遼西葫蘆島東部表層結構調查及速度建模

葛利華，姜 弢，徐學純，賈海青，楊志超

1.吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130026

2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026

3.吉林大學地球科學學院，長春 130061

0 引言

隨著地震勘探［1］工作的不斷深入，容易勘探的平原區域日益減少，主要勘探任務轉向了地表條件復雜的區域［2］。這些區域近地表不均勻性突出，特別是有表層高速層［3］、山地［4］或灘淺海［5］等區域，給地震的激發、接收和靜校正帶來較大的困難，表層結構調查及速度建模是優化井深設計及數據處理靜校正的有效方法之一。

近年來，國內外很多地球物理學家針對不同地區的近地表進行了表層調查和速度建模研究。2000年，Chandola等［6］對印度Cauvery盆地砂巖出露區的近地表模型進行了研究，并指出了近地表模型對該區地震數據采集和處理的重要意義。2001年，Zhu等［7］提出首波層析成像建立近地表模型的方法，實驗數據和真實數據都表明該方法明顯改善了靜校正和深度成像。2003年，夏竹等［8］對中國西部復雜地表地區近地表特征與近地表結構進行了研究，對山地、黃土源、沙漠和戈壁4種典型復雜地表地區的近地表地層的地質、地球物理特性及對靜校正、速度分析、疊加成像等的影響進行了詳盡的分析。2008年，Enikanselu等［9］利用29個小折射數據和1口微測井數據，揭示了尼日利亞尼日爾三角洲Mono地區的風化層地球物理特征。2010年，孫維昭等［10］發展了基于微測井資料進行層析反演重建高分辮率近地表速度模型的方法，進行了相應的高精度靜校正量的計算，最后在我國南方某地區進行了實際應用。2011年，李衛忠等［11］提出近地表相和近地表相分析的概念，利用可控震源地震采集、近地表調查等數據，進行了近地表黏彈性參數反演，并建立了高精度的極淺近地表層模型。2011年，Guevara等［12］用2口微測井數據在哥倫比亞某地區建立了橫波速度模型，得到隨深部高速變化的速度模型及相關的巖性特征，用于數據處理的靜校正。2012年，Yang等［13］提出基于 Monte-Carlo抽樣方法的近地表速度建模方法，用合成數據和實際數據驗證了該方法的有效性。2013年，Lu等［14］提出基于多模塊快速行進法（multi-stencils fast marching method，MSFM）的地震走時層析成像方法，用于重建復雜近地表速度模型，提高了建立速度模型的效率和準確性。

此次，為滿足國家深部探測項目對方法比對研究的需求，同時為遼西葫蘆島東部進行首次區域地震勘探井深設計提供依據，為后期數據處理提供準確的靜校正量，筆者基于地表相似系數的表層模型建立方法對遼西葫蘆島東部進行了表層速度建模。

1 遼西葫蘆島東部地表條件

遼西葫蘆島東部地區以山地為主，出露的地層為典型的華北型。該測區地表起伏較大，地勢總體呈西北高、東南低的趨勢，為松嶺山脈延續分布丘陵地帶。此次實驗測線長16.9km，為西北－東南走向，樁號西北小，東南大，海拔高程為4～191m；中部至南部海邊為農田，土層厚度小于0.5m，海拔高程8～80m；交通發達、人口密度大、地面干擾源多；北部為山區，地表裸露巖石，起伏較大且通行困難。該測區發育地層比較齊全，包括太古宇［15］、元古宇［16－17］、古生界、中生界［18］及新生界。大部分地段出露地層為太古宇變質巖或巖漿巖，局部小面積出露沉積巖。

2 表層結構速度建模原理

2.1 微測井工作原理

微測井按照實現方式不同分為地面微測井［19］、井中微測井和雙井微測井［20］等。參照表層調查實驗點多種方法比對實驗結果，筆者采用井中微測井方法。井中微測井采用井中激發，地面接收的方式，得到透射波［21－22］記錄，根據透射波初至時間來研究近地表結構。

井中微測井通過改變炸藥或雷管在井中的激發位置獲得不同的初至時間。激發時井中注水，確保與大地良好耦合［23］，以得到可靠、有效的微測井地震記錄。

得到微測井地震記錄后，把透射波的初至時間轉化為井口位置自激自收［24］的垂直時間T0，設i點的垂直時間為T0i，則

其中：ti為i點的初至時間；Hi為激發點i的深度；d為井檢距。

將轉換后的時間T0與對應的深度置于時間－深度坐標系。不同深度的T0位于同一速度層內時，點的分布為一直線，直線斜率的倒數即為該層的層速度。2條直線的交點為上下層介質的分界面。

