0 引言
目前常用的地下空间探测手段主要有浅层地震勘探、微动探测、探地雷达、高密度电法、等值反磁通瞬变电磁法、多参数钻探、水工环地质调查等。地震勘探作为油气勘探工程中最重要的方法,具有成像精度高、分辨率高、探测深度大等优点,但要把该方法应用到环境复杂、各种干扰较强的城市内来探测第四系松散沉积层内部落差较小的地震活断层,还需要解决一系列的技术问题,主要包括城市环境条件下地震波的激发和接收、观测系统的设计以及资料处理问题等[3]。依托济南城市地下空间开发利用综合地质调查项目,通过浅层高密度二维地震观测方案设计、激发和接收参数优选以及浅层高信噪比处理技术的应用,探讨浅层地震在城市强干扰背景条件下获取高分辨率反射成像的技术方法,印证项目探测方案的有效性和处理技术的适用性。
1 高密度地震采集方案
工作区位于济南北部,紧邻黄河,属于济北地热田范围,地热资源丰富。从地热田内各地热钻孔揭露的地层分析,该地热田热储主要为奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层,盖层为第四系、新近系、二叠系和石炭系[4]。以JR-2地热井为参考,结合济南北部地区第四系厚度总体由南向北、由西向东逐渐增厚的分布特点,认为部署测线Q+N地层深度小于500 m。根据搜集的济北地热地质图略图、地质剖面图、地层柱状图、部署测线位置图结合地震成果剖面建立可以体现出该地区浅层近地表构造的典型地球物理模型(图1),选取代表性位置作为论证点,针对目的层深度和地质任务展开科学的参数论证工作。合理的观测系统参数是搞好浅层高分辨率地震数据采集的关键[3]。
图1
1.1 道距分析
道距是浅层地震勘探中的一个重要参数,它的大小不但影响人们感兴趣的浅层地震资料的横向分辨率,同时也跟地震施工效率和成本投入有关,太大或太小都不可取,应针对项目实际情况进行科学选择。一般来说,道距的选择主要遵循以下几方面的原则:有利于有效波的对比;考虑对反射界面进行充分采样,在倾角较大或有断裂时,应小一些;满足横向分辨率的要求;满足最高无混叠频率的要求[5]。根据经验法则,为了满足横向分辨率的要求,每个优
势频率的波长至少取2个采样点;根据空间采样定理,空间采样间隔必须小于视波长的一半,在进行参数论证时,理论上道距应满足:
式中:ΔX为道距;Vrms为均方根速度; fmax为反射波最高频率;θ地层倾角;Vint为目的层的上一层层速度;fdom为目的层反射波主频。根据公式,浅层地层反射波波速相对低而主频高,对采样密度要求更为严格,为了保障采集效果,选择小道距更有利提高资料横向分辨率和落实构造的细节特征。根据该地区论证点的地球物理参数经过理论公式计算,ΔX应不大于6 m。
为了满足最高无混叠频率要求,保证有效信号的充分采样,实现对面波、浅层折射等规则干扰的采样不污染有效信号,我们通过正演模拟进行效果分析。分别采用10 m和5 m道距正演模拟生成不同单炮记录,并对其进行F-K频谱分析(图2),结果表明采用5 m道距进行采集时,单炮记录中地震信号采样充分,没有出现空间假频,10 m道距采集时90 Hz以外出现了假频,因此道距选取在 5 m 左右较为合适。
图2
图2
不同道距正演模拟单炮F-K谱分析
Fig.2
F-K spectrum analysis of single gun in forward modeling with different trace distances
综合以上分析,本次城市地下空间探测,浅层地震勘探道距选择应不大于5 m。
1.2 最大炮检距分析
最大炮检距作为浅层地震观测系统重要的采集参数之一,它的选取需要保证深层信号的有效接收,深层能量的有效收敛,能满足叠前偏移处理要求。参数论证时重点考虑以下几方面的因素:
1)考虑目的层埋深:最大炮检距应近似等于目的层的埋深,Xmax≈H(Xmax为最大炮检距,H为主要目的层埋深);
2)满足速度分析精度误差小于6%,动校拉伸产生的畸变小于12.5%的需求;
3)考虑波动方程正演波场快照分析和波动方程照明分析。
通过选取典型的论证点进行理论计算,该地区满足速度分析精度误差小于6%和动校拉伸畸变小于12.5%(图3)所需最大炮检距范围:326~516 m。
图3
图3
速度分析精度(a)和动校拉伸畸变分析(b)
Fig.3
Analysis chart of velocity analysis precision(a) and dynamic correction stretching distortion(b)
图4
图4
波动方程正演波场快照分析
Fig.4
Wave field snapshot analysis of wave equation forward modeling
图5
图5
不同炮检距波动方程照明对比
a—炮检距360 m;b—炮检距450 m;c—炮检距540 m;d—炮检距630 m
Fig.5
Illumination comparison of wave equation with different offset
a—offset 360 m;b—offset 450 m;c—offset 540 m;d—offset 630 m
综合以上论证分析结果,结合该地区目的层最大埋深考虑,最大炮检距最终选择538.5 m。
1.3 覆盖次数
基于多次覆盖的水平叠加技术是压制干扰噪声的最好方法[6],高覆盖次数能够提高资料的信噪比,改善资料成像效果,同时高覆盖也带来了地震采集成本和时间的增加,如何选取合理的覆盖次数需要综合各方面的因素进行考虑。项目覆盖次数的选择参考相似区宁津重点调查区二维地震勘探资料采集效果,该地区采用覆盖次数为48次,主要目的层可有效识别和连续追踪,断点清晰,建议本次选用60次覆盖次数以上进行采集即可保证资料品质。
