一种弹性波地震频率谐振勘探方法与流程

1.本发明涉及地震勘探技术领域，尤其涉及一种弹性波地震频率谐振勘探方法。


背景技术：

2.常规地震勘探方法技术利用地震波走时和地层的速度度量地质体的空间结构和属性特征，所需波场要求人工激励。该技术已经发展近百年时间，并广泛应用于地学领域。虽然如此，该方法技术在应用中存在许多不足。首先，该技术需要人工震源；其次具有大量勘探盲区。人工震源在人口密集区域和受环保区域等难以使用；勘探盲区也极大地限制了方法技术的应用范围，例如浅层勘探、高角度地层勘探、火成岩变质岩地区的勘探、岩石没有明显界面的岩性地区勘探，以及岩溶发育以及复杂地质结构地区的勘探等领域，常规地震勘探技术难以应用。
3.基于上述常规地震勘探方法技术的不足，中国发明申请cn110954943a，“被动源地震频率谐振勘探方法”，弥补了上述技术的部分不足。不过，在应用该方法技术过程中，我们也发现尚有部分理论性和技术性漏洞和缺陷需要补充和完善。首先，发明申请cn110954943a尚未考虑激励源场对勘探结果的影响；其次，它没有就深度域的地层波阻抗比率数据进行必要的技术性校正，这方面常规反射地震勘探技术也已经比较成熟；最后，它尚需要将波阻抗比率数据转换到波阻抗数据和其它弹性地质体参数剖面。补上上述缺陷，特别是完善激励源场影响问题这一理论性的缺损，对于一种地震波频率域勘探方法技术而言，是非常必要的。
4.因此，本发明不仅补充了“被动源地震频率谐振方法”中尚需补充的技术外，还对方法技术中理论性问题加以完善，使得该方法技术更加完美和实用。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明提出一种弹性波地震频率谐振勘探方法，可以利用弹性地震波传播过程中发生谐振的原理对地下介质进行空间和属性成像。原则上，该方法不考虑震源与接收器之间的关系，仅仅依靠地球表面接收到的来自于地下振动噪声就可以对地下介质成像。
6.为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
7.一种弹性波地震频率谐振勘探方法，其特征在于，包括在设定的测量区域内设置地面标准点x和任意采集点y，并执行如下步骤：
8.步骤s1，计算得到所述地面标准点x处的激励源场in
(x，f)
；
9.步骤s2，根据所述激励源场in
(x，f)
确定所述采集点y处的激励源场in
(y，f)
；
10.步骤s3，根据所述激励源场in
(y，f)
计算得到所述采集点y处的频率域地层视波阻抗比率数据м
(y，f)
。
11.进一步地，所述步骤s1中，采用公式in
(x，f)
＝amp
(x，f)
/m
(x，f)
，计算得到所述地面标准点x处的激励源场in
(x，f)
，其中amp
(x，f)
为所述地面标准点x处频率域振幅谱数据，m
(x，f)
为
所述地面标准点x处频率域地层波阻抗比率数据。
12.进一步地，所述步骤s2中，根据实际探测需要，在设定的测量区域内设计多个所述地面标准点xi，其中i为1,2
…
n，计算得到所述地面标准点xi处的激励源场in
(xi，f)
，采用数学法进行外延与内插得到所述采集点y处的激励源场in
(y，f)
。
13.进一步地，所述步骤s3中，采用公式m
(y，f)
＝amp
(y，f)
/in
(y，f)
，计算得到所述采集点y处的频率域地层视波阻抗比率数据м
(y，f)
，其中amp
(y，f)
为所述采集点y处频率域振幅谱数据。
14.进一步地，在所述步骤s1之前还包括如下预处理步骤：
15.步骤a1、利用振动信号传感器分别采集所述地面标准点x和所述采集点y处地下介质弹性波时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
；
16.步骤a2、将所述时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
分别进行傅里叶变换，得到频率域振幅谱数据amp
(x，f)
和amp
(y，f)
；
17.步骤a3、在所述地面标准点x处，建立频率f与地下深度d的函数关系；
18.步骤a4、依据所述函数关系将所述地面标准点x处深度域地层波阻抗比率数据м
(x，d)
转换成频率域地层波阻抗比率数据м
(x，f)
。
19.进一步地，在所述地面标准点x处，根据如下公式建立频率f与地下深度d的线性函数关系:
20.d＝0.25
·
v/f，其中v为地层波场平均速度，f为频率，d为地下深度；
