基于諧振原理的地震勘探方法在資源勘查中的應用

李紅光，侯 錚

（黑龍江省有色金屬地質勘查七〇六隊，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

傳統的地震勘探方法在勘測石油、天然氣資源、煤田、區域地質研究和地殼研究等方面，都得到廣泛應用。地震勘探是通過人工方法激發地震波，研究地震波在地層中傳播的規律與特點，以查明地下的地質構造、沉積、儲層等地質特征，為尋找油氣田（藏）或其它勘探目標服務的一種物探方法。地震理論經過幾個世紀的論證演變，已經非常全面細致了，但是在生產使用上我們還有很多路要走[1]。

1 地質發展背景

地震研究始于19世紀中期。1845年，r.馬利特使用人工激發地震波來測量彈性波在地殼中的速度，這是地震研究的開始。第一次世界大戰，交戰的各方都使用重炮后坐力造成的地震波來確定彼此的武器（重炮）位置。1913年前后，r.費森登在其著作中對利用反射波進行地震勘探的方法進行論述，但受限于當時的技術原因，該項技術無法達到實際應用水平。1921年，j.c.卡徹將地震反射研究應用于實際，首次在美國俄克拉荷馬州記錄了人造地震反射波。1930年，通過反射法地震勘探，在該地區發現了三個油田；從那時起，反射法進入了工業應用階段。關于折射的地震研究始于20世紀初的德國，在20世紀20年代的l.明特羅普，通過折射地震勘探在墨西哥灣沿岸發現了許多鹽丘。30年代，蘇聯，Г.А.甘布爾采夫等吸收反射法的相關技術，相應的改進了折射法；初始折射法只能記錄先到達的折射波，而改進的折射法可以記錄后期到達的折射波，可以更仔細地觀察研究波形特性。在20世紀50年代和60年代，光點照相記錄方式被模擬磁帶記錄方法所取代，這種方法通過為多次回放選擇不同的記錄，來提高記錄質量。20世紀70年代，模擬磁帶記錄被數字磁帶記錄取代，建立了以高速數字計算機記錄、多覆蓋技術、地震計算技術為基礎的完整技術體系，大大提高了記錄精度和解決地質問題的能力。自20世紀70年代初以來，地震勘探已被用于研究巖石巖性及其孔隙中的流體組成。基于地震時間剖面分析的氣藏“亮點”分析和基于地震反射波振幅與偏移量關系的油氣儲層預測(見圈閉)，成功例子很多[2]。擬測井技術可以計算地層波阻抗和層速度，在條件允許的情況下，可以達到地質分析要求的實際效果。現代地震勘探正由構造勘探演化為巖性勘探。

2 中國地震勘探技術發展

中國從1951年開始進行地震勘探，并將其應用于石油和天然氣儲量、煤田、工程地質和一些金屬礦山的勘探。20世紀60年代，中國進入了大規模地球物理研究的階段，在這一時期，地震研究小組不僅迅速發展，而且地震儀器也不斷更新和發展。模擬帶式存儲的地震儀是1966年開發的，數字的地震儀是1968年開發的。在此期間，勝利、大港、江漢和其他油田被發現。20世紀80年代，中國地球物理數據處理技術和解釋進步明顯。中國已經建立了幾個計算機處理中心，將反褶積、遷移等更復雜處理方式作為常規方法；相應波長的形狀、亮點、即時的在線分析、碳和氮以及其他特殊處理也得到了廣泛應用。解譯技術的發展得益于計算機處理能力和水平高速進步，使解譯結果更加準確可靠。20世紀80年代初，人機交互解釋系統問世；解釋工作站不僅提高地震解譯的效率，而且將地震數據的解釋和自動化提高到了一個新的水平。20世紀90年代，我國各大油田分別進行了新一輪的計算機系統的更新換代，多節點、并行算法的巨型計算機和相應的地震資料處理系統的引進，極大的推動了我國油氣勘探開發技術的深入發展。地震資料解釋目前主要采用從國外引進的Landmark和GeoFram工作站交互解釋系統。目前國內使用的處理和解釋系統主要由物探局推出的GRISYS和GRISTATION。在這十年中的核心技術有：高分辨率三維地震勘探、時間推移(4D)地震技術、三維深度偏移成像、地震資料的三維可視化解釋等。

在陸地和海洋反射法、折射法這兩種方法均可應用。折射法在研究很淺或很深的界面、尋找特殊的高速地層時比反射法更有效。但折射法的應用有條件限制，其要求界面下層波速必須大于上層波速，所以折射法的應用范圍較窄；而反射法只對巖層波阻抗的要求有所變化，易于得到滿足，因而地震勘探中廣泛采用的是反射法。現在反射法作為主流的地震勘探方式，其主要采用的是時間域反射勘探方案，反射地震基于的基本原理：(回聲測距原理)S=1/2×vt，即假設彈性地震波在時間和空間上的傳播符合波動方程及其極限；在地表采集地震反射波序列，得到反射波的時間剖面，時間剖面經過偏移校正和時深轉換后，得到的鉛垂深度剖面，即以波動形式表述的波阻抗差。這種勘探方式，日趨成熟，解譯越加完善，但同時受到原理因素的限制，其先天就有很多不足之處，限制了地震技術在更多領域的應用。

