瑞利波勘探中"之"字形频散曲线研究

研究了弹性层状半空间中导波的多模性问题,说明了关于瑞利波勘探中"之"字形频散曲线的形成机理.证明由单个的导波模式不可能得到"之"字形频散曲线,并从能量的角度出发,研究了各模式的实际强度与地层参数的关系,克服了从相速度的角度解释"之"字形频散曲线的困难.还深入研究了地表下低速层介质的位置、厚度及其他参数对"之"字形频散曲线的相互影响.与实际资料进行了对比分析,理论结果和实际情况基本相符.     

煤层厚度变化时地震槽波理论频散曲线计算方法及频散特征分析

槽波地震勘探利用槽波的频散特性反演煤层的结构特征,故理论频散曲线的计算是一个重要方面.使用水平层状模型假设下的面波频散曲线计算方法能够计算煤层厚度恒定模型地震槽波频散曲线;但当煤层厚度变化时该方法不再适用.基于前人水平层状均匀介质模型的面波理论频散曲线计算方法,对于含煤三层模型,本文发展了煤层厚度变化情况下的地震槽波理论频散曲线计算方法,并使用该方法计算分析了不同厚度函数模型的频散曲线形态特征.研究表明：与稳定厚度煤层相比,煤层厚度变化使得地震槽波群速度成为与频率及传播射线在水平面投影路径相关的二元函数;射线路径上煤层厚度的变化使得频散曲线在群速度方向上压缩,群速度变化范围变小,且使处于最小值位置的埃里相群速度增大;而煤层厚度的线性变化模型频散曲线只与射线首、尾处的煤层厚度有关,与煤层厚度恒定模型相比,曲线形态不发生改变;煤层厚度呈非线性变化时,频散曲线形态上可能发生改变.     

浅层结构研究中高阶模式瑞雷面波对低速层的约束

在实际中常遇到一类含有低速层的介质,其频散曲线在感兴趣的频率范围并无视觉上的交叉现象,也无明显的低速层指示。针对此类介质,基于地震反射资料中的面波信息,综合实例和数值模拟进行分析,结果显示：如果观测的基阶模式频散曲线不包含对低速层深度敏感的频段,单独基于基阶模式的频散曲线可能无法恢复模型的低速特征;但如果同时利用相同频段的多阶模式信息,即使观测的频散曲线没有明显的低速特征指示,也可以通过多模式频散信息反演重建模型的低速特征。     

瑞利波勘探中“之”形频散曲线的形成机理及反演研究

对瑞利波勘探中“之”字形频散曲线形成的物理机理进行了理论分析,研究了诸波模的传播特性及相互关系．指出在地表下存在具有水平界面的软弱夹层和地层裂缝时,瑞利波频散曲线中的“之”字形结构是低速夹层或地层裂缝中出现多模现象的结果．利用阻尼最小二乘法和遗传算法对瑞利波频散曲线反演介质参数进行了研究和分析,发现最小二乘法不适合瑞利波“之”字形反演问题研究,而用遗传算法得到了较好的结果．     

一种适合于行星探测的单台观测系统研究（英文）

近年来，地球外层空间在地球上造成灾害的风险逐渐增加.未来行星探测对提高应对太空灾害风险能力具有重要意义. 2018年，利用InSight任务收集到的地震数据对火星台站下方不同尺度的地下介质结构进行了探测；然而，单一地震台站的摆放对于大规模火星探测仍然存在很大的局限性.因此，本研究设计了一种单站观测系统，通过将单个接收站和移动源相结合的方式来收集行星地震数据，从而能够在早期地外探测中收集更可靠的地震信号.为了从地震信号中获得一维地下介质结构，讨论了高阶频散曲线成像方法在其中的应用，提出了一种高分辨率频率Hankel函数频散曲线提取方法，用于消除频散曲线中的高频部分伪影，改进了高阶频散曲线提取方法.然后将该方法扩展到多分量情况，为利用不同分量地震信号提取更多频散曲线信息提供了可能.同时，本研究所提出的数据采集系统为二维和三维地下介质成像提供了数据基础.此外，还讨论了基于单个地震台站开发汽车地震学的可能性，以解决超重车辆导致高架桥坍塌的普遍问题，说明了单个地震台站系统在地震成像和震源监测中的重要作用.     

