01-地震模拟技术11

地震模拟技术中国矿业大学资源学院潘冬明Tel：13395220802E-mail：[e-mail]为什么要进行地震模拟？由于地震勘探是一种间接地质手段，在对地震资料的认识过程中，有很多的不确定性。为了验证地质解释或地质认识的正确性，常常需要建立地质模型进行地震模拟。通常，所建立的地质模型是实际地层的一种简化，只考虑影响地震剖面的主要因素。地震模拟分类物理模拟数值模拟：有限差分、有限元和伪谱法等内容1.物理模拟技术•物理模拟设备•物理模拟记录时频特征•物理模拟前提-相似性原则•物理模拟材料和制模工艺•煤系薄层地震物理模拟•煤系地层薄互层地震物理模拟•陷落柱、小构造地震物理模拟2.数值模拟技术•数值模拟分类•有限差分法基本原理•积分方程法和射线追踪法•有限差分的空间高精度近似•有限差分正演模拟应用3.合成地震记录•褶积模型基本理论•褶积模型数学表达•利用Z变换计算反褶积•合成地震记录制作•合成地震记录可能的陷阱1.物理模拟技术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与实际情况接近真实性和可比性高物理模拟的缺点模型制作和改变参数均困难成本较高Galgary大学3D物理模拟实验台实验台结构示意图1.1物理模拟设备Alineararrayoftenpiezopintransducerspositionedonasolidsurface.Adjacenttransducersareseparatedby10mm.Inthisarray,thetwoendtransducersareusedasreceivers;theeighttransducersinthemiddleareusedastransmitters.1.1物理模拟设备超声地震物理模拟实验控制系统超声地震物理模拟实验定位系统1.1物理模拟设备超声物理模拟实验系统及工作原理1、超声脉冲发生器：激发换能器发射和接收超声波；2、换能器：发射换能器将电讯号转换成超声波，加载于模型上；接收换能器将接收到的超声波再转换成电讯号送回到接收设备；3、模数转换器：它将来自超声仪的模拟信号转换为数字信号并送到计算机；4、计算机：进行数据采集控制及数据记录。5、控制系统：根据计算机指令对定位系统进行控制。6、三维定位仪：根据观测系统对激发和接收换能器进行X、Y坐标定位。超声地震物理模拟实验原理Amodelmarinesurvey,witheighttransmitters(Tx)andtworeceivers(Rx).Rx#1moveswiththetowedarray.Commonoffsetgather(offset=40mm).normalizedformatAGCformatAcommon-sourcegatherrecordedonasolidsurfacesurface-wavehyperbolaemutedOriginalgather1.2物理模拟记录时频特征地震物理模型实验研究最主要使用的是超声波方法。使用的超声波频率一般在104—107范围之内，而地震勘探中用的地震波主频约在10—102范围之内。因此，后者的波长大约是前者波长的102—107倍，而超声波和地震波在介质中的传播速度是处在同一数量级范围之内的，按照几何尺度和物理参数的相似性准则，一般可以选用10-2—10-7倍尺度的模型来模拟真实的地质构造，通过观测超声波在模型中的传播特征来推断地震波在地下地质构造中的波场特征，这即为超声地震模型实验的基本思想和主要方法。