3 國外的地質測量點技術

1989年，日本科學家中村(Nakamura)提出了一種特殊的評估方法，該方法是在同一地面測量點上，根據水平分量與豎向分量傅里葉振幅譜比值來估計場地特征，即“中村法”。這種方法常用于研究場地的特征，并取得了許多成果。目前，國內外的研究人員也在使用這種方法研究相關的結構特征。該技術的實質是測量地下物體彈性波的諧振頻率。諧振也叫共振，即當一個物體受到一定彈性頻率的波的激勵時，其反應的振幅被放大。我們的日常生活正有很多共振現象的實例，其中1940年，美國的全長860m的塔柯姆大橋，就是因為大風引起的共振而被吹毀。而地下地質體對地震波的反應，也是有共振現象存在的，當一定頻率的振動作用于地質體時，地質體發生共振，導致地震波的振幅顯著增加。所以，諧振應用于地質勘探是有一定的理論基礎的；但是長期以來，人們對這一現象的認識，并沒有形成理論研究體系。其主要原因是，該技術主要利用的震源是無源地震信號，需要通過多次疊加從大量弱信號數據中獲取有用信息。其次，自然界的震源信號是復雜的，地質上有用的信號主要來自于地下的微弱信號。因此，在高噪聲條件下，很難獲得長期觀測和分析的數據。因此，這些因素影響著諧振這種地震勘探方法的發展。多年來，人們普遍認識到，這種方法一般適用于災害分析和特定類型地震研究。近年來，由于微動技術的發展，人們開始嘗試在結構研究領域中使用這一技術。2016年，英國國家地質調查局基于該技術原理開發了一種被動微震技術，并嘗試將其應用于碳酸鹽巖溶發育和巖相變化地區研究。實驗使人們驚奇地獲得了諸如基巖與第四系的邊界、灰巖與白云巖之間的界面以及裂縫發育區域等信息。由于技術本質上是被動微動技術的一個分支(即一種非人工源)，它省略了主動源，但是檢測時間大大的增加了。

4 地震技術探測算法

我國對“中村法”以及諧振法的研究一直都在進行，但是由于受到早期的技術限制，很多想法無法實現。但是，這不影響我們對諧振法的應用推廣。2005年一種基于諧振原理的勘探方法進入到油氣開發中，其利用油氣儲層的固有頻率區段發生諧振現象，來確定地下的地層位置，并以該地層位置作為油氣聚集的部位。吳會良完善了該方法，利用該方法可以很好的解決油氣檢測成功率低的問題，從而有效地降低石油勘探的風險，提高投資回報率。油氣上諧振方法的成功應用，充分說明諧振理論的科學性。諧振原理的特性代表了其有很廣闊的發展空間，所以基于諧振原理的開發應用任重而道遠。2017年，北京派特森科技股份有限公司董事長薛愛民博士，依托于大型計算機技術，開發并成功實踐應用了地震波頻率諧振勘探技術（Seismic FRP），該技術具有極高的勘探靈敏度（特別是對于中淺層），對地質屬性具有超常的鑒別能力，適應復雜地表環境和地下介質環境，采集作業方便、靈活、經濟、快速，數據處理快速、地質解釋明確簡單。

諧振勘探技術的技術原理是通過利用地震勘探中地震波的積分公式：，其穩態情況下可以進一步簡化為：，由公式可知地震波振幅是幾何關系G和頻率及地質性質M（即傳遞函數）的函數，地震波傳遞函數M是波的頻率和沿路徑介質性質的函數；當地質模型為簡單的雙層結構時，當S1=90°時發生諧振，，最后簡化為上下兩層的波阻抗的比值，多層結構可以通過遞推公式繼續計算得到；通過公式推導最后得到，其中是輸入震動振幅，是地面測量值，是我們想得到的放大倍數，放大倍數與地層的關系公式有確定公式，有了放大倍數（傳遞函數），可以反過來計算出地層參數；那么地下地質體的密度情況就可以通過公式計算出來，密度變化，對地質體性質的判定是直接的，相比其他地震勘探手段(面波、反射波、折射波)而言，頻率諧振勘探技術增加了直接找礦、評判最優靶點的能力，以此還可以進一步得到地質體的波速，有了速度與密度，頻率諧振的勘探目標體基本沒有任何限制。經過實際生產應用，頻率諧振技術在油氣，技術礦產，工程施工，無論在深度上，精度上都達到了以往無法達到的高度；并且由于諧振原理的先天優勢，其既可以利用有源地震的方式，又可以利用天然噪音作為信號，基本沒有體積效應的影響，可利用的海量的數據，進行高精度的探測工作。

5 實驗分析

頻率諧振技術近三年才剛剛興起，處于起步階段，但是由于薛愛民教授的大力推廣，基于這項技術的優勢，在全國各地已經開展了很多實際工作，通過市場的驗證，全國新的城市地質招標項目中頻率諧振技術都已經被認可。僅僅三年，已經證明該技術本身的價值和優勢，在精細探測方面：1mm～2mm的淺部裂縫可以成像，在深部勘探方面：40Km的深部地質完全可以成像，在屬性勘探方面：對孔隙度、速度、密度、剛度、泊松比都敏感，同時這項新的技術還有許多技術尚待開發，如速度分析、偏移等。

6 結語

地震頻率諧振勘探技術是一種新的地震勘探技術，該技術的勘探精度對常規物探方法形成了挑戰，該技術安全環保，經濟性好，對于現階段困擾油氣開發、金屬礦產勘查等方面的問題，都能以另一種全新的方式提供較好的解決方案，其具備強大的開發潛力。