复杂近地表结构的再认识_工程实践

摘要

摘要：静校正问题影响着地震波成像和构造解释的精度，国内几十年的静校正研究历程表明，复杂的近地表结构是影响地震勘探静校正量的重要因素。为此，从用近地表速度模型模拟复杂近地

摘要：静校正问题影响着地震波成像和构造解释的精度，国内几十年的静校正研究历程表明，复杂的近地表结构是影响地震勘探静校正量的重要因素。为此，从用近地表速度模型模拟复杂近地表结构、近地表结构底界的界定、复杂近地表结构的历史变迁研究入手，逐渐形成了一套成熟的静校正办法，即用层析反演近地表速度模型、模拟近地表结构，通过速度模型和初至时间计算长、短波长的静校正量，从而消除复杂近地表结构对地震勘探成果的影响。

关键词：近地表；结构；反演；速度；模型；静校正；模型；认识

0 引言

从20世纪70年代至今，国内静校正技术研究呈现加速度发展趋势，每年都有代表性论文发布，特别是20世纪90年代以后，讨论就更加热烈，至本世纪初已趋于成熟应用阶段。

参考文献[1～2]较早地提出了长波长静值问题，代表了国内物探界已经意识到，要想彻底解决静校正问题，就必须求解较准确的近地表结构。

参考文献[3]第一次应用具有先验信息(初至折射波)的反演方法，获得了较准的近地表结构。

参考文献[4]第一次用理论模型，利用初至线性模拟近地表结构，形成线性方程组，用最小二乘共轭梯度法求解线性方程组，从理论上证明，利用初至反演近地表结构是可行的。

参考文献[5]的约束层析走时反演，又从理论上把层析中的约束变为无约束的反问题，并给出了求解公式。从而改善了数据不充分、有噪音和初始猜测不准的问题。

参考文献[6～7]相继使用共轭梯度最小二乘法和正交分解最小二乘法实现了解近地表结构的层析反演。

2001年以来，中外地球物理专家交流频繁，利用初至波层析反演近地表结构基本趋于成熟阶段，各种方法相继出现，对近地表结构的认识越来越深刻了。

1 复杂近地表结构可用近地表速度模型模拟

参考文献[8]中较详细地介绍了中国西部复杂地区的近地表结构特征。依据近几年来应用层析反演近地表结构的经验，认为近地表结构对地震勘探的影响可简单地概括为两条：①静校正量的存在；②对地震有效波的吸收作用^[9]。

在这里只谈近地表结构对静校正量的影响问题。解决这个问题的办法就是利用地震记录的初至时间层析反演近地表速度模型近似地表达(或模拟)一个地区的近地表结构，通过近地表速度模型和初至信息计算该区的静校正量，达到消除复杂近地表结构对地震数据的影响。

然而，利用初至波层析反演的近地表结构和实际测量的近地表结构相比较，其结果又如何呢？从图1可以看到，除测线两端附加段是外推的、误差比较大以外，实测厚度与层析结果大体相当。

该例子比较典型，因为该区低速带与降速层分界面很清楚，速度差异比较大。无论用小折射测量、微测井测量还是初至波层析反演，不同操作人员的解释，其速度分层结果会基本一致。而通常情况下，当低、降速带纵向上速度变化梯度复杂时，小折射法、微测井法、层析方法会因为人们的认识和分层方式不同，其分层结果出现多解性。

以上实例充分说明：当野外所获记录初至齐全时，完全可以利用初至波层析反演近地表速度模型，并通过近地表速度模型和初至时间计算高、低频静校正量。当初至不全(缺少小偏移距资料)时，可以用微测井或小折射速度约束层析反演，得到较准确的近地表速度模型，从而求解更准确的静校正量。

2 近地表结构底界的界定

2.1 表层结构概念

近地表结构一般认为是个表层结构，即地表受大自然环境变化所影响到的部分称为近地表。其下是真正地质意义上的岩层结构，它们没有受到大自然环境的影响，保持着原有的地质岩性特征。

这就是说，近地表结构已不是真正意义上的地质结构，其岩性特征、层理特征、胶结程度、速度参量、密度参量等受大自然环境影响而发生了变化。从地质意义上讲，大气圈渗入岩石圈部分即为表层结构。