1.3物理模拟前提—相似性原则相似性原则几何相似性(运动学)物理相似性(动力学)几何相似性指用相应的比例将地质模型缩小如长度缩小比例为λ，则面积缩小λ2，体积缩小λ3如传播时间为τ，则速度比为λ/τ，加速度比为λ/τ2各层的倾角与实际地层的倾角相同模型材料与地层介质的物性参数具有相似性要求模型材料与地层介质的物性参数具有相似性1.3物理模拟前提—相似性原则动力学相似性考虑的是质量分布比μ，则密度比为μ/λ3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实例：建立一个用10cm表示1km的模型长度比λ=10-4由于使用材料速度范围的限制，λ/τ≈1由于λ已确定，则只能调整τ，则τ=10-4则震源频率应力勘探中实际使用频率的104倍如果模型密度与实际地质体密度基本相同，由于密度比μ/λ3=1，则质量比μ=10-121.3物理模拟前提—相似性原则1.4物理模拟材料及制模工艺模型材料选择依据：（1）所选的模型材料要符合地层速度的分布与变化规律；（2）模型材料应易于加工、制作；（3）性能稳定，不易受环境条件(湿度、湿度等)的影响；（4）易于与其它材料进行组合；（5）取材方便，成本可控。有机玻璃部分常用工业材料的速度和密度材料气体液体板材固体材料二氧化碳甲烷水甘油有机玻璃树脂板石蜡树脂橡胶纵波速度（m/s）250~300400~4501450~15001700~20002200~28002300~30002000~23002200~2700900~1100密度（g/cm3）0.0020.00070.9971.2611.18~1.211.15~1.320.91.1~1.31.1~1.4石蜡硅橡胶1.4物理模拟材料及制模工艺常用物理模拟材料名称密度(103Kg/m3)纵波速度(m/s)横波速度(m/s)铝2.762603080铁7.758503230锡7.333201670铅11.42170700黄铜8.647002110不锈钢7.957903100大理石2.6661503260石膏2.2647902370花岗岩2.6647702700石墨2.1633001700有机玻璃板1.2023401251石英玻璃2.605370瓷2.4153403120橡胶0.901479聚氯乙烯1.452240980橡皮泥17501300硅橡胶1.38930环氧树脂1.142220-2480淡水(200c)0.9981483液体石蜡0.8351420石油0.701330煤油0.9161490横波速度?1.4物理模拟材料及制模工艺现在最常用的研制复合材料的办法是混合方法。将具有不同物理性质的材料混合在一起，通过调节不同的混合量比例来达到调节弹性参数，主要是速度参数的目的。混合方法中有的仅发生物理反应，而有的也会有化学反应发生。混合方法可使用的材料有多种，如环氧树脂－石英砂、环氧树脂－铁粉、硅橡胶－铁粉、混凝土－石膏、环氧树脂－硅橡胶等等。不论是哪两种物质混合，确立混合模型材料性质变化规律的工作量都非常巨大，因为两种物质混合后的弹性参数或者速度值与混合比例并不成线性规律，而是一个非常复杂的过程。就目前而言，在实验室中最常用的环氧树脂与硅橡胶的混合后的复合材料。1.4物理模拟材料及制模工艺1.将所需的原材料（环氧树脂、硅橡胶等）、固化剂以及一些需要的材料按事先计算好的比例备好；2.将各种材料按顺序依次倒入搅拌容器迅速搅拌均匀；3.将搅拌均匀的混合材料倒入真空容器进行抽真空处理；4.将抽好真空的材料倒入事先准备好的模具直至完全固化为止；5.将模型从模具中脱模；6.多层模型需按以上步骤逐层浇铸，直至整个模型完成。制模工艺流程1.4物理模拟材料及制模工艺用煤层尖灭体模拟不同入射频率对薄层响应特征影响的物理模型实验34Hz44Hz60Hz入射频率入射频率对薄层响应特征的影响煤系薄层地震物理模拟响应特征1.5煤系薄层地震物理模拟45Hz原始记录60Hz70Hz35Hz通过分频剖面可以更清楚地区分不同频带的地震数据，然后可根据数据的频带范围进一步处理，可有效提高分辨率。主频34Hz主频44Hz主频60Hz谱分解技术1.5煤系薄层地震物理模拟地震谱分解解释技术是一项基于时频分析的地震属性分析技术，它提供了一种在频率域分析、解释地震数据的新途径。