 期2009 年 第 7 期計 算 機 與 數 字 工 程 37 7132　　基 于 L 地 震 正 演 模 型 實 現 3賈 躍 瑋 1) 　 楊 　 銳 2)(中 國 地 質 大 學 地 下 信 息 探 測 技 術 與 儀 器 教 育 部 重 點 實 驗 室 1) 　 北 京 　 100083)(川 慶 鉆 探 工 程 有 限 公 司 地 質 勘 探 開 發 研 究 院 2) 　 成 都 　 610059)摘 　 要 　 人 工 合 成 地 震 正 演 模 型 是 進 行 三 維 模 型 計 算 的 基 礎 ,在 地 震 勘 探 領 域 具 有 重 要 意 義 。 針 對 地 震 勘 探 原 理 ,作 者 運 用 大 數 學 計 算 和 圖 像 可 視 化 功 能 ,對 一 個 三 層 介 質 模 型 制 作 二 維 人 工 合 成 地 震 記 錄 。 文 章 說 明 地 震記 錄 形 成 的 物 理 機 制 ,介 紹 了 地 質 模 型 的 構 造 及 參 數 選 擇 ,針 對 具 體 地 質 模 型 制 作 合 成 地 震 記 錄 ,成 功 驗 證 了 褶 積 模 型原 理 。關 鍵 詞 　 地 震 　 正 演中 圖 分 類 號 　 4A A BJ 　 ry , 100083)( , 610059)t A f is t he D p on t he p of t he A B t o a of a t p p is at t he p of t he t he st of t he In t he p of t he p ap t he of on t he sp is p y w L f u m 41 　 引 言地 震 勘 探 是 利 用 地 下 介 質 彈 性 和 密 度 的 差 異 ,通 過 觀 測 和 分 析 大 地 對 人 工 激 發 地 震 波 的 響 應 ,推斷 地 下 巖 層 的 性 質 和 形 態 的 地 球 物 理 方 法 。 地 震勘 探 是 鉆 探 前 勘 測 石 油 與 天 然 氣 資 源 的 重 要 手 段 ,在 煤 田 和 工 程 地 質 勘 查 、 區 域 地 質 研 究 和 地 殼 研 究等 方 面 ,也 得 到 廣 泛 應 用 。人 工 合 成 二 維 地 震 模 型 記 錄 是 各 種 復 雜 地 震模 型 正 演 計 算 的 基 礎 ,是 對 地 震 勘 探 經 典 理 論 的 忠實 實 現 。 在 實 際 工 作 中 ,針 對 具 體 地 質 構 造 進 行 二維 地 震 模 擬 能 夠 有 效 幫 助 地 球 物 理 工 作 者 在 地 震剖 面 上 識 別 各 種 地 質 現 象 。 L 司 于 1984 年 推 出 的 一 款 數 學 軟 件 ,是 用于 工 程 科 學 計 算 的 高 效 率 編 程 語 言 [ 2～ 3 ] 。 2 僅 在 數 值 科 學 計 算 上 獨 占 鰲 頭 ,而 且 圖 形可 視 化 和 圖 像 處 理 能 力 也 毫 不 遜 色 [4～ 6 ] ,特 別 適 合人 工 合 成 地 震 記 錄 的 快 速 實 現 。 因 此 ,本 文 在 境 下 設 計 了 一 個 三 層 地 質 模 型 ,并 對該 模 型 模 擬 了 地 震 記 錄 ,旨 在 可 視 化 地 觀 察 地 震 波場 記 錄 特 征 并 驗 證 地 震 褶 積 模 型 。2 　 地 震 記 錄 形 成 的 物 理 機 制在 地 震 記 錄 上 看 到 的 波 形 是 地 震 子 波 疊 加 的3 收 稿 日 期 :2009 年 3 月 23 日 ,修 回 日 期 :2009 年 4 月 21 日作 者 簡 介 :賈 躍 瑋 ,男 ,碩 士 研 究 生 ,研 究 方 向 :地 震 資 料 解 釋 。 楊 銳 ,研 究 方 向 :勘 察 地 球 物 理 。