復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識

摘 要

摘要：靜校正問題影響著地震波成像和構(gòu)造解釋的精度，國內(nèi)幾十年的靜校正研究歷程表明，復(fù)雜的近地表結(jié)構(gòu)是影響地震勘探靜校正量的重要因素。為此，從用近地表速度模型模擬復(fù)雜近地
摘要：靜校正問題影響著地震波成像和構(gòu)造解釋的精度，國內(nèi)幾十年的靜校正研究歷程表明，復(fù)雜的近地表結(jié)構(gòu)是影響地震勘探靜校正量的重要因素。為此，從用近地表速度模型模擬復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)、近地表結(jié)構(gòu)底界的界定、復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)的歷史變遷研究入手，逐漸形成了一套成熟的靜校正辦法，即用層析反演近地表速度模型、模擬近地表結(jié)構(gòu)，通過速度模型和初至?xí)r間計(jì)算長、短波長的靜校正量，從而消除復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)對地震勘探成果的影響。
關(guān)鍵詞：近地表；結(jié)構(gòu)；反演；速度；模型；靜校正；模型；認(rèn)識
0 引言
    從20世紀(jì)70年代至今，國內(nèi)靜校正技術(shù)研究呈現(xiàn)加速度發(fā)展趨勢，每年都有代表性論文發(fā)布，特別是20世紀(jì)90年代以后，討論就更加熱烈，至本世紀(jì)初已趨于成熟應(yīng)用階段。
    參考文獻(xiàn)[1～2]較早地提出了長波長靜值問題，代表了國內(nèi)物探界已經(jīng)意識到，要想徹底解決靜校正問題，就必須求解較準(zhǔn)確的近地表結(jié)構(gòu)。
    參考文獻(xiàn)[3]第一次應(yīng)用具有先驗(yàn)信息(初至折射波)的反演方法，獲得了較準(zhǔn)的近地表結(jié)構(gòu)。
    參考文獻(xiàn)[4]第一次用理論模型，利用初至線性模擬近地表結(jié)構(gòu)，形成線性方程組，用最小二乘共軛梯度法求解線性方程組，從理論上證明，利用初至反演近地表結(jié)構(gòu)是可行的。
    參考文獻(xiàn)[5]的約束層析走時(shí)反演，又從理論上把層析中的約束變?yōu)闊o約束的反問題，并給出了求解公式。從而改善了數(shù)據(jù)不充分、有噪音和初始猜測不準(zhǔn)的問題。
    參考文獻(xiàn)[6～7]相繼使用共軛梯度最小二乘法和正交分解最小二乘法實(shí)現(xiàn)了解近地表結(jié)構(gòu)的層析反演。
    2001年以來，中外地球物理專家交流頻繁，利用初至波層析反演近地表結(jié)構(gòu)基本趨于成熟階段，各種方法相繼出現(xiàn)，對近地表結(jié)構(gòu)的認(rèn)識越來越深刻了。
1 復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)可用近地表速度模型模擬
    參考文獻(xiàn)[8]中較詳細(xì)地介紹了中國西部復(fù)雜地區(qū)的近地表結(jié)構(gòu)特征。依據(jù)近幾年來應(yīng)用層析反演近地表結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為近地表結(jié)構(gòu)對地震勘探的影響可簡單地概括為兩條：①靜校正量的存在；②對地震有效波的吸收作用[9]。
    在這里只談近地表結(jié)構(gòu)對靜校正量的影響問題。解決這個(gè)問題的辦法就是利用地震記錄的初至?xí)r間層析反演近地表速度模型近似地表達(dá)(或模擬)一個(gè)地區(qū)的近地表結(jié)構(gòu)，通過近地表速度模型和初至信息計(jì)算該區(qū)的靜校正量，達(dá)到消除復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)對地震數(shù)據(jù)的影響。
    然而，利用初至波層析反演的近地表結(jié)構(gòu)和實(shí)際測量的近地表結(jié)構(gòu)相比較，其結(jié)果又如何呢？從圖1可以看到，除測線兩端附加段是外推的、誤差比較大以外，實(shí)測厚度與層析結(jié)果大體相當(dāng)。
該例子比較典型，因?yàn)樵搮^(qū)低速帶與降速層分界面很清楚，速度差異比較大。無論用小折射測量、微測井測量還是初至波層析反演，不同操作人員的解釋，其速度分層結(jié)果會基本一致。而通常情況下，當(dāng)?shù)?、降速帶縱向上速度變化梯度復(fù)雜時(shí)，小折射法、微測井法、層析方法會因?yàn)槿藗兊恼J(rèn)識和分層方式不同，其分層結(jié)果出現(xiàn)多解性。 
以上實(shí)例充分說明：當(dāng)野外所獲記錄初至齊全時(shí)，完全可以利用初至波層析反演近地表速度模型，并通過近地表速度模型和初至?xí)r間計(jì)算高、低頻靜校正量。當(dāng)初至不全(缺少小偏移距資料)時(shí)，可以用微測井或小折射速度約束層析反演，得到較準(zhǔn)確的近地表速度模型，從而求解更準(zhǔn)確的靜校正量。
 