2.2 地表速度模型建立原理

微測井點的數量有限，得到的微測井解釋成果不足以代表整條測線的表層情況。為了獲得整條測線的低、降速層厚度和速度，需要建立近地表模型。近地表與界面、界面與界面之間存在近代沉積的連續性和繼承性，它們之間具有一定的相干關系。可以利用表層調查結果和層間的這種相干關系，建立整個工區表層模型［25］。

設A、B為2個微測井點，水平距離為D1，低速層的厚度和速度分別為ZA、ZB、vA、vB，如圖1所示。

圖1 表層模型建立示意圖Fig.1 Schematic of surface modeling

設層間關系系數為K，A、B之間地面上任意一點為G。由A、B2點低速層厚度直線內插得到G點的厚度為ZAB，并把內插直線與G點的豎線交點記為C，G與C點的高程差為H，則G點的低速層厚度ZG為

其中：EG為G點的地表高程；EC為C點的地表高程，由A、B2點的地表高程直線內插得到。H＝EG－EC：當C點位于G點以下時，H為正值；當C點位于G點以上時，H為負值。

G點的速度vG為

其中，D2為A與G間的水平距離。

設N為一定范圍內的控制點數，則層間關系系數K為

其中：E1，j為第一個界面第j點的高程；ˉE1為第一個界面一定范圍內的平均高程；E2，j為第二個界面第j點的高程；ˉE2為第二個界面一定范圍內的平均高程；Em，j為（E1，j－ˉE1）和（E2，j－ˉE2）中較大的一個。當K＝1時，高速層頂界面和地表高程面完全相似；當K＝0時，高速層頂界面和地表高程面無關，完全為搜索半徑內控制點高速層頂高程線性平滑。

根據公式（2）、（3）、（4），可逐一計算測線內其他物理點表層的層速度和厚度。

3 微測井采集方法設計及參數

3.1 微測井采集方法設計

該測區內地表黃土層較薄，為保證每個層位不少于4個控制點，淺層激發點加密。該測區以山地為主，大多數井潛水面較深，為保證每次都在水中激發，激發過程中需要不斷補充水源。利用Google Earth、地形圖等工具，提前適當調整微測井點位，盡量選擇離道路近的井位進行微測井，保證供水便利。為防止炸藥在井中激發時對井壁造成破壞，激發改用雷管，激發前注水時往井中倒入適量膨潤土保護井壁。向井中注水過程中，容易沖掉井壁上的碎石，使碎石脫落，測井后測井電纜拔不出來造成生產井浪費，選擇測井點位時適當微調，選擇井況較好的井，且注水過程采取保護井壁措施，微測井電纜下井時，與井底保留一定距離，防止雷管激發后掉落物堆積在井底拔卡住微測井電纜。

3.2 微測井采集參數

經過試驗，確定施工因素。采用 WZG-24A地震儀，采集時采用固定增益12dB，記錄長度0.5s，采樣率0.2ms。自上而下各激發點雷管數量均為1發，以雷管底部對齊爆破電纜的標記處為準。采取相應的防浮措施，確保每一層位至少有4個控制點（個別低速層很薄的點不少于3個），井中激發點間距布設遵循上密下疏的原則，0.50～5.00m激發間距為0.25m，6.00～10.00m激發間距為0.50m，10.00m以下激發點間距為1.00m，具體實施時依據低降速層變化情況微調激發點距。采用型號為PS-38的單只檢波器，共12道，扇形擺放接收，為保證檢波器與井口高差，1－5道距井口1.00m，6－12道距井口2.00m，如圖2所示。

4 微測井解釋及速度建模結果

山地微測井工作存在困難，鄰區微測井工作開展較少。建昌遼河油田2008年和2012年的2次山地勘探，2008年生產物理點2 587個，只有6口微測井，2012年有所提高，5 506個物理點中也僅有46個微測井點，其他點位的表層工作用準確度和困難性都較小的小折射代替。