四种典型地层的瑞雷波“之”字型频散曲线数值模拟研究

虽然MASW技术已经广泛地应用于地基检测中,但由于缺少大量理论指导,特别是数值模拟方面的研究,其应用受到限制.本文基于有限元软件LS-DYNA,通过数值模拟研究了四种典型地层（递增型地层、含软弱下伏层地层、含软弱夹层地层和硬夹层地层）由MASW方法提取的瑞雷波频散曲线的“之”字型特征.发现对于递增型地层,频散曲线不会出现“之”字型,对于其他三种地层,频散曲线则会出现不同类型的“之”字型,其中含软弱夹层地层“之”字型的位置和尺寸与软夹层的位置和层厚有较好的对应关系.本文的研究结果为实际工程中利用瑞雷波频散曲线的形状判定地层类型和软弱夹层位置提供了重要参考.     

井孔压力与地层应力集中诱导的偶极弯曲波的分裂

利用在大形变基础上叠加小扰动的非线性波动理论——声弹性理论，数值考察了井外均匀各向同性固体介质同时受井孔静压力和井外单轴水平压力作用时，Stoneley波和两种偏振的偶极弯曲波的相速度频散曲线，并研究了计算中用到的灵敏系数随频率的变化. 数值结果表明，模式波相速度频散曲线的变化主要受灵敏系数中对应的3个三阶弹性常数的项控制；由井孔周围应力集中引起的沿单轴压力方向和垂直于该方向偏振的弯曲波发生分裂，同时随频率的增大，两条频散曲线产生交叉；井孔静压力的作用使两条频散曲线交叉点的位置发生变化，交叉点相速度值随井孔压力的增加而增大，但对应的频率值不变.     

Rayleigh波频散曲线“交叉”及多模式耦合作用研究

Rayleigh波可以用来反演近地表结构,在工程物探、石油物探、地球内部结构探测中均有重要意义.数值计算得到的含低速层的层状介质对应的Rayleigh波频散曲线会出现看似“交叉”的现象,但是对于这种现象目前还没有进行系统的研究.事实上可以验证,有些看似交叉的频散曲线实际上不相交.改变低速层的厚度和横波速度发现低速层越明显（即低速层速度越低或层厚越厚）频散曲线越不容易相交.凡友华等在2007年提出频散曲线对应着四种基本模式,在频散曲线发生“交叉”现象的区域实际上存在两个以上模式的频散曲线.本文主要研究了存在R模和S₂模的区域内频散曲线的“交叉”现象.首先利用竖直本征振动曲线研究R模和S2模Rayleigh 波的振动特点,发现R模对应的本征振动主要集中在地表,随着深度变化能量快速衰减,S₂模对应的本征振动主要集中在第2层.研究“交叉点”附近频散点对应的本征振动曲线发现这一区域有些Rayleigh波同时具有R模和S₂模的振动特点,对应着一种耦合模式.通过对实例的研究发现,在“交叉点”附近,若两条频散曲线不发生交叉,则每条曲线对应的模式会发生R模和S₂模之间经由耦合模式的转变,本文称这种现象为两种模式发生耦合;若两条频散曲线相交,则同一条频散曲线上的Rayleigh波模式几乎相同,只是在离交点很近的区域会存在一些耦合模式,本文称此时两种模式不发生耦合.本文研究结果主要供Rayleigh波对低速层结构的反演研究参考.     

