崎嶇海底對(duì)下伏水平地層反射波特征的影響

摘要：在海洋地震勘探中，劇烈的海底起伏和速度差對(duì)下伏地層反射波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征均產(chǎn)生較大影響.本文針對(duì)崎嶇海底建立了海底大陡坡模型、海底坳陷模型、海底隆起模型和海底火山模型，并通過(guò)交錯(cuò)網(wǎng)格下優(yōu)化的八階精度有限差分法和優(yōu)化的四階精度Runge Kutt（RK）法模擬研究了崎嶇海底對(duì)下伏水平地層反射波特征的影響.數(shù)值算例表明：海底大陡坡、海底坳陷和海底隆起不僅使下伏水平地層的反射波和轉(zhuǎn)換波發(fā)生畸變不再是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線，而且影響反射波能量分布，從而容易造成構(gòu)造假象;海底火山使下伏水平地層的反射波和轉(zhuǎn)換波發(fā)生了更加復(fù)雜的畸變，給海洋地震勘探的數(shù)據(jù)處理和解釋帶來(lái)困難.

關(guān)鍵詞：崎嶇海底;交錯(cuò)網(wǎng)格;優(yōu)化的有限差分法;優(yōu)化的RK法;反射波特征

doi：１０．１３２７８/j．cnki．jjuese．２０２２００３３ 中圖分類(lèi)號(hào)：P６３１．４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

０ 引言

深水海域油氣資源豐富，已成為當(dāng)前熱門(mén)的油氣勘探領(lǐng)域.我國(guó)南海深水區(qū)油氣成藏條件優(yōu)越，具有良好的勘探前景.因此，加快勘探開(kāi)發(fā)我國(guó)南海深水區(qū)豐富的油氣資源，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有重要意義[１].在南海深水崎嶇海底地區(qū)，崎嶇不平的海底造成地震波傳播速度橫向劇烈變化，導(dǎo)致波傳播的路徑發(fā)生嚴(yán)重畸變，影響地震勘探數(shù)據(jù)的處理和解釋效果[２].因此，有必要分析崎嶇海底對(duì)下伏地層反射波特征的影響，用于指導(dǎo)深水區(qū)地震資料數(shù)據(jù)的采集和處理.目前，用于研究復(fù)雜地質(zhì)條件下地震波傳播特征的主要方法有基于射線理論的地震波數(shù)值模擬[３６]和基于彈性動(dòng)力學(xué)理論的地震波數(shù)值模擬[７１３].楊凱等[１４]利用射線正演模擬及地震波在彈性分界面上的能量分配，研究了崎嶇海底下伏地層反射界面上的地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征.孫章慶等[１５]利用射線追蹤法分析了復(fù)雜海底條件下的地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征.Wang等[１６]結(jié)合射線追蹤法和Zoeppritz方程開(kāi)展了崎嶇海底地震走時(shí)、射線路徑及振幅的研究.但是利用波動(dòng)方程數(shù)值模擬分析崎嶇海底地震波傳播規(guī)律的文章還比較少.基于彈性動(dòng)力學(xué)微分方程的地震波數(shù)值模擬不僅對(duì)模型非均勻性方面的要求較低，而且能夠得到波場(chǎng)全部信息，在復(fù)雜地質(zhì)條件下地震波數(shù)值模擬中具有廣泛應(yīng)用[１７].本文采用交錯(cuò)網(wǎng)格下優(yōu)化的八階精度有限差分法和優(yōu)化的四階精度RungeKutta（RK）法[１８]計(jì)算一階速度應(yīng)力方程進(jìn)行崎嶇海底高精度地震波數(shù)值模擬，并分析了崎嶇海底對(duì)下伏水平地層反射波傳播規(guī)律的影響，為南海深水區(qū)地震勘探數(shù)據(jù)的處理和解釋提供指導(dǎo).

１ 高精度地震波數(shù)值模擬

在二維各向同性介質(zhì)中，一階速度應(yīng)力彈性波方程表示為：

在地震數(shù)值模擬中，選取的有限計(jì)算區(qū)域會(huì)產(chǎn)生邊界反射，干擾正常波場(chǎng)模擬結(jié)果，因此需要引入人工邊界條件降低邊界反射的影響[２０].文中采用Martin等[２１]在２０１０提出的基于輔助微分方程的完美匹配層（ADE PML）吸收邊界條件消除邊界反射.

２ 數(shù)值算例分析

２．１ 海底大陡坡模型

海底大陡坡是非常常見(jiàn)的一種海底地形，具體表現(xiàn)為劇烈的高度變化.建立海底大陡坡模型（圖２a）進(jìn)行模擬分析，模型參數(shù)列于表１.震源采用縱波震源，位置為（５ m，５ m），接收點(diǎn)位于水下５ m處，道間距為１０m.圖２b為海底大陡坡模型１．２s時(shí)刻的波場(chǎng)快照.可以看出，由于海底大陡坡的存在，從下伏水平地層反射回的波場(chǎng)發(fā)生了與海底大陡坡正相關(guān)的變化，即海底大陡坡使下伏水平地層反射波同相軸傾向陡坡.這是因?yàn)榈卣鸩ㄔ诤Ｋ械膫鞑ニ俣嚷谙路貙又械膫鞑ニ俣龋虼穗S著海水的加深，反射波同相軸會(huì)越來(lái)越滯后.圖２c是利用優(yōu)化的空間八階精度有限差分法和時(shí)間四階精度RK法計(jì)算得到的海底大陡坡模型模擬地震記錄.可以看到，海底大陡坡使海底下伏水平地層的反射波和轉(zhuǎn)換波都發(fā)生了畸變，而不再是以炮點(diǎn)為中心點(diǎn)的雙曲線，從而容易造成構(gòu)造假象.