该技术源于Widess提出的利用地震振幅信息定量研究储层厚度的方法。对于地下地层而言，随其厚度的增加，地震反射振幅逐渐增大。当地层厚度增加至1/4波长的调谐厚度时，反射波振幅达到最大值；然后随地层厚度的增加，反射振幅反而逐渐减小。Partyka等的研究表明，谱分解后，某一厚度的薄互层调谐反射，在频率域某一频率的振幅谱干涉图中更加凸显，可依此定量刻画薄层的厚度。1.5煤系薄层地震物理模拟谱分解技术是利用离散傅氏变换（DFT）或基于Z变换的最大嫡谱方法（MEM），将地震数据变换到频率域的三维地震处理技术。离散傅氏变换是将时间函数g（t）变换为频率函数G（f）：其数学表达式是：式中：i=-1；a（j）是地震时间道在样点j处的振幅值；A（k）是经过傅氏变换后，数据道在频率k处的振幅值，N是时窗内的样点数。(f)()Ggte2()()iftGfgtedt120()()NijkNjlAkaje1.5煤系薄层地震物理模拟地震时窗长短的选取对振幅谱的频率响应非常重要。在通常情况下，地震波s（t）被看作是子波w（t）与反射系数序列r（t）的褶积，再加上噪音n（t），即s（t）=w（t）*r（t）+n（t）。在地震数据的分析过程中，传统频谱分析方法与谱分解技术的主要差别之一是数据分析时窗的长短。长时窗与短时窗产生的振幅谱频率响应的差别是相当大的。传统方法由于傅氏变换要求信号在（-∞，+∞）上取值，因此，对长时窗数据分析而言（一般大于100个样点），傅氏变换所带来的误差很小，可以获得较为理想的效果；采用短时窗（一般小于60个采样点）对数据进行分析，由于在短时窗内反射系数只包括几个薄层的反射界面，这时反射系数不再是随机的，其频谱也不呈白噪的特点，反映薄层顶、底界面的反射系数的干涉结果在振幅谱中形成频陷。这种频谱特征在与子波褶积后仍保持不变，为频谱分解技术预测薄层的分布提供了可能。1.5煤系薄层地震物理模拟短时窗频谱分解与褶积模型Shorttimewindowspectraldecompositionandconvolutionmodel1.5煤系薄层地震物理模拟合成记录30Hz40Hz50Hz60Hz70Hz谱分解技术通过数学模型，还可看出在分频数据体中薄层厚度不同其调谐振幅的差异，低频最大振幅对应较厚地层的调谐响应，根据这种调谐响应可从另一种途径估算薄层厚度。（1－15米）1.5煤系薄层地震物理模拟楔状体理论模型不同频率调谐曲线振幅谱主频对应调谐厚度(m)按理论值反演调谐厚度(m)绝对误差(m)相对误差（％）原始记录11110040Hz记录1513.751.25950Hz记录11110060Hz记录99.10.11.170Hz记录77.850.8510.8改变了以往以地震子波主频定义调谐厚度的单一做法，因此也可以根据波长、频率和速度的关系计算薄层厚度(λ＝v/f)。1.5煤系薄层地震物理模拟在利用调谐效应进行薄层厚度解释时，要先根据地层情况确定出薄层的调谐厚度值，然后再通过振幅或主频来求取地层厚度。对已确定的地层，也可以根据解释的需要，调整入射波频率，从而也就改变了调谐厚度值，这样也就改变了地层的相对厚度，使它可以处于“薄层区”，也可以使它处于“厚层区”，从而达到我们所需的目的。因此，入射频率提高可以提高地层的分辨能力。1.5煤系薄层地震物理模拟单界面3m薄层6m薄层9m薄层单界面的反射与薄层的反射不同。薄层的复合反射与顶板单界面反射的差别较大，相位相反；随着薄层厚度加大，薄层存在中频的陷波现象。（1）薄煤层地震反射特征1.5煤系薄层地震物理模拟样品号厚度d(m)速度V(m/s)波长(m)(f=44Hz)d/λ(1)52220501/10(2)102437551/5.5(3)152400541/3.5(4)202600591/3(5)252700611/2.5(6)302600591/2(7)402600591/