层状黏弹性介质中Rayleigh波频散曲线“交叉”现象分析

Rayleigh波勘探方法在探测近地表横波速度、动力学特征等环境与工程地球物理领域获得了广泛应用.这种方法以弹性层状介质理论为基础,然而实际介质具有黏弹性,研究面波在层状黏弹性介质中的传播特征,将为近地表面波勘探提供有益帮助.在某些弹性层状介质模型中,例如存在低速夹层和强波阻抗差异地层模型,Rayleigh波相邻两条频散曲线彼此会非常靠近,产生看似彼此"交叉"的现象,即"osculation"现象,但对于黏弹性介质中的这种现象并没有进行相关的研究.本文利用Muller法计算层状黏弹性介质Rayleigh波频散方程,基于层状介质模型中Rayleigh波频散和衰减曲线连续的性质,结合本征位移曲线特征,分析二层黏弹性介质模型中Rayleigh波频散曲线"交叉"现象以及"交叉"点附近的波动特性.结果表明:与弹性介质相比,黏弹性介质中Rayleigh波的波动特性存在明显差异,随着介质对地震波的损耗越来越强,将导致Rayleigh波频散曲线发生"交叉"现象.     

薄各向异性波导层的导波频散

本文说明如果能选择合适的震源机制和频带,沉积储集层的薄互层可以当作地震波导层,因而用跨井测量储集层特征时导波可能是有用的,这类导波的频散对裂隙饱和度和裂隙取向很敏感,并且可能对增加采油实用地层的特薄油层的饱和程度方面提供重要信息。本文第一部分提供了早先用于计算平面分层各向异性半空间内面波频散的方法,计算多层各向异性固体介质内部导波的频散.第二部分我们将用合成导波计算证实了各向异性的影响,它在薄油层气砂岩层中将显示裂隙产生的各向异性.     

深层地震勘探的地震波传传播理论研究前景

深层地震勘探为地震波传播理论研究提出了新的挑战和机遇。深层地震勘探的主要难点是上覆层的影响甚大，使后续的处理有隔靴挠痒之感，必须应用波场延拓消除上覆层影响。深层波速的高速性和横向不均匀性决定了大角散射和弹性波处理方法的重要性。本文具体评述了深层地震勘探的主要方法对策，深入探讨了波场延拓的李群方法和弹性反演的某些问题，目的在于为深化深层地震提供新的研究手段和方法。     

正演模拟技术在地震采集设计中的应用

随着地震勘探开发的不断深入和发展,地震勘探的主战场逐渐向复杂地区转移.复杂地区既指地表条件复杂的地区,也指地下地质构造和地层条件复杂的地区,这些都对地震勘探提出了新的挑战和更高的要求.地震正演模拟正是开展此类问题研究的一个重要手段和方法.目前市场上具有正演模拟功能的软件大多是根据射线理论采用射线追踪的方法来完成正演模拟的,这种方法不能很好地反映地震波的动力学特征,特别是在复杂地区难以得到正确的结果.本文利用高阶有限差分有效克服了常规有限差分算法求解波动方程的频散问题,并以高效的OpenMP并行计算模式进行了并行优化,较大程度上提高了正演计算的速度和精度;同时实现了二阶Higdon边界条件,改善了边界吸收效果;也在一定程度上提高了计算速度.塔中地区主要目的层埋藏深,逆断层发育,地震反射特征复杂,增加了地震勘探的难度.本文依据该地区的地质模型,利用波动方程正演技术论证了该地区的地震采集观测系统,为该区地震采集观测系统的设计提供了科学依据.     

被动源面波和体波成像在内蒙古浅覆盖区勘探应用

地震勘探具有勘探深度和分辨率的优势,在矿产勘探中多被采用.但主动源反射地震具有成本高、在矿区采集困难等难题,限制了其广泛应用.无需主动源激发、利用天然噪声的被动源地震应用于勘探,可成为其低成本替代选项.本文在内蒙古浅覆盖区矿区进行了被动源勘探试验,采用相关计算获得拟炮集记录,并基于频率域信噪比计算,在生成拟炮集前实现了面波和体波甄选,分离了面波和体波.应用面波反演的横波速剖面识别了覆盖层厚度.体波数据经反射波常规处理,获得了成像剖面.经与主动源反射剖面对比,主要结构的反射特征呈现了良好的一致性.本文试验验证了被动源勘探在内蒙浅覆盖区具有良好应用前景,为低成本的面积性勘探实施提供了新的选择.     