21.或，对比分析所述地面标准点x处频率域振幅谱数据amp
(x，f)
与深度域地层波阻抗比率数据м
(x，d)
，建立频率f、地层波场平均速度v与地下深度d的非线性函数关系。
22.进一步地，所述时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
为单次或多次获得的单分量或多分量数据，采集时间长度和采样时间间隔由探测深度决定，所述采集时间长度遵照如下经验公式：
23.t≥1500
·
d/v，
24.其中d为探测深度，单位为米；v为地层波场平均速度,单位为米/秒；t为采集时间长度，单位为秒；
25.所述采样时间间隔遵照如下经验公式：
26.δt＝4
·
δd/v，
27.δt为采样时间间隔，单位为秒；v为地层波场平均速度，单位为米/秒；δd为期望的探测深度最低分辨率，单位为米。
28.进一步地，在所述步骤a2之前，对采集到的所述时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
分别进行预处理，所述预处理包括滤波处理、振幅时变校正处理以及野值压制处理。
29.进一步地，所述步骤a2还包括对同一位置多次采集得到的所述频率域振幅谱数据amp
(x，f)
和amp
(y，f)
分别进行频率域的算术平均。
30.进一步地，在所述步骤a3之前，针对采集设备的一致性分别对所述频率域振幅谱数据amp
(x，f)
和amp
(y，f)
的损害进行补偿和校正。
31.进一步地，在所述步骤s3之后还包括如下步骤：
32.步骤s4，依据所述线性或非线性函数关系将所述采集点y处的频率域地层视波阻抗比率数据м
(y，f)
转换成深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
；
33.步骤s5，将所述深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
进行积分得到地层视波阻抗数据r
(y，d)
。
34.进一步地，所述步骤s4还包括将所述深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
进行地面高程校正、地表静校正、标准井参数校正。
35.进一步地，所述步骤s4还包括将所述深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
进行正则化处理。
36.进一步地，所述弹性波包括压缩波、剪切波、面波。
37.本发明的有益效果为：
38.采用本发明所述弹性波地震频率谐振勘探方法，与常规地震勘探相比，可实现如下的有益效果：1)由于非必需人工爆炸激励源，直接降低了勘探费用，且减小了对环境的污染；2)由于直接利用了地球表面的“振动噪音”，扩大了地震勘探的应用范围，不仅在旷野乡村，而且在繁华闹市也可应用其进行勘探；3)由于利用“振动噪音”属于利用透射波勘探，比利用反射波勘探使用范围广泛，避免了常规反射勘探必须具有反射界面才能对地质体成像的局限，从而对高角度地质体、无明显界面和粗糙界面地质体的成像成为可能；4)本发明利用弹性波在弹性地质体内传播的频率特性对地质体进行成像，弥补了利用时间传播特性成像的某些不足，例如不存在初至的勘探盲区，对直立断层成像容易和对密度异常敏感等。
39.采用本发明所述弹性波地震频率谐振勘探方法，与发明申请cn110954943a相比，本发明所采用的在设定的测量区域内设置地面标准点x和任意采集点y，计算得到所述地面标准点x处的激励源场in
(x，f)
；根据所述激励源场in
(x，f)
确定所述采集点y处的激励源场in
(y，f)
；根据所述激励源场in
(y，f)
计算得到所述采集点y处的频率域地层视波阻抗比率数据м
(y，f)
的技术方案，完善了发明申请cn110954943a理论性的勘探方案，且其完成了全波场频率范围内(换算到深度为从地面到任意深度)的地质勘探步骤。相较发明申请cn110954943a在面对深部进行勘探时，必须对激励源场做出振幅一致的条件假设而言，本技术更能够精准的测出地层情况。
附图说明
40.图1为本发明实施例提供的弹性波地震频率谐振勘探方法的流程示意图。
41.图2为本发明实施例提供的“弹性波地震频率谐振勘探方法”与“被动源地震频率谐振勘探方法”勘探结果的对比图。
42.图3为本发明实施例提供的“弹性波地震频率谐振勘探方法”与“常规反射地震勘探技术”勘探结果的对比图。
43.图4为本发明实施例提供的弹性波地震频率谐振勘探方法对岩溶区勘探结果。