2 近地表結(jié)構(gòu)底界的界定
2.1 表層結(jié)構(gòu)概念
    近地表結(jié)構(gòu)一般認(rèn)為是個(gè)表層結(jié)構(gòu)，即地表受大自然環(huán)境變化所影響到的部分稱為近地表。其下是真正地質(zhì)意義上的巖層結(jié)構(gòu)，它們沒有受到大自然環(huán)境的影響，保持著原有的地質(zhì)巖性特征。
    這就是說，近地表結(jié)構(gòu)已不是真正意義上的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其巖性特征、層理特征、膠結(jié)程度、速度參量、密度參量等受大自然環(huán)境影響而發(fā)生了變化。從地質(zhì)意義上講，大氣圈滲入巖石圈部分即為表層結(jié)構(gòu)。
    從地震地質(zhì)角度講，這個(gè)表層結(jié)構(gòu)制約著地震勘探的成果。如前所述，對靜校正有影響，即有影響和沒有影響的分界面，為表層結(jié)構(gòu)底界。
2.2 近地表結(jié)構(gòu)底界形狀及其展布
圖2為利用初至波層析反演的川西大山區(qū)一代表性測線的近地表結(jié)構(gòu)。圖中標(biāo)注了4個(gè)比較特殊的位置點(diǎn)。表1列出它們的地形、構(gòu)造部位、巖性分布和斷裂發(fā)育狀況等。
 
    從4個(gè)特殊位置點(diǎn)的具體分析可以看到：這些異常突出的風(fēng)化位置，之所以風(fēng)化剝蝕得快，都有內(nèi)在的因素。外界大自然作用盡管是相同的，但它們和地殼的構(gòu)造運(yùn)動、斷裂發(fā)育程度以及地層巖性等內(nèi)在因素相互作用，從而造就了目前這種極其復(fù)雜的近地表結(jié)構(gòu)狀況?？梢?，近地表結(jié)構(gòu)的底界的形狀及其展布也是極其復(fù)雜的。
表1 分析點(diǎn)參數(shù)列表
序號
檢波點(diǎn)位置
地形
構(gòu)造部位
地層傾角
斷裂發(fā)育程度
巖性
地層
A
20960
最低
高點(diǎn)
70°
發(fā)育
石灰?guī)r夾砂頁巖
志留系
B
21400
第三低
低點(diǎn)
 
 
石灰?guī)r夾白云巖
泥盆系
C
22800
第四低
高點(diǎn)
38°
發(fā)育
石灰?guī)r夾砂巖
寒武系
D
23720
次低
低點(diǎn)
45°
 