基于波动方程的目标导向观测系统设计方法研究

本文提出了复杂构造地区的目标导向观测系统的设计方法.使用波动方程正演模拟来指导并在二维声波方程的一阶速度-应力方程中应用交错网格有限差分法实现.使用了四阶精度的差分算子和完全匹配层吸收边界条件.通过分析理论模型的模拟结果,展示了如何将地面地震响应与地下目标构造匹配.通过分析桥口地区实际地质模型的模拟结果,指出波动方程正演模拟在小断块、小背斜增生的复杂地区中相对于传统方法更精确,图像更清晰,更利于分析和指导观测系统设计.跟踪目标区的反射同相轴并得到其到达地面的接收范围来约束炮检距的范围,通过比较不同道距的模拟记录并综合考虑成本和任务目标来选取最佳道距.最终获得了实际效果达到设计要求的观测系统参数.     

广东及其邻域噪声面波层析成像

通过收集广东及其邻域104个固定地震台站近10个月的垂直分量连续波形数据资料, 使用地震背景噪声互相关格林函数方法, 获得了大部分台站对的背景噪声互相关曲线. 基于这些对称叠加的互相关曲线, 利用时频分析方法, 进一步提取了该地区周期为5—40 s的基阶瑞雷波群速度频散曲线. 其噪声来源分析结果显示: 广东及其邻域的噪声场来源有很强的方向性, 短周期(5—10 s)噪声主要来自东南方向, 范围基本与海岸线分布一致, 可能是由于近海水陆相互作用产生的;较长周期 (15—30 s) 噪声主要来自三大洋的方位. 以这些提取的噪声面波资料为基础, 采用噪声面波层析成像方法反演得到了该地区周期为5—28 s的瑞雷波群速度层析成像图, 从该图可以看出, 广东及其邻域地下结构的横向变化总体较小, 沉积层厚度较薄, 地壳中可能普遍存在一个低速层;从研究区历史地震的分布及其表层地质构造的发育特征来看, 地震主要分布在高、低速过渡带附近, 表明面波群速度与地震之间具有较强的耦合关系;从群速度的低速异常特征来看, 广东及其邻域普遍分布的温泉和高地热主要受深部构造的控制和影响.      

RESEARCH ON TIME-DISTANCE INTERPRETATION OF MULTIPLES AND GHOSTS BASED ON MARINE SEISMIC DATA

Currently, the study on the active fault in the land areas is relatively mature, while there is still lack of detection and research on active faults in the sea areas. Marine exploration, which is different from land areas, has a prominent problem due to the existence of strong reflecting interfaces such as water surface and seafloor in the sea, thus the recording is often accompanied by interference of multiples on seafloor reflections. In addition, because of the characteristics of marine seismic exploration, the source exciting in the water and the geophone receiving in the water, ghost wave usually can be recorded simultaneously during the reflected wave propagation. This phenomenon makes it difficult to distinguish the effective waves and the noise, and has always plagued the data and seriously affects the quality of records. In the offshore and other regions of complex structures, such as inclined interfaces, it is difficult to eliminate the interference of multiples accurately by traditional multiples suppression methods, which are based on the horizontal interface assumption. This paper combines the sea area seismic data and its acquisition method, uses simplified model to simulate the multiples based on the time-distance analysis of multiples and their ghost wave in inclined interface. The time-distance characteristics of the multiples and their ghost waves from different interfaces(including the inclined interface)are obtained, and they are consistent with the actual records. The multiples time-distance simulation can help to distinguish the causes of reflected waves, summarize the multiple-wave time-distance characteristics from different interfaces(including inclined interfaces), and analyze the relationship between the characteristics of multiple waves and primary waves. In particular, this simulation has a significant effect on characterizing the internal multiples that are difficult to identify due to inconspicuous periodicity and the multiples of the inclined interface which present the phenomenon that the vertex of the time-distance curve is shifted. On this basis, relying on the time-distance analysis of ghost wave, we analyze the travel time difference characteristics between reflected waves and their accompanying ghost waves. The differences of the travel time characteristics of different orders ghost wave and reflected wave are summarized and the symmetry of the travel time difference between inclined interface and horizontal interface of ghost waves and reflected waves is analyzed. We simulate the distraction of the ghost wave event with the event of the reflected wave and analyze the influence of the ghost wave on the sea area seismic records. These results can improve the practical interpretation of seismic data. At last, the time-distance information is used to synthesize sea area seismic records, which can help us carry out the effective data processing and understand the characteristics of the time-distance and velocity of multiples in different interfaces and the layer artifact caused by multiples. This study combines the time-distance simulation of multiples and their ghost wave with conventional seismic data processing to analyze the pre-stack and post-stack features of multiple waves and their ghost waves in the seismic records of the sea area. The results of this study are conducive to the effective identification of multiples in seismic records in the sea, provide a theoretical basis for multi-wave suppression and prediction, and may facilitate the future study of sea-area seismic activity detection.     