此次實驗，該區生產物理點234個，2013年1月到2013年4月完成井中微測井8口，平均每2 km 1個點。

圖2 井中微測井觀測系統示意圖Fig.2 Schematic of well-microlog observing system

4.1 微測井解釋結果

按照野外施工方法得到8口井的炮集記錄，用克朗軟件繪制時深曲線。以12304樁號為例，該樁號微測井井深18m：0.75～4.25m激發點間距為0.25m，4.5～9.5m 激發間距為0.5m，11～18m激發間距為1m，炮集記錄如圖3所示。根據得到的炮集記錄，得到微測井解釋成果（圖4）。由圖4可見，該微測井點近地表分為4層。其中：低速層的速度為798m/s，厚度為2.39m；降速層的速度為2 354m/s，厚度為4.61m；在低速層和降速層之間存在速度為5 112m/s、厚度為2.11m的較薄高速夾層；該微測井點處高速層1頂界面的埋深為9.11 m，速度為4 887m/s。

微測井的表層結構計算結果如表1所示。由表1可見：高速層速度為2 878～4 887m/s，頂界面埋深為4.50～9.56m，平均為6.36m；低速層速度為349～993m/s，平均厚度為3.34m；工區東側12304號樁附近地下3m處有約2m的較薄高速層。同時，對留作井中微測井的8口生產井進行巖性錄井，結果為6口井處地表被較薄的黃土覆蓋，2口井花崗巖出露；高速層頂界面最厚處為7.50m左右，巖性以花崗巖為主，1口井為石英砂巖，2口井為凝灰巖。

圖3 12304樁號井中微測井炮集記錄Fig.3 Shot gather of uphole in pile No.12304

圖4 12304樁號井中微測井時深曲線Fig.4 Time-depth curve of uphole in pile No.12304

表1 微測井解釋結果Table 1 Interpretation results of uphole

4.2 速度建模結果

根據式（4）和表1的微測井解釋成果，計算可得地表相似系數，如圖5所示。

圖5 地表相似系數Fig.5 Similarity coefficient of near-surface

由圖5可見：整個測區低速層的相似系數均較大，為0.9～1.0，說明該測區低速層的連續性較好；降速層和高速層1相似系數左側較小，中間較大，右側介于兩者之間，可見降速層和高速層1在測線西北端變化最劇烈，連續性也較差；中間區段連續性較好，東南段介于兩者之間。

由激發點坐標、高程，接收點坐標、高程，以及微測井解釋成果、相似系數，得到該工區厚度分布（圖6）和速度分布（圖7）。

由圖6可見：低速層厚度變化不大，為1～5m，平均厚度為2.9m；降速層厚度除個別區段厚度變化較大外，大部分區段位于10m之內，平均厚度為8.7m；結合8口微測井結果，高速層頂界面平均厚度為9.7m。根據經驗值，最佳激發井深在高速層頂面以下約4m為宜，本測區的藥量試驗確定激發藥量為8kg，藥柱長度為2m，考慮到部分區段高速層較深，設計激發井深13～15m。

由巖性錄井結果知，13～15m處激發巖性主要為致密的花崗巖。

圖6 表層厚度分布圖Fig.6 Distribution of surface thickness

圖7 表層速度分布圖Fig.7 Distribution of surface velocity

由圖7可見：低速層速度變化較小，在1 000 m/s內；降速層速度測線兩端較中間低，測線兩端速度變化較平緩，總體為1 000～2 800m/s；高速層1速度變化大，在10500樁號附近較低，范圍為2 800～4 900m/s。

根據解釋成果及建立的模型，得到靜校正量數據，并繪制表層界面高程圖（圖8），為工區的靜校正提供了真實可靠的數據。

為消除地表高程差大對低、降速層變化的影響，更好地了解表層厚度和速度的變化，將圖8地表拉平，得到地表拉平后的表層剖面圖（圖9）。由圖9可見測線內近地表的速度分布以及各速度層的厚度分布。在深度15m處，除10500樁號附近速度較低外，大部分區段速度高于2 800m/s，從而驗證了設計激發井深13～15m的合理性，激發進入高速層，由巖性錄井結果可知激發巖性主要為致密的花崗巖。

圖8 表層界面高程圖Fig.8 Elevation of surface interfaces

圖9 地表拉平后表層剖面圖Fig.9 Surface profiles after leveling the surface

5 結論

1）該工區地形起伏大，測線西北端表層速度和厚度變化大，中間段連續性較好，東南端變化較緩和。

2）該測區表層分2～3層：低速層厚度為1.68～4.33m，速度為349～993m/s；降速層厚度為1.82～5.23m，速度為989～24 481m/s；高速層1埋深為4.64～12.28m，速度為2 878～4 887m/s。

3）表層結構建模不僅為靜校正提供了數據，同時也為激發井深選擇提供了依據。

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