物探新方法新技术--本科课程第一章

1地震模拟技术

在地震资料解释过程中，常常需要根据地震解释结果建立地层模型。这种模型是真实地层的简化，只考虑影响地震剖面的主要因素。制作模型的技术就是地震模拟技术，包括物理模拟和数学模拟。

地震模拟技术是指用物理模型和数学模型代替地下真实介质，用物理实验和数学计算模拟地震记录的形成过程，以得到理论地震记录的各种方法和技术。

地震模拟技术广泛应用于地震理论研究领域，并能够指导实际生产。

1.1物理模拟

物理模拟是用一些已知参数的介质做成一定几何形态的模型来模拟地下

地质结构，采用超声波模拟地震波，专用换能器模拟震源和检波器，将野外地震勘探过程在实验室内重现，得到理论地震记录的方法和技术。

物理模拟的优点是与实际情况接近，真实性和可比性高；缺点是模型制作和改变参数均困难、成本较高。

有些地质现象十分复杂，几乎不能用理论方法去解决，所以有时需要用缩小了的物理模型进行模拟，见图1—1。但是如果希望模拟结果真实可靠，模型必须从几何地震学、运动学和动力学各个方面都与所模拟的地质系统相似。

图1—1地震模拟槽为使物理模型观测到的波场特征与野外观测到的波场特征一致，要求模

型与被模拟系统具有几何相似性和物理相似性(运动学、动力学)。

几何相似性是指用相应的比例将地质模型缩小，各层的倾角与实际地层的

倾角相同，就可以满足物理模型与地质系统的几何相似性。如果长度方向缩小的

比例为「则面积缩小的比例就是2，体积缩小的比例就是3。

物理相似性则要求模型材料与地层介质的物性参数具有相似性，以便获

得与野外记录相似的运动学和动力学特征。运动学相似性考虑的是时间比.，需要模型在位置和形状上与实际地质体产生相似的响应，速度与加速度比分别为

■ /.和7 ?2。动力学相似性考虑的是质量分布比，则密度比为■厂3。与维数

无关的参数(例如泊松比)必须与实际地质体在数学上相同。

例如可以建立一个用10cm表示1km的模型，则模型的长度比例为鑿=10*。实际上，所用的模型材料限制了地震速度，模型与真实地层的速度比只能限制在一个很小的范围内，即"。由于已经选择了「所以只能限制.。如果模型材料与真实地质体具有相同的速度，即? =10*，则所使用的震源频率就是实际勘探中所使用的震源频率的104倍(频率比等于1/ )0制作模型的材料密度与实际地质体的密度基本相同，由于密度比」厂3=1，所以质量比为丿=10J20

图1 —2为美国Geoquest公司利用物理模拟手段证明菲涅尔带的影响，其中道间距为85m，主频为30Hz，菲涅尔带半径为280m。图1 —2(a)为地质模型，图1—

2(b)为沿测线A在箱型构造上方的地震记录，图1—2(c)为沿测线B离箱型构造150 m 处的地震记录。补充：French三维模型试验

1.2合成地震记录

制作合成地震记录的假设条件是：

(1)地下介质是水平层状的，无岩性横向变化，各层间密度变化不大，均可视为常数；

(2)地震子波以平面波形式垂直向下入射到界面，各层反射波的波形与子波

波形相同，只是振幅和极性不同；

(3)所有波的转换、吸收、绕射等能量损失均不考虑。

- 1500m >4------- \209tn

+■

图1—2箱型构造的物理模拟

制作合成地震记录的步骤是：

(1)获得反射系数

反射系数曲线R(t)=波阻抗曲线z(v, E

根据假设(1)，可用速度曲线代替波阻抗曲线。

通常用声速测井资料即可，但某些地区无声速测井资料，也可利用电测井资料获得

声速资料(法斯特公式)

v(h)=2 103(h：J1/6(1-1)

(2)地震子波的选择

选用不同的子波来制作合成记录，与井旁的地震道比较，选择最接近的一个。

(3)不考虑多次波及透射损失情况

地震子波与地层反射系数的褶积为合成记录

b(t)* (tHs(t) (1-2)

(4)不考虑多次波，但考虑透射损失情况

b(t)*"(t^s(t) (1-3) 式中—⑴ ——t时刻并考虑以上各界面透射损失的等效反射系数。

例如第n个界面的等效反射系数为

；-角(1- 為)(1- 12)

(5)考虑多次波及透射损失情况

b(t)*=(t) =s(t) (1-4)

式中=(t)——t时刻并考虑多次波与以上各界面透射损失的等效反射系数。

图1 —3为合成地震记录的示意图。利用合成地震记录，对地震剖面上的地质层位进行标定，但不可能完全匹配。

二维合成地震记录对垂直传播和零偏移距没有限制。可以模拟绕射现象，也

可以模拟与偏移距有关的初至、波形和振幅，同时考虑了波型转换。

渡聒与反射乘吐相乘

煤田地震勘探中的层位标定问题

1.3地震数值模拟

1.3.1概述

地震数值模拟（Seismic Numerical Simulation or Seismic Numerical Modeling）是在假定地下介质结构模型和相应物理参数已知的条件下，模拟研究地震波在地

下各种介质中的传播规律，计算地面或地下各点地震记录的一种地震模拟方法。地震数值模拟是地震勘探的重要基础，在资源勘探、工程勘探和环境地球物理方面得到广泛应用。

地震数值模拟与地震物理模拟同属于地震正演过程，即已知地下介质结构模

型和相应物理参数，预测地面或地下各点的地震记录。而地震勘探为地震反演过程，即利用地面或地下各点的地震记录来推导地下介质结构模型（包括构造和岩性）。地震反演是建立在地震正演基础上的，因此地震数值模拟不仅可以进行地震正演模拟研究，同时也是地震反演的基础。

地震数值模拟方法可以归纳为地震波方程数值解法、积分方程法和射线追踪法三大类。不同的地震数值模拟方法基于不同的波动方程表达方式。

地震波方程数值解法是建立在以弹性或粘弹性理论和牛顿力学为基础的双曲型偏微方程一一地震波传播方程的理论基础上的。由于地下介质性质不同，其

相应的地震波传播方程也不同，包括声学介质中的声波波动方程；弹性介质中的弹性波波动方程；粘弹性介质中的粘弹性波波动方程；孔隙弹性介质（双相或多相介质）中的双相（或多相）介质弹性波波动方程；各向异性介质中的各向异性弹性波波动方程等。

积分方程法是建立在惠更斯原理为基础的波叠加原理基础上的，其数学表达形式为波动方程的格林函数域积分方程式和边界积分方程式。

射线追踪法是建立在以射线理论为基础的波动方程高频近似理论基础上的，其数学表达形式为程函方程和传输方程。

1.3.2地震数值模拟方法及其特点

地震数值模拟是利用先进的计算机技术、可视化建模技术将一定规模的复杂地质构造和复杂岩性建立二维、三维地质一地球物理模型，见图1—4。

为了实现地震数值模拟，必须对地质一地球物理模型和地震波方程离散化。

地质一地球物理模型的离散化是通过对模型的空间剖分实现的。空间剖分方法可分为两种：正交网格剖分和非正交网格剖分。正交网格在平面上是矩型网格，