為了研究海底大陡坡對(duì)下伏水平地層反射波能量的影響，將海底大陡坡模型與水平海底模型（圖３）下伏水平地層（第三層）反射P波能量曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖４所示.可以觀察到，隨著炮檢距的增加，相比與水平海底，海底大陡坡下伏水平地層反射P波能量的衰減變緩，從而使反射P 波能量更強(qiáng).這是因?yàn)殡S著炮檢距的增加，相比于水平海底，海底大陡坡下伏水平地層反射P波在海水中的傳播距離更長(zhǎng)，而海水對(duì)反射P波能量的吸收小于下伏水平地層.

２．２ 海底坳陷模型

在海洋中存在很多例如海溝、海槽等坳陷的海底地形.為此設(shè)計(jì)了一個(gè)海底坳陷模型（圖５a），模型參數(shù)同海底大陡坡模型參數(shù).震源采用縱波震源，位置為（５m，５m），接收點(diǎn)位于水下５m 處，道間距為１０m.模擬得到海底坳陷模型１．２s時(shí)刻的波場(chǎng)快照和模擬地震記錄（圖５b、c）.可以看出，與海底大陡坡模型類(lèi)似，海底坳陷使下伏水平地層反射波同相軸向下凹陷，使下伏水平地層的反射波和轉(zhuǎn)換波不再是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線.同樣，將海底坳陷模型與水平海底模型（圖６）下伏水平地層（第三層）反射P波能量曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖７所示.相比于水平海底，隨著炮檢距的增加，海底坳陷下伏水平地層反射P波能量衰減先變緩再加快，但仍強(qiáng)于水平海底反射P波能量.這是因?yàn)殡S著炮檢距的增加，相比于水平海底，海底坳陷下伏水平地層反射P波在海水中的傳播距離先增加后減小，而海水對(duì)反射P波能量的吸收小于下伏水平地層.

２．３ 海底隆起模型

海底隆起也是一種常見(jiàn)的海底地形，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)海底隆起模型（圖８a），模型參數(shù)同海底大陡坡模型參數(shù).震源采用縱波震源，位置為（５m，５m），接收點(diǎn)位于水下５m處，道間距為１０m.模擬得到海底隆起模型１．２s時(shí)刻的波場(chǎng)快照和模擬地震記錄如圖８b、c所示.可以看出，與海底大陡坡模型類(lèi)似，海底隆起使下伏水平地層反射波同相軸向上凸起，使下伏水平地層的反射波和轉(zhuǎn)換波不再是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線.

將海底隆起模型與水平海底模型（圖９）下伏水平地層（第三層）反射P波能量曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖１０所示.相比于水平海底，隨著炮檢距的增加，海底隆起下伏水平地層反射P波能量衰減先變快再減緩.這是因?yàn)殡S著炮檢距的增加，相比于水平海底，海底隆起下伏水平地層反射P波在海水中的傳播距離先減小后增加，而海水對(duì)反射P波能量的吸收小于下伏水平地層.

２．４ 海底火山模型

為了研究復(fù)雜崎嶇海底對(duì)下伏水平地層反射波特征的影響，建立如圖１１a所示的海底火山模型，模型參數(shù)同海底大陡坡模型參數(shù).震源采用縱波震源，位置為（５m，５m），接收點(diǎn)位于水下５m 處，道間距為１０m.模擬得到海底火山模型３．２s時(shí)刻的波場(chǎng)快照和模擬地震記錄如圖１１b、c所示.可以看出，海底火山使海底下伏水平地層反射波同相軸發(fā)生與海底起伏正相關(guān)的變化，使下伏水平地層的反射波和轉(zhuǎn)換波發(fā)生了更加復(fù)雜的畸變.將海底火山模型與水平海底模型（圖１２）下伏水平地層（第三層）反射P波能量曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖１３所示.相比于水平海底，隨著炮檢距的增加，海底火山下伏水平地層反射P波能量衰減發(fā)生了更加復(fù)雜的變化.這是因?yàn)楹５谆鹕较路降貙臃瓷銹波能量不僅會(huì)受到崎嶇海底的影響，還會(huì)受到海底反射波、透射波和散射波的影響.

３ 結(jié)論

本文采用交錯(cuò)網(wǎng)格下優(yōu)化的八階精度有限差分和優(yōu)化的四階精度RK法得到了復(fù)雜海底高精度地震波數(shù)值模擬結(jié)果，分析了海底大陡坡模型、海底坳陷模型、海底隆起模型和海底火山模型下伏水平地層的反射波特征，得到了如下結(jié)論：１）海底大陡坡、海底坳陷、海底隆起都使海底下伏水平地層反射波場(chǎng)發(fā)生了正相關(guān)變化，海底大陡坡使下伏水平地層反射波同相軸傾向陡坡，海底坳陷使下伏水平地層反射波同相軸向下凹陷，海底隆起使下伏水平地層反射波同相軸向上凸起.２）海底大陡坡、海底坳陷和海底隆起都使下伏水平地層的反射波和轉(zhuǎn)換波發(fā)生了畸變，而不再是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線，從而容易造成構(gòu)造假象.３）海底大陡坡、海底坳陷和海底隆起不僅會(huì)影響下伏水平地層的反射波傳播路徑，也會(huì)影響反射波能量分布.４）海底火山使下伏水平地層反射波場(chǎng)和轉(zhuǎn)換波都發(fā)生了更加復(fù)雜的畸變，從而給南海地震勘探的數(shù)據(jù)處理和解釋帶來(lái)困難.

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