第 37 卷 (2009)第 7 期 計 算 機 與 數 字 工 程 133　　結 果 ,從 地 下 許 多 反 射 界 面 發 生 反 射 時 形 成 的 地 震子 波 ,振 幅 大 小 決 定 于 反 射 界 面 反 射 系 數 的 絕 對值 ,極 性 的 正 負 決 定 于 反 射 系 數 的 正 負 ,到 達 時 間的 先 后 取 決 于 界 面 深 度 和 覆 蓋 層 的 波 速 [1 ] 。 若 地震 子 波 波 形 用 S ( t) 表 示 ,反 射 系 數 是 雙 程 垂 直 反射 旅 行 時 t 的 函 數 ,用 R ( t) 表 示 ,地 震 記 錄 f ( t) 形成 的 物 理 過 程 在 數 學 上 就 可 表 示 為 :f ( t) = S ( t) 3 R ( t) =∫τ ) R ( t 子 波 和 反 射 系 數 資 料 常 常 不 易 取 得 ,因 此計 算 時 常 做 這 樣 一 些 假 設 :1)地 質 模 型 的 建 立 是 來 自 大 量 觀 察 實 際 地 質結 構 的 經 驗 性 歸 納 總 結 。2)為 了 模 型 建 立 和 計 算 過 程 中 突 出 理 論 數 值 ,去 除 了 一 些 干 擾 因 素 ,對 一 切 衰 減 、 噪 聲 都 不 進 行考 慮 。3)地 層 在 橫 向 上 均 勻 ,縱 向 上 是 由 大 量 具 有 不同 彈 性 性 質 的 薄 層 構 成 。4)地 震 子 波 以 平 面 波 形 式 垂 直 入 射 到 界 面 ,各薄 層 的 反 射 子 波 與 地 震 子 波 形 狀 相 同 ,只 是 振 幅 及極 性 不 同 。5)所 有 波 的 轉 換 、 吸 收 及 繞 射 等 能 量 損 失 都 不考 慮 。基 于 以 上 假 設 條 件 進 行 地 震 記 錄 合 成 就 必 須已 知 地 震 子 波 以 及 地 層 的 反 射 系 數 ,而 反 射 系 數 又主 要 由 地 層 的 波 阻 抗 反 映 ,所 以 必 須 首 先 獲 取 地 層的 速 度 和 密 度 資 料 。 速 度 資 料 可 通 過 連 續 速 度 測井 獲 得 ,密 度 資 料 可 從 密 度 測 井 獲 得 ,得 不 到 密 度資 料 時 ,可 近 似 假 定 密 度 不 變 ,以 速 度 曲 線 代 替 波阻 抗 曲 線 來 計 算 反 射 系 數 。 加 德 納 根 據 實 際 資 料提 出 了 一 個 由 速 度 推 算 密 度 的 經 驗 公 式 :ρ = 0. 23V 0. 25 (速 度 單 位 :s)或ρ = 0. 31V 0. 25 (速 度 單 位 :m/ s)沒 有 速 度 測 井 資 料 時 ,若 有 電 阻 率 測 井 曲 線 ,則 可 用 法 斯 特 公 式 :V = K H 16 R 16其 中 ,V 是 速 度 , K 是 一 個 與 巖 石 性 質 有 關 的 參 數 ,R 是 電 阻 率 , H 是 深 度 。已 知 地 震 子 波 是 合 成 地 震 記 錄 的 一 個 很 重 要的 前 提 條 件 。 在 已 有 的 地 震 記 錄 上 選 取 地 震 子 波的 具 體 方 法 如 下 :1)在 地 震 記 錄 上 識 別 出 單 波 ,做 出 單 波 波 形 ,再 反 復 試 驗 ,檢 查 找 出 符 合 實 際 的 子 波 。2)根 據 已 總 結 出 的 地 震 子 波 特 點 ,采 取 具 有 特殊 數 學 表 達 式 的 波 形 表 示 ,如 雷 克 子 波 等 。3)使 用 非 炸 藥 震 源 時 記 錄 的 震 源 子 波 波 形 。4)利 用 實 際 地 震 記 錄 ,采 取 數 字 處 理 方 法 在 一定 的 假 設 條 件 下 求 取 地 震 子 波 。