1.4 数据采集参数
在城市开展浅层地震勘探,布线是比较困难的,采用无线网络替代传统地震仪的传输电缆,不仅可以保证人员和设备安全[7],而且能够提高工作效率、保障数据的完整性。项目采用了先进的无线节点仪器SmartSolo进行采集(采样率1 ms,记录长度2 s,记录格式SEG-D),这种自由作业方式更适合地下空间探测项目,野外每一道布设完成后,即刻开始连续记录,实质上在设计的接收段外形成了额外的接收道,增大了地震采集的炮检距,提高了资料的实际采集覆盖次数,可进一步提高成果资料的信噪比。
综合以上分析、论证,考虑到本次采集主要落实构造范围和断裂展布位置,取全、取准各个反射目的层,要求资料具有较高的信噪比,故在论证结果的基础上对观测系统参数进一步强化,道距由论证结果5 m变为3 m,通过提高空间采样密度来提高资料纵横向分辨率、落实构造细节特征。最终确定野外数据采集观测系统如下:道间距3m,炮间距3m,最小偏移距1.5m,最大偏移距538.5m,接收道数360道,覆盖次数180次。
2 高精度地震资料处理技术
针对地震信号的非线性、时变性,项目资料处理主要采用以常规处理技术为基础的针对性处理技术,来提高目标区域构造成像,准确刻画地层形态。处理流程重点包括静校正、叠前精细去噪、高分辨率处理、高精度速度分析等主要环节。
2.1 静校正
图6
图6
静校正前(a)后(b)剖面对比
Fig.6
Comparison of profile before (a) and after (b) static correction
2.2 叠前精细去噪
图7
图8
图8
去噪前(a)后(b)剖面对比
Fig.8
Comparison of profile before (a) and after (b) denoising
2.3 高分辨率处理技术
图9
地表一致性反褶积可以消除地表条件对地震资料的影响,改善资料的信噪比,较好地解决共炮点和共检波点域内的耦合响应差异问题[14],在一定程度上改变相位的不稳定性,但是传统的地表一致反褶积仍然会受到噪声的不利影响。为了减轻这种噪声的影响,使用效果更佳的稳健地表一致性反褶积对含噪的地震数据进行处理,产生更多的相位稳定的数据。稳健地表一致性反褶积通过检测离群值并在迭代期间权衡它们,产生具有反褶积算子的数据,该算子比噪声更多地受到信号的驱动,将从左侧的相位不稳定移动到右侧更稳定的相位。检测到异常值时,它们会在未来处理中被标记和删除或编辑,稳健地表一致性反褶积既可以用于创建稳健的表面一致性振幅归一化,又可以提高陆地数据的相位稳定性,使其更适合地层解释、反演、AVO或方位角研究。
2.4 高精度速度分析
在地震资料处理中,速度是最重要的基础数据,如何建立正确的偏移速度场,是实现高质量叠前深度偏移成像的关键[15]。浅层地震处理对速度精度要求更高,速度不精确,会造成成像变差,尤其对浅层影响较大,通常采用常速扫描、变速扫描、分偏移距扫描来建立精确速度场,对岩性变化较快地区加密速度点,并结合钻孔、重、磁、电等资料进行速度场优化。针对浅层地震资料的特殊性,我们将数据分为近偏、中偏、远偏3部分,分别进行速度拾取,最终整合速度谱,力求利用不同偏移距条件下的数据中的有效信号精细描绘速度场。通过速度场优化来改善剖面成像效果,偏移速度场优化前,剖面画弧现象严重,构造不清,层位混乱,偏移速度场优化后,剖面得到有效归位,构造清晰,层位分明(图10)。
图10
图10
速度场优化前(a)后(b)剖面对比
Fig.10
Comparison of profile before(a) and after(b) velocity field optimization
3 应用效果
本次勘探通过采集处理一体化实施,“高密度二维地震采集技术”与“高精度浅层地震处理技术”的应用,获取了科学的地震采集技术方案(炮点距3 m、道距3 m,满覆盖180次)和高品质的地质剖面(图11)。结合地质任务对勘探成果进行初步的解释,从解释成果剖面上可以看出,剖面内主要发育两组反射波,即TQ波和TP波,根据地层速度结合地质图件(济北地质图、地层柱状图等)构造解释以及JR-2地热井资料,我们标定TQ波为第四系顶界反射波,TP波为古生界二叠系顶界反射波,反射波特征明显,可连续追踪;受北部齐河—广饶深大断裂影响,剖面内深部断裂较发育,解释成果显示主要是NNE、NNW向断裂,断裂构造特征和断点位置清楚,浅部,主要目的层第四系、新近系内发育花状断层,通过以上的分析,此次勘探获得的地质成果与济北地区地质特征基本吻合,很好地完成了地质任务。
图11
4 结论
针对城市地下空间探测,总结几点如下:
1)浅层高密度地震勘探技术在勘探成本、适用性上来说是一种非常合适的技术。在勘探效果的保障上,合理的激发接收方式、小炮道距、高覆盖的采集方案论证和针对性处理技术研究等几个方面是我们应该重点关注的。
2)在对城市地下空间地质目标的最终解释认识上,应该结合该地区的其他相关非地震资料进行综合解释,排除多解性,保证对该地区的地层、构造的认识能够准确指导项目的后续工作。
3)本次高密度地震采集采用了无线节点地震仪器,其能够很好地适用于城市复杂地表环境,快速、高质量地形成排列,保障采集资料的完整性。未来,无线节点仪器、宽频激发技术和高密度采集技术的结合应用会在城市地下空间探测中发挥重要作用,保障勘探效果的前提下实现经济技术一体化,是今后浅层地震勘探发展的一个很好的方向。
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