从地震地质角度讲，这个表层结构制约着地震勘探的成果。如前所述，对静校正有影响，即有影响和没有影响的分界面，为表层结构底界。

2.2 近地表结构底界形状及其展布

图2为利用初至波层析反演的川西大山区一代表性测线的近地表结构。图中标注了4个比较特殊的位置点。表1列出它们的地形、构造部位、岩性分布和断裂发育状况等。

从4个特殊位置点的具体分析可以看到：这些异常突出的风化位置，之所以风化剥蚀得快，都有内在的因素。外界大自然作用尽管是相同的，但它们和地壳的构造运动、断裂发育程度以及地层岩性等内在因素相互作用，从而造就了目前这种极其复杂的近地表结构状况。可见，近地表结构的底界的形状及其展布也是极其复杂的。

表1 分析点参数列表

序号	检波点位置	地形	构造部位	地层倾角	断裂发育程度	岩性	地层
A	20960	最低	高点	70°	发育	石灰岩夹砂页岩	志留系
B	21400	第三低	低点			石灰岩夹白云岩	泥盆系
C	22800	第四低	高点	38°	发育	石灰岩夹砂岩	寒武系
D	23720	次低	低点	45°		石灰岩夹页岩	志留系

2.3 近地表结构底界的确定

2.3.1最大炮检距确定法

在利用初至波层析反演方法中，最大炮检距可控制层析测量深度。通过调节最大炮检距可获得反演测线近地表结构的底界面。在该界面上速度横向变化比较小、层厚度横向变化也比较小。这可以说明，在该炮检距下层析所测近地表结构已经接触到了其下的高速岩层，而且，该界面以下地层对静校正量已没有影响、或影响很小。图2即是用这种方法所获得的近地表结构。实践表明，同一地区二维测线层析反演时，用同一最大炮检距所计算的静校正量，各测线是相互闭合的。

2.3.2替换速度定义法

在层析反演的近地表模型中，可以用替换速度定义一个界面，把它作为近地表结构的底界面。替换速度若与高速层顶面速度差得太远，须重新确定替换速度，使其与高速度层顶面速度相当。这样，一般情况下，闭合就不成问题了。

2.3.3人工确定法

依据层析反演的近地表速度模型用手工拾取出一个高速层顶面作为近地表结构的底界面，这种方法的不足之处在于不同测线之间有可能造成较大的闭合差，所以要小心拾取，或者回过头来修改之。

3 复杂近地表结构随历史而变迁

3.1 复杂近地表结构的成因

笔者主要分析的是陆地上的情况，海洋洋底面也很近似。

近地表结构的成因，总的来讲是地壳运动的结果。由于地壳的升降及水平运动，才有了今天各种各样表层的地质结构。当表层结构与大自然的活动相结合(或叫相互作用)就有了今天的高山峡谷、平原和海洋^[8]。当然，也与人类的活动有关，总的来看，人类活动是有限的(但长远地看，人类活动有可能改变气候，单从环保的角度讲，也是不可忽视的因素)。

3.2 近地表结构的发展趋势及对静校正量的影响

应当承认，近地表结构在不断地变化着，这种变化有时可以看得到，有时看不到，因为变化很缓慢，漫长到以地质时代纪元来衡量。当然，也有突变的时候，如山崩地陷、河流冲积等^[10]。

在地震剖面上经常可看到漫长历史所形成的风化层、不整合面，相信这些不整合面就是当年陆上的近地表结构像现在一样受大自然风化剥蚀的结果，只是被随后的地壳升降运动深埋于地下。再如，四川地区二叠系长兴组内的生物礁结构，一定是当年海洋生物活动的结果被而后的地壳运动深埋于地下的。现在的近地表结构可能就是这个过程的某个阶段。

因此不难想象，如今的近地表结构也一定会一步步地走向它的遥远未来，山逐步被剥平，变成不整合面的一部分，胶结的砂岩会风化成沙子，随水流入湖泊和海洋，随着地壳运动可能又沉积成砂岩。这是地球岩石圈在大自然作用下周而复始的循环过程。对近地表结构来讲，不管历史如何变迁，它总是存在着，只是随着时代的不同，不同近地表结构特征有不同的时空位置。