5)在 擁 有 井 中 觀 測 初 至 紀 錄 時 ,可 考 慮 使 用 初至 波 做 子 波 波 形 。6)在 擁 有 聲 波 測 井 資 料 和 井 旁 地 震 記 錄 X ( t)時 ,反 射 系 數 曲 線 R ( t) ,地 震 子 波 S ( t) ,可 由 X ( f )= S ( f ) 3 R ( f ) 得 子 波 的 譜 S ( f ) = X ( f ) / R ( f ) ,再 對 上 式 作 反 傅 氏 變 換 得 地 震 子 波 波 形 S ( t) 。3 　 地 質 模 型 的 建 立地 質 及 地 球 物 理 學 研 究 表 明 ,地 表 之 下 的 地 質結 構 是 極 其 復 雜 的 。 地 質 構 造 是 指 地 殼 中 的 地 層在 巖 層 地 殼 運 動 的 作 用 下 發 生 變 形 與 變 位 而 遺 留下 來 的 形 態 [1 ] 。 本 文 中 采 用 的 是 一 個 三 層 水 平 層狀 均 勻 介 質 模 型 ,即 假 設 有 發 育 在 三 個 不 同 時 期 的水 平 層 狀 沉 積 巖 層 。 同 時 ,為 了 體 現 地 震 勘 探 在 石油 、 天 然 氣 勘 探 領 域 的 應 用 效 果 ,作 者 結 合 實 際 地質 資 料 模 擬 了 地 下 儲 層 含 有 石 油 的 情 況 。一 般 情 況 下 ,隨 著 埋 藏 深 度 越 來 越 大 ,巖 石 的 地震 波 傳 播 速 度 會 越 來 越 大 。 深 層 的 巖 石 地 震 波 傳 播速 度 通 常 要 大 于 淺 層 巖 石 的 傳 播 速 度 。 而 流 體 的 傳播 速 度 較 巖 石 的 傳 播 速 度 要 小 很 多 。 比 如 ,砂 巖 的地 震 波 傳 播 速 度 一 般 在 1800 m/ s～ 4000 m/ s ,石 油的 傳 播 速 度 一 般 為 1300 m/ s～ 1400 m/ s。 在 模 型 建立 的 過 程 中 ,作 者 參 照 了 實 際 地 質 構 造 及 各 種 巖 石的 速 度 資 料 ,確 定 了 三 層 水 平 層 狀 均 勻 介 質 的 速 度及 深 度 參 數 。 儲 層 含 油 地 質 模 型 如 圖 1 所 示 :圖 1 　 含 油 地 質 模 型圖 2 　 對 比 地 質 模 型在 該 地 質 模 型 中 ,作 者 設 計了 一 個 含 油 層 ,并 使 該 含 油 層 包裹 在 砂 巖 環 境 中 ,各 層 的 速 度 及深 度 參 數 如 模 型 中 所 示 。 此 外 ,為 了 更 加 直 觀 地 顯 示 地 震 勘 探的 效 果 ,本 文 提 供 了 一 個 參 照 模型 ,該 模 型 中 沒 有 設 計 含 油 速 度134　　 賈 躍 瑋 等 :基 于 地 震 正 演 模 型 實 現 第 37 卷突 變 層 ,在 地 震 模 擬 記 錄 參 數 不 邊 的 條 件 下 用 來 比照 含 油 模 型 的 效 果 。 模 型 構 造 及 參 數 如 圖 2。4 　 地 震 模 型 正 演根 據 褶 積 理 論 ,結 合 地 質 模 型 ,作 者 在 境 中 編 寫 程 序 實 現 了 二 維 地 震 正 演 。 首 先 ,為 了 最 大 可 能 的 與 實 際 情 況 相 符 合 ,地 震 模 型 中 使用 的 子 波 是 穩 定 可 實 現 的 子 波 [8 ] ,如 圖 3。圖 3 　 子 波該 子 波 是 最 小 相 位 子 波 ,有 時 稱 為 前 載 子 波 ,其 能 量 集 中 在 整 個 波 形 的 前 端 。 由 于 大 多 數 脈 沖地 震 震 源 (如 炸 藥 震 源 ) 產 生 的 原 始 脈 沖 是 接 近 最小 相 位 的 ,因 此 在 地 震 正 演 模 型 中 的 地 震 子 波 選 取一 般 都 選 擇 最 小 相 位 型 子 波 [ 7 ] 。 