石灰?guī)r夾頁巖
志留系
2.3 近地表結(jié)構(gòu)底界的確定
2.3.1最大炮檢距確定法
    在利用初至波層析反演方法中，最大炮檢距可控制層析測量深度。通過調(diào)節(jié)最大炮檢距可獲得反演測線近地表結(jié)構(gòu)的底界面。在該界面上速度橫向變化比較小、層厚度橫向變化也比較小。這可以說明，在該炮檢距下層析所測近地表結(jié)構(gòu)已經(jīng)接觸到了其下的高速巖層，而且，該界面以下地層對靜校正量已沒有影響、或影響很小。圖2即是用這種方法所獲得的近地表結(jié)構(gòu)。實(shí)踐表明，同一地區(qū)二維測線層析反演時(shí)，用同一最大炮檢距所計(jì)算的靜校正量，各測線是相互閉合的。
2.3.2替換速度定義法
    在層析反演的近地表模型中，可以用替換速度定義一個(gè)界面，把它作為近地表結(jié)構(gòu)的底界面。替換速度若與高速層頂面速度差得太遠(yuǎn)，須重新確定替換速度，使其與高速度層頂面速度相當(dāng)。這樣，一般情況下，閉合就不成問題了。
2.3.3人工確定法
    依據(jù)層析反演的近地表速度模型用手工拾取出一個(gè)高速層頂面作為近地表結(jié)構(gòu)的底界面，這種方法的不足之處在于不同測線之間有可能造成較大的閉合差，所以要小心拾取，或者回過頭來修改之。
3 復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)隨歷史而變遷
3.1 復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)的成因
    筆者主要分析的是陸地上的情況，海洋洋底面也很近似。
    近地表結(jié)構(gòu)的成因，總的來講是地殼運(yùn)動的結(jié)果。由于地殼的升降及水平運(yùn)動，才有了今天各種各樣表層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)表層結(jié)構(gòu)與大自然的活動相結(jié)合(或叫相互作用)就有了今天的高山峽谷、平原和海洋[8]。當(dāng)然，也與人類的活動有關(guān)，總的來看，人類活動是有限的(但長遠(yuǎn)地看，人類活動有可能改變氣候，單從環(huán)保的角度講，也是不可忽視的因素)。
3.2 近地表結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢及對靜校正量的影響
    應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，近地表結(jié)構(gòu)在不斷地變化著，這種變化有時(shí)可以看得到，有時(shí)看不到，因?yàn)樽兓芫徛?，漫長到以地質(zhì)時(shí)代紀(jì)元來衡量。當(dāng)然，也有突變的時(shí)候，如山崩地陷、河流沖積等[10]。
    在地震剖面上經(jīng)?？煽吹铰L歷史所形成的風(fēng)化層、不整合面，相信這些不整合面就是當(dāng)年陸上的近地表結(jié)構(gòu)像現(xiàn)在一樣受大自然風(fēng)化剝蝕的結(jié)果，只是被隨后的地殼升降運(yùn)動深埋于地下。再如，四川地區(qū)二疊系長興組內(nèi)的生物礁結(jié)構(gòu)，一定是當(dāng)年海洋生物活動的結(jié)果被而后的地殼運(yùn)動深埋于地下的?，F(xiàn)在的近地表結(jié)構(gòu)可能就是這個(gè)過程的某個(gè)階段。
    因此不難想象，如今的近地表結(jié)構(gòu)也一定會一步步地走向它的遙遠(yuǎn)未來，山逐步被剝平，變成不整合面的一部分，膠結(jié)的砂巖會風(fēng)化成沙子，隨水流入湖泊和海洋，隨著地殼運(yùn)動可能又沉積成砂巖。這是地球巖石圈在大自然作用下周而復(fù)始的循環(huán)過程。對近地表結(jié)構(gòu)來講，不管歷史如何變遷，它總是存在著，只是隨著時(shí)代的不同，不同近地表結(jié)構(gòu)特征有不同的時(shí)空位置。
    圖2中低速帶速度介于1500～2550m/s之間，降速帶速度超過3900m/s，厚度橫向變化大，稱之為典型的近代塔式風(fēng)化模式。多少萬年前形成嚴(yán)重的切割地形，受大自然風(fēng)化作用，不同部位風(fēng)化程度不同，最尖銳的山尖部位，明顯剝蝕得快些，速度低且厚度大。隨著深度的增加，等速度面速度越來越高，而橫向上高程的變化越來越平緩。
圖3是圖2測線高程與層析靜值的差值曲線。該曲線是對近地表結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性測量，反映出近地表結(jié)構(gòu)對地震波場的影響?？梢钥吹剑擄L(fēng)化類型的靜值周期有長有短，長周期將影響構(gòu)造形態(tài)，短波長將影響地震成像質(zhì)量。
 