具体实施方式
44.为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
45.本发明的目的在于提供一种不同于常规的地震勘探方法。它的特点是不必利用人工激励源，不利用地震波走时而利用地震波频率特征进行勘探的方法。该方法利用弹性地震波传播过程中发生谐振的原理对地下介质进行空间和属性成像。原则上，该方法不考虑震源与接收器之间的关系，因此仅仅依靠地球表面接收到的来自于地下振动噪声就可以对
地下介质成像。
46.本发明的基本原理如下：
47.地下弹性波传播满足波动方程，在层状介质(ν为速度)情况下，波动方程为：
[0048][0049]
在均匀大地上方仅有单层介质，单层介质底部输入的波场振幅为单位1，并且波场的频率成分与单层介质固有频率一致时，其解的振幅函数可表述为：
[0050][0051]
其中，ω为角频率，ρ为密度，ν为速度，ρ
·
ν乘积为波阻抗数据；角标1为上部单层介质标号，2为下部半空间标号。(2)式说明，波场在地面的振幅解是波阻抗比率数据。
[0052]
如果将勘探深度范围h都设定成厚度为h的单层介质，其速度设定为地层波场平均速度ν，地面接收到的频率为ω的波是h厚度地层谐振的结果，则(2)式就是在h厚度地层的地面上获得地震波振幅的传递函数，其值为地层激励源场到达地面后场振幅的放大倍数。如果将地面采集数据中的地层的原始激励源场去除，所剩余数据即为(2)式代表的波阻抗比率数据。
[0053]
在勘探中，如果应用传感器采集地面某点来自于地下的振动，合理选择某一频率的振幅，去除激励源场影响，就可以得到地下某对应位置的波阻抗比率数据。
[0054]
实施例1
[0055]
基于上述基本原理，如1所示，为本发明实施例提供的弹性波地震频率谐振勘探方法的流程示意图，所述方法包括在设定的测量区域内设置地面标准点x和任意采集点y，并执行如下步骤：
[0056]
步骤a1，利用振动信号传感器分别采集所述地面标准点x和所述采集点y处地下介质弹性波时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
；
[0057]
其中，所述时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
为单次或多次获得的单分量或多分量数据，且没有数个采集点同时间进行采集的要求，采集时间长度和采样时间间隔由探测深度决定，所述采集时间长度遵照如下经验公式：
[0058]
t≥1500
·
d/v，
[0059]
其中d为探测深度，单位为米；v为地层波场平均速度,单位为米/秒；t为采集时间长度，单位为秒；
[0060]
所述采样时间间隔遵照如下经验公式：
[0061]
δt＝4
·
δd/v，
[0062]
δt为采样时间间隔，单位为秒；v为地层波场平均速度，单位为米/秒；δd为期望的探测深度最低分辨率，单位为米；
[0063]
优选的，对采集到的所述时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
分别进行预处理，所述预处理包括滤波处理、振幅时变校正处理以及野值压制处理；
[0064]
优选的，所述振动信号传感器的最低频率应该小于f
min
＝0.5
·
v/d
max
，最大频率应该大于f
max
＝0.5
·
v/d
min
，其中d
min
为测量的最小深度，d
max
为测量的最大深度；
[0065]
步骤a2，将所述时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
分别进行傅里叶变换，得到频
率域振幅谱数据amp
(x，f)
和amp
(y，f)
；
[0066]
优选的，傅里叶变换的时间域数据的窗口时间长度应大于1/f
min
；
[0067]
优选的，对同一位置多次采集得到的所述频率域振幅谱数据amp
(x，f)
和amp
(y，f)
分别进行频率域的算术平均；
[0068]
如果采集设备参数的一致性对所述频率域振幅谱数据amp
(x，f)
和amp
(y，f)
形成影响时，针对采集设备的一致性分别对所述频率域振幅谱数据amp
(x，f)
和amp
(y，f)
的损害进行补偿和校正；
[0069]
步骤a3，在所述地面标准点x处，建立频率f与地下深度d的函数关系；
[0070]