二 維 地 震 正 演 模型 實 現 的 主 要 程 序 及 關 鍵 步 驟 注 釋 如 下 :n = 5000 ; 　 　 采 樣 點 數 50 ; 　 　 道 間 距 0. 002 ; 　 　 采 樣 間 隔 3 ; 　 　 界 面 數m = 80 ; 　 　 道 數 [1000 1500 2000 2500 ] ; 　 　 第 1 層 速 度 [1000 1500 1300 2500 ] ; 　 　 第 2 層 速 度 [1000 1500 2000 2500 ] ; 　 　 第 3 層 速 度h (1 ,1) = 800 ;h (2 ,1) = 1200 ;h (3 ,1) = 1800 ; 　 　 該 模 型 為 各 層 平 行 ,無 傾 角 (m/ 2 + 1) 3 n 3 　 　 坐 標 范 圍p = 2 ; 　 　 圖 像 中 顯 示 數 字以 下 部 分 為 子 波 采 樣 200 ;f = 20 ; 60 ;b = 30 ; 　 　 子 波 參 數 0 : ( 1) 3 2 3 f 3 . 3 - b 3 ; 　 　 視 速 度 h (3 , :) . 3 1 :; h (3 , :) . / 1 :; h (3 , :) . 3 1 :; h (3 , :) . / 1 :; h (3 , :) . 3 1 :; h (3 , :) . / 1 :;i = 2 :i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ;i) = i) + i - 1) ; ) ; ) ; ) ;1) = 1) ;1) = 1) ;1) = 1) ;以 上 程 序 段 使 用 循 環 控 制 各 個 層 速 度 變 化i = 1 : 　 設 定 反 射 面 深 度j = 2 :i ,j) = h (i ,j - 1) m/ 2) ; 　 　 炮 檢 距= 0 ;= 0 ;= 0 ; (1 :m) 3 (1 :m) 3 (1 :m) 3 i = 1 : 　 反 射 系 數i) = 3 3 (i + 1) - i) ) / (i + 1) + i) ) ;i) = 3 3 (i + 1) - i) ) / (i + 1) + i) ) ;i) = 3 3 (i + 1) - i) ) / (i + 1) + i) ) ; n ,m) ;b = 180 ; 　 　 劃 分 網 隔i = 1 : 　 一 次 反 射 波j = 1 :80if j 30 & &j < = 50 ;z = 2 3 h (i ,j) / i) ;t = z/ ;x (t ,j) = x (t ,j) + i) ; 2 3 h (i ,j) / i) ;t = z/ ;x (t ,j) = x (t ,j) + i) ;7 卷 (2009)第 7 期 計 算 機 與 數 字 工 程 135　　1) ; 　 　 褶 積 處 理 及 道 集 成 像 n + 1 ,m) ; (0 : (n + 2) ) 3 i = 1 : : ,i) = x ( : ,i) ,+ (i - 3 : ,i) ,‘ b’ ) ;[ - 0 ,) ;‘ 時 間 t’ ) ;在 L 境 中 調 試 程 序 無 誤 后 ,運 行 該程 序 可 以 得 到 基 于 含 油 地 質 模 型 的 地 震 正 演 波 形記 錄 ,如 圖 4 所 示 。與 之 形 成 對 比 的 是 不 含 速 度 突 變 層 的 水 平 三層 地 質 模 型 地 震 正 演 記 錄 ,如 圖 5 所 示 。