图2中低速带速度介于1500～2550m/s之间，降速带速度超过3900m/s，厚度横向变化大，称之为典型的近代塔式风化模式。多少万年前形成严重的切割地形，受大自然风化作用，不同部位风化程度不同，最尖锐的山尖部位，明显剥蚀得快些，速度低且厚度大。随着深度的增加，等速度面速度越来越高，而横向上高程的变化越来越平缓。

图3是图2测线高程与层析静值的差值曲线。该曲线是对近地表结构的非均质性测量，反映出近地表结构对地震波场的影响。可以看到，该风化类型的静值周期有长有短，长周期将影响构造形态，短波长将影响地震成像质量。

图4为层析反演桂东石灰岩露头区某测线的近地表结构。不少人认为如此石灰岩露头区不会有低速带，可层析反演的结果明显看出，尽管野外看起来还是石灰岩，但它的表层速度却只有2000m/s，而且随着深度的增加逐渐变高，直至没有风化到的高速层面附近原始石灰岩处。其低速带速度在2000～5000m/s之间，厚度横向高频变化。降速带速度在5000m/s以上，厚度不是很大。可见，其静校正量的长周期变化很小，也不会超过一个排列长度，主要还是高频成分。

在青海戈壁某线的露头区，看起来是砂岩露头，实际上受千万年的风沙剥蚀，已远非当年受地壳运动而露出地面时的风采，完全不是砂岩了，一脚踩下去成一盘散沙，还可以看到脚印。这些沙子可以被风或水的流动带到别处再沉积成不同粒度的砂岩。该区测线层析反演的近地表结构，低速带速度介于500～1390m/s之间，厚度大且横向变化也比较大。降速带速度在1570m/s以上，厚度很小。因此，对静值的影响有一定的长周期变化，但比较小，主要还是高频静值成分。

图5为层析反演印度尼西亚海边测线的近地表结构。低速带速度在500～1435m/s之间，厚度大。降速带速度在1629m/s以上，厚度不大，横向变化也不大。从高程与层析静值差值曲线上可以看到，除了高频静值外，还有一定的长周期变化。

以上实例代表了几个不同地区的典型风化类型。可以看到，它们被风化的程度是不同的，如前所述，这是地球岩石圈运动和大气圈相互作用的结果。地壳运动不同时空段，近地表结构会有不同的风化类型。因此，它们对静值的影响也是不同的。高频静值是普遍存在的，对长周期静值，不同类型则有不同的表现。

4 结论

静校正问题，关键是如何获得一个较准确的近地表结构。近几年来的实践证明，层析反演大炮初至是一个有效获得较为准确近地表结构的成熟办法。

当有了一个比较准确的近地表结构，从而就有可能用一系列办法，如通过射线法计算出表层的长、短波长的静校正量以消除它对地震资料的影响；或者直接利用波动方程延拓法将地下有效波场延拓到地面或基准面上。

参考文献

[1] 田希泰.谱分解地表异常补偿方法[J].石油地球物理勘探，1984，19(5)：31-44.

[2] 杨宝林，田希泰.用近地表模拟实现静校正[J].石油地球物理勘探，1988，23(5)：57-63.

[3] 钟德盈.近地表模型静校正[J].石油地球物理勘探，1992，27(4)：27-36.

[4] 刘振宽，吴永刚，刘英杰.近地表层地震层析成像[J].石油地球物理勘探，1994，29(3)：294-301.

[5] 张文生，何樵登.约束走时层析成像[J].石油地球物理勘探，1997，32(1)：68-79.

[6] 戴云，张建中.长波长静校正问题的一种解决方法[J].石油地球物理勘探，2000，35(3)：48-58.

[7] 李家康，余钦范.近地表速度的约束层析反演[J].石油地球物理勘探，2001，36(2)：135-140.

[8] 夏竹，张少华，王学军.中国西部复杂地区近地表特征与表层结构探讨[J].石油地球物理勘探，2003，38(4)：414-424.

[9] 俞寿朋.高分辨率地震勘探[M].北京：石油工业出版社，1993：49.

[10] 李庆忠.河道解释中的陷阱[J].石油地球物理勘探，1998，33(3)：336-341.

(本文作者：王进海唐怡朱敏齐俊宁许勇肖敏常智川庆钻探工程公司地球物理勘探公司物探研究中心)