    圖4為層析反演桂東石灰?guī)r露頭區(qū)某測線的近地表結(jié)構(gòu)。不少人認(rèn)為如此石灰?guī)r露頭區(qū)不會有低速帶，可層析反演的結(jié)果明顯看出，盡管野外看起來還是石灰?guī)r，但它的表層速度卻只有2000m/s，而且隨著深度的增加逐漸變高，直至沒有風(fēng)化到的高速層面附近原始石灰?guī)r處。其低速帶速度在2000～5000m/s之間，厚度橫向高頻變化。降速帶速度在5000m/s以上，厚度不是很大。可見，其靜校正量的長周期變化很小，也不會超過一個(gè)排列長度，主要還是高頻成分。
    在青海戈壁某線的露頭區(qū)，看起來是砂巖露頭，實(shí)際上受千萬年的風(fēng)沙剝蝕，已遠(yuǎn)非當(dāng)年受地殼運(yùn)動而露出地面時(shí)的風(fēng)采，完全不是砂巖了，一腳踩下去成一盤散沙，還可以看到腳印。這些沙子可以被風(fēng)或水的流動帶到別處再沉積成不同粒度的砂巖。該區(qū)測線層析反演的近地表結(jié)構(gòu)，低速帶速度介于500～1390m/s之間，厚度大且橫向變化也比較大。降速帶速度在1570m/s以上，厚度很小。因此，對靜值的影響有一定的長周期變化，但比較小，主要還是高頻靜值成分。
圖5為層析反演印度尼西亞海邊測線的近地表結(jié)構(gòu)。低速帶速度在500～1435m/s之間，厚度大。降速帶速度在1629m/s以上，厚度不大，橫向變化也不大。從高程與層析靜值差值曲線上可以看到，除了高頻靜值外，還有一定的長周期變化。
 
    以上實(shí)例代表了幾個(gè)不同地區(qū)的典型風(fēng)化類型?？梢钥吹?，它們被風(fēng)化的程度是不同的，如前所述，這是地球巖石圈運(yùn)動和大氣圈相互作用的結(jié)果。地殼運(yùn)動不同時(shí)空段，近地表結(jié)構(gòu)會有不同的風(fēng)化類型。因此，它們對靜值的影響也是不同的。高頻靜值是普遍存在的，對長周期靜值，不同類型則有不同的表現(xiàn)。
4 結(jié)論
    靜校正問題，關(guān)鍵是如何獲得一個(gè)較準(zhǔn)確的近地表結(jié)構(gòu)。近幾年來的實(shí)踐證明，層析反演大炮初至是一個(gè)有效獲得較為準(zhǔn)確近地表結(jié)構(gòu)的成熟辦法。
    當(dāng)有了一個(gè)比較準(zhǔn)確的近地表結(jié)構(gòu)，從而就有可能用一系列辦法，如通過射線法計(jì)算出表層的長、短波長的靜校正量以消除它對地震資料的影響；或者直接利用波動方程延拓法將地下有效波場延拓到地面或基準(zhǔn)面上。
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(本文作者：王進(jìn)海 唐怡 朱敏 齊俊寧 許勇 肖敏 常智 川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司物探研究中心)