从统计学角度，规定如下原则：1)所述步骤a1采集的弹性波数据大多已经是在其传播路径上透过地层到达地面时被“谐振”的结果；2)弹性波在由深层到达地面采集点的路径上可被分成厚度渐薄的单层板状体；3)步骤a1采集的时间域振幅谱数据amp
(x，t)
和amp
(y，t)
与地质信息有关且符合上述原则1)规定的部分是非随机信号，与地质信息无关以及不符合上述原则1)规定的部分是随机信号；因此，可以选择性的建立频率f与地下深度d的线性或非线性函数关系：
[0071]
根据如下公式建立频率f与地下深度d的线性函数关系:
[0072]
d＝0.25
·
v/f，其中v为地层波场平均速度，f为频率，d为地下深度；
[0073]
或，对比分析所述地面标准点x处频率域振幅谱数据amp
(x，f)
与深度域地层波阻抗比率数据м
(x，d)
，建立频率f、地层波场平均速度v与地下深度d的非线性对应关系；如果难以收集到钻井资料时，也可根据经验设定虚拟的深度域地层波阻抗比率数据м
(x，d)
，进而对比分析所述地面标准点x处频率域振幅谱数据amp
(x，f)
与设定的深度域地层波阻抗比率数据м
(x，d)
，建立频率f、地层波场平均速度v与地下深度d的非线性对应关系；
[0074]
步骤a4，依据所述函数关系将所述地面标准点x处深度域地层波阻抗比率数据м
(x，d)
转换成频率域地层波阻抗比率数据м
(x，f)
；
[0075]
步骤s1，采用公式in
(x，f)
＝amp
(x，f)
/m
(x，f)
，计算得到所述地面标准点x处的激励源场in
(x，f)
；
[0076]
步骤s2，根据所述激励源场in
(x，f)
确定所述采集点y处的激励源场in
(y，f)
；
[0077]
如果设定的测量区域较小，单一地面标准点x满足激励源场振幅为均匀场的条件，则令激励源场in
(x，f)
值等于激励源场in
(y，f)
；
[0078]
如果测量区域较大，单一地面标准点x不满足激励源场振幅为均匀场的条件，则根据实际探测需要，在设定的测量区域内设计多个地面标准点xi，其中i为1,2
…
n，依据上述步骤计算得到所述地面标准点xi处的激励源场in
(xi，f)
，采用数学法进行外延与内插得到所述采集点y处的激励源场in
(y，f)
；
[0079]
步骤s3采用公式m
(y，f)
＝amp
(y，f)
/in
(y，f)
，计算得到所述采集点y处的频率域地层视波阻抗比率数据м
(y，f)
；
[0080]
如果激励源场in
(y,f)
变化较小，或测量区域较小，或勘探精度要求较低，也可以直接令in
(y,f)
＝1；
[0081]
步骤s4依据所述线性或非线性函数关系将所述采集点y处的频率域地层视波阻抗比率数据м
(y，f)
转换成深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
；
[0082]
优选的，将所述深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
进行地面高程校正、地表静校
正、标准井参数校正；
[0083]
优选的，将所述深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
进行正则化处理；
[0084]
如果所述步骤a1的震动信号传感器采集的是单一水平分量数据，所述步骤s4中深度域地层波阻抗比率数据m
(y，d)
为单一分量谱振幅；
[0085]
如果所述步骤a1的震动信号传感器采集的是多分量数据，则存在多个分量的深度域地层波阻抗比率数据m
i(y,d)
，其中i为分量序号，存在多种选择，包括可以将三个分量的数据单独形成各自的深度域地层波阻抗比率数据m
i(y，d)
，i＝1,2,3；或将两个水平分量进行合成得到水平分量深度域地层波阻抗比率数据垂直分量单独形成深度域地层波阻抗比率数据m
⊥
(y，d)
；或将多个分量进行合成得到单一深度域地层波阻抗比率数据
[0086]
步骤s5，将所述深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
进行积分得到地层视波阻抗数据r
(y，d)
；
[0087]
在其它地质信息的支持下，可以进一步获得密度和其它地质体的弹性波参数，比如，如果所述波阻抗数据为横波波阻抗数据，采用岩石密度与横波波阻抗数据公式r
(y，d)
＝27135-28744
·
ρ 7825ρ2，计算得到所述采集点y处任意地下深度d处的地层密度ρ，即将横波波阻抗数据换算成密度；如果所述波阻抗数据为纵波波阻抗数据，则统计并建立所述纵波波阻抗数据与岩石密度关系式，即将纵波波阻抗数据换算成密度；其它地质体弹性参数也依上述方法建立波阻抗数据与该地质体弹性参数关系式，即将波阻抗数据换算为待求的参数；