基于接收阵列的时域地震波束形成方法

地震勘探中,针对目的层地震数据信噪比较低情况,为改善信噪比,本文提出一种基于接收阵列的时域地震波束形成方法(TSBBRA).该方法的理论依据是波束形成原理,文中通过对相控震源激发定向地震波场的分析,提出在反射地震勘探中,在信号接收端同样能生成定向地震波的思路.具体地,论文给出在地震数据集上先对单炮记录分组,再对组内记录时域内延时、叠加,生成对应定向地震波场的地震记录的方法.TSBBRA方法适于杂波干扰强,且杂波与目的层反射波方向不一致的地震条件.本文先通过波场模拟,展示了TSBBRA方法具有形成定向地震波场的能力;而后通过对比相控震源与TSBBBRA时间剖面,说明了TSBBRA方法的有效性;最后在吉林某油页岩矿区,用TSBBRA方法,分别针对浅层目标与深层目标,生成定向地震波数据.与原始数据相比,目标层信噪比提高了3~35 dB,在时间剖面上观测到的深部目标信号从200 ms扩展到1000 ms,TSBBRA剖面资料与测区附近区域的地质与地震资料一致.由此得出结论,TSBBRA方法有助于改善目的层地震资料信噪比,当关注深部目的层时,由于TSBBRA方法能有效压制噪声,因此可用于能够实现更大的勘探深度.实验中,我们给出了浅层勘探结果,由于本方法对震源及观测系统没有限制,实际应用中TSBBRA方法可作为深部资源勘探领域提高深部地震资料信噪比的有效方法.     

基于常规测井数据的纵波本征衰减估计

地震波本征衰减反映了地层及其所含流体的一些特性,对油气勘探开发有重要意义.已有的理论研究与实验发现,地震频带内的衰减主要与中观尺度(波长与颗粒尺度之间)的斑状部分饱和、完全饱和岩石弹性非均匀性情况下波诱导的局部流体流有关.这种衰减与岩石骨架、孔隙度及充填流体的性质密切相关.本文着重讨论均匀流体分布、斑状或非均匀流体分布两种情况下部分饱和岩石的纵波模量差异.以经典岩石物理理论和衰减机制认识为基础,通过分析低频松弛状态、高频非松弛状态岩石的弹性模量,讨论储层参数(如孔隙度、泥质含量以及含水饱和度等)与纵波衰减之间的确定性关系.上述方法与模型在陆相砂泥岩地层与海相碳酸盐岩地层中的适用性通过常规测井资料得到了初步验证.     

利用SPAC法估算地壳S波速度结构

S波速度结构能够反映地球介质的物性差异,是地壳内低速区结构特征判别的重要依据.本文尝试利用空间自相关法(SPAC法)从地震台站微动信号的垂直分量中提取瑞利波相速度频散曲线,通过对频散曲线的反演获得地下介质的S波速度结构.以国家数字测震台网8个宽频带地震台站的实测微动数据为例,采用SPAC方法获得了首都圈地区北京附近约30 km 深度范围内的一维S波速度结构.结果表明,该区结晶基底埋深较浅约2 km;分别在5~8 km 和12~16 km 深处发育S波低速层;8 km 和 20 km 处是S波速度差异较大的速度分界面.这一结果与以往地震学及人工地震探测结果较为吻合,表明SPAC法估算地壳S波速度结构是可行、有效的.