圖 6 　 含 油 地 質 模 型地 震 響 應 波 形 局 部 放 大 圖對 比 以 上 兩圖 可 以 得 出 ,在 深度 和 地 震 波 傳 播速 度 相 同 的 區 域 ,由 于 子 波 相 同 ,在模 型 層 參 數 相 同的 整 個 局 部 地 震響 應 波 形 是 相 同的 ,差 別 在 于 是 否存 在 傳 播 速 度 突變 層 。 在 含 油 模 型 中 ,由 于 速 度 突 變 層 的 存 在 ,在突 變 層 邊 緣 處 發 生 了 波 形 干 擾 ,相 位 極 性 發 生 翻轉 ,在 速 度 突 變 層 底 界 面 振 幅 增 強 產 生 “ 亮 點 ” 現象 ,整 個 速 度 突 變 層 振 幅 較 其 他 層 有 明 顯 增 大 。 在地 震 波 頻 率 屬 性 部 分 ,對 兩 模 型 的 地 震 波 記 錄 進行 頻 率 測 量 。 發 現 速 度 突 變 層 的 頻 率 較 對 比 模 型的 頻 率 小 一 些 ,這 也 印 證 了 若 儲 集 層 的 儲 集 性 能 變好 、 儲 集 層 中 聚 集 了 油 氣 ,會 造 成 地 震 反 射 波 頻 率下 降 的 經 驗 理 論 。在 局 部 放 大 圖 中 可 以 看 到 明 顯 的 振 幅 變 化 特征 。5 　 結 語本 文 利 用 大 數 據 處 理 和 圖 形 顯示 功 能 ,實 現 了 對 具 體 地 質 模 型 構 建 二 維 地 震 波 場正 演 ,檢 驗 了 地 震 勘 探 中 的 褶 積 模 型 。 該 地 震 正 演模 型 可 以 與 其 他 專 業 地 震 正 演 軟 件 所 得 結 果 相 媲美 。 L 供 了 良 好 的 數 學 語 言 ,減 少 了 程序 編 寫 的 工 作 量 ,這 一 點 克 服 了 用 其 他 語 言 編 制 地震 正 演 模 型 困 難 的 缺 點 。 從 L 件 的 使用 方 便 程 度 來 看 ,它 遠 非 一 般 的 編 程 語 言 環 境 所 能比 擬 。 本 文 也 有 一 定 的 不 足 之 處 , 當 需 要 對 模 型參 數 修 改 時 ,只 能 在 原 程 序 代 碼 中 對 具 體 參 數 進 行編 輯 ,尚 未 實 現 模 塊 可 視 化 功 能 ,在 以 后 的 研 究 中有 必 要 進 一 步 開 發 該 程 序 ,以 達 到 方 便 快 速 實 現 正演 模 型 的 目 的 。參 考 文 獻[1 ]姚 姚 . 地 震 波 場 與 地 震 勘 探 [ M ]. 北 京 :地 質 出 版社 ,2006[2 ]劉 衛 國 . L 序 設 計 教 程 [ M ]. 北 京 :水 利水 電 出 版 社 ,2005[3 ]周 艷 萍 . 基 于 L 現 地 震 速 度 切 片 成 圖[J ]. 工 程 地 質 計 算 機 應 用 ,2008 , (3) :21[4 ]張 劍 . 基 于 發 環 境 的 球 體 重 力 正 演[J ]. 工 程 地 球 物 理 學 報 ,2007 ,4 (5) :461[5 ]張 彬 . 一 種 基 于 地 震 視 應 變 計 算 方 法的 實 現 [ C]. 地 殼 構 造 與 應 力 文 集 ,2006 (18) :139[6 ]王 正 林 . 精 通 M ]. 北 京 :電 子 工 業 出 版社 ,2007[7 ]張 勝 業 ,潘 玉 玲 . 應 用 地 球 物 理 原 理 [ M ]. 武 漢 :中國 地 質 大 學 出 版 社 ,2004[8 ]陳 義 群 . 基 于 工 程 物 探 軟 件 快 速 開 發[J ]. 地 球 物 理 進 展 ,2004 ,19 (4) :802

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總結

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