[0088]
计算得到的上述地层视波阻抗数据r
(y，d)
及其它地质参数数据，即为成像结果数据，可直接输出成像结果，也可将所述数据返回上述步骤a3处进行迭代计算处理；
[0089]
优选的，所述弹性波为压缩波、剪切波、面波；
[0090]
优选的，所述振动信号传感器为速度传感器或加速度传感器，在单一采集点可以采用单分量传感器或多分量传感器。
[0091]
采用上述方法获得的地层视波阻抗数据r
(y，d)
及其它地质参数，即为成像结果数据，所述成像结果数据是依据上述方法应用标准井模型参数对波场振幅谱数据进行校正以后得到的深度域地层视波阻抗比率数据м
(y，d)
和地层视波阻抗数据r
(y，d)
与真实地质参数相比较是一种近似，其成像结果数据故称为视波阻抗比率数据和视波阻抗数据。
[0092]
实施例2
[0093]
应用本发明实施例1提供的“弹性波地震频率谐振勘探方法”与“被动源地震频率谐振勘探方法”在同一地形进行探测，并将勘探结果进行比较。测量地为浅层400米以上为砂泥岩结构，400米以下为灰岩地质结构。山泥岩内部深度125米至260米间为粗砂岩夹薄层泥岩，深度40米至125米为一套稳定的细砂岩，底部见泥岩；40米以浅为第四系。应用本发明实施例1所述方法和“弹性波地震频率谐振勘探方法”进行对比勘探，实施例1由于消除了激励源场影响并对剖面进行了所述的各项校正，成像结果如图2右侧所示，地质信息清晰、丰富，薄层岩石特征均得到了表现；反观“弹性波地震频率谐振勘探方法”的成像结果，如图2左侧所示，由于激励源场振幅对成像结果影响较大，仅对几个大套岩层获得了较好的成像结果，对其中的薄层、第四系与下伏细砂岩结构、对100米-125米处的薄层泥岩，以及对400
米深度以下的灰岩内部结构，均没有清晰的表达；将图2左侧与图2右侧成像结果进行对比分析可知，本发明实施例1提供的方法对岩层的横向分辨率相对“弹性波地震频率谐振勘探方法”也有很大提高。
[0094]
实施例3
[0095]
应用本发明实施例1提供的“弹性波地震频率谐振勘探方法”与“常规反射地震勘探技术”在同一地形进行探测，并将勘探结果进行比较。测量地为北京南部地区，最大勘探深度5500米。常规反射地震勘探成像剖面为叠前深度偏移剖面，弹性波地震频率谐振剖面为视波阻抗比率剖面，如图3所示，图3左侧为“常规反射地震勘探技术”的成像结果，图3右侧为实施例1提供的“弹性波地震频率谐振勘探方法”的成像结果，两者对比，可以看出对于浅部新生界砂泥岩地层，弹性波地震频率谐振成像剖面比常规反射地震叠前深度偏移剖面分辨率更高，尤其对上古生界内部的煤系地层，对下部古生界内部的裂隙、岩溶和小型断层以及奥陶系顶部的风化壳等地质体的成像，实施例1的弹性波地震频率谐振勘探均有特别的优势。
[0096]
实施例4
[0097]
应用本发明实施例1提供的弹性波地震频率谐振勘探方法在中国云南岩溶发育地区进行了勘探实验，其成果如图4所示，该地区浅部均为高度风化的岩性地层，下伏中等风化白云岩，内存大量岩溶；再下伏为中等风化的砂泥岩地层。实施例1提供的弹性波地震频率谐振勘探方法揭示了本地段的精细地质结构和三个大型岩溶发育部位。经过钻探验证，其中一个为充填泥质的白云岩溶洞，两个为未有充填物的大型白云岩溶洞；钻探也证实了不同程度风化壳的存在和它们的深度范围以及不同岩性分布特征。
[0098]
综上，本发明实施例1提供的弹性波地震频率谐振勘探方法，可以从地面采集到的来自不同源的信号数据中获得勘探目标的地质图像和属性，可以无需人工震源，区别于常规反射地震勘探方法依赖于波场走时，而是应用信号的频率—振幅数据度量地下介质的空间和属性特征。通过具体实验说明本发明具有对地下介质空间和属性变化进行精细勘探的能力，因此，本发明解决了常规地震勘探难以解决的对密度-波阻抗变化进行探测的问题，解决了近地表因地震数据初至造成常规地震勘探技术的盲区问题，解决了垂直断层等横向速度与密度快速变化造成的难以成像的问题，特别解决了复杂介质内部差异的精细区分问题，为复杂构造地区的地震勘探提供了一种解决方案，是一种新的频率域的地震勘查技术方法，应用领域可涉及工程地质与水文地质勘查、地质灾害评估、道路地下缺损探测、矿产资源勘探、环境保护以及地下文物探查等。
[0099]
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。