塔克拉玛干沙漠区浅表层对地震波吸收衰减的影响
塔克拉玛干沙漠区浅表层对地震波的
吸收衰减调查与研究
摘 要
长期以来，众多专家学者认为疏松沙丘对地震波的吸收衰减是导致塔克拉玛干沙漠区地震资料的信噪比及分辨率均较低的重要原因，因此，搞清沙漠区近地表对地震波的吸收衰减程度，对野外采集及资料处理中采取针对性的措施具有重要的指导意义。文中以塔克拉玛干沙漠中的古城地区为例，总结分析了近地表疏松沙丘的特点，并采用“蜂窝状”方法对不同厚度的沙丘进行了吸收衰减调查试验，通过谱比法总结分析了该区沙漠表层对地震波的吸收衰减规律，得出了疏松沙丘对主频在40Hz 以的地震波的能量和频率的吸收衰减不严重的结论。
关键词： 沙漠区 分辨率 吸收衰减 谱比法
Investigation and Study of Seismic Wave Absorption and Attenuation Caused
by Shallow Layer in Taklimakan Desert
Chen Xueqiang 1，2
,Bai Wenjie 1
,Zhou Xu 2
,Li Jun 1
Abstract:Absorption and attenuation by loose surface lithology of sand dune has been known by seismologists as one of the main factors which influence S/N ratio and resolution of seismic data in Taklimakan Desert. Therefore, making clear understanding of seismic wave attenuation due to near surface of desert area will be significant for taking appropriate measures in seismic acquisition and data processing. Here we show a study which made in Gucheng area, Taklimakan Desert. In this study we analyzed the feature of loose desert surface and made absorption and attenuation test for different depth of sand dune using so called ‘Honeycomb ’method. After summarizing the relationship between surface of desert and absorption and attenuation with spectral ratios method, we reached a conclusion that loose surface of desert will not severely distort energy and frequency of seismic wave of which dominant frequency is less than 40Hz.
Key words: sand dune; resolution ;absorption and attenuation; spectral ratios method
1引 言
高分辨率勘探是对油气田进行精细勘探的必要手段，而保证较高的地震波频率，是提高分辨率勘探的基础。众所周知，地震波频率的衰减是受传播介质的性质及传播距离所决定的，这一过程是客观存在的。提起沙漠区，很容易让人获得感性认识，疏松沙丘对地震波的吸收衰减严重，是影响地震资料信噪比及分辨率的重要因素，诸多专家学者在相应的文章中也表达了这样的观点[1][2]。因此，搞清沙漠区近地表对地震波的吸收衰减程度，对野外采集及资料处理中采取针对性的措施具有重要的指导意义。
针对疏松沙丘对地震波的吸收衰减问题，很多专家学者从机制机理及模型计算方面进行了较为深入地探讨，认识到了表层疏松沙丘吸收衰减问题的复杂性[3]~[8]。而对于实际生产过程中，疏松沙丘对地震波的吸收衰减程度到底是多少，目前仍没有一个理性的认识。大量研究表明，搞清表层疏松沙丘的吸收衰减规律，最好的的方法就是进行野外调查试验。古城地区位于塔克拉玛干沙漠中南部，是该沙漠具有典型代表性的区域之一。针对古城地区开展了不同沙丘厚度的野外吸收衰减调查试验，搞清塔克拉玛干沙漠区疏松沙丘对地震波的吸收衰减情况。
2 塔克拉玛干沙漠近地表特点
塔克拉玛干沙漠表层具有一个稳定的高速层顶面，是一个呈东南高西北低的曲面。与这个稳定的高速层顶面为界，工区的近地表结构分为高速层顶面以上和以下的两层结构，高速层顶面以下为含水砂层，速度分布稳定,为沙漠区近地表结构的高速层；高速层顶面以上为疏松沙层，统称为低速层，受压实作用影响，低速层具有连续介质性质。低速层厚度整体趋势是从北到南逐渐变厚，最厚可达200m 以上，主要分布在玛山北部、塔东南及古城地区。通过对大量的微测井资料进行分析可知，塔克拉玛干沙漠高速层顶面以上的近地表的速度与深度基本上是呈1/2次幂函数的非线性关系，即塔克拉玛干沙漠区高速层顶面以上的疏松沙丘的速度随深度的关系式为：
式中，V 为埋深为Z 时对应的纵波速度，V0为地表的纵波速度，Z 为距地表的深度，β为变化系数 通过对古城地区的40口微测井进行统计分析，进一步研究沙丘性质。古城地区区沙丘在地表面的初始速度一般在150-400m/s ，低速层厚度在25m 以的沙丘，初始速度变化围大，规律性非常差，低速层厚度大于25m 的沙丘初始速度变化稳定，一般在200-300m/s 之间(见图1a)；低速层的底界速度（连续介质的终
210)1(z V V β+=（1-1）
了速度）一般在350-1100m/s ，且随厚度的增加呈非线性增加(见图1b)；低速层厚度大于25m 的沙丘，速度变化系数β规律性较好，基本上在0.1～0.5之间，并随厚度的增加逐渐变小；低速层厚度小于25m 的沙丘，速度变化系数β规律性较差(见图1c)。调查资料分析显示，该区的低速层的平均速度随厚度的增加呈非线性增加（见图2a ）；高速层速度分布在1600-1900m/s 之间，其中，沙丘厚度在10m 以的高速层速度分布在1600-1750m/s,沙丘厚度在10-55m 以的高速层速度分布在1750-1800m/s,沙丘厚度在55－90m 的高速层速度分布在1800-1900m/s （见图2b ）。从上述分析可知，古城地区的沙丘连续介质性质受形成条件和压实作用的影响，厚度在25m 以的沙丘性质差异较大，厚度大于25m 的沙丘性质变化相对较为稳定。
3 疏松沙丘吸收衰减调查与分析
3.1疏松沙丘的吸收衰减调查试验方法
大量的研究及试验表明，野外吸收衰减调查试验是分析疏松沙丘对地震波吸收衰减情况的相对可靠的途径。调查方法设计的原则要保证分析的地震子波纯净，不受其他波场干扰，使影响因素严格单一，并具有可预知性。综合考虑，采用蜂窝状调查方法进行沙丘吸收衰减调查较为合理（见图3）。该方法，采用零偏移距、大深度和大偏移距、高速层中的激发方式，采用距零偏移距激发井尽可小的半径、地表不同深度的井中单点接收方式，并采用大动态围地震仪接收。具体的工作方法如下：
b 图1 古城地区疏松沙层连续介质性质统计
a 低速层底界速度分布;
b 近地表初始速度分布;
c 速度变化系数 图2 古城地区表层低速及高速统计 a 低速层平均速度分布
;b 高速层速度分布
a) 接收方式
野外检波器埋置采用蜂窝状井中埋置的方式进行数据采集。地表以下1m 以点距为0.2cm ，地表以下1m-3m 点距为0.5m ，地表以下3m-10m 点距为1m ，地表以下10m-20m 点距为2m ，地表以下20m 以后点距为4m ，高速层顶面以下0-15m 放3-4个检波器，点距为5m 。施工中，让这些检波点围成的圆形半径尽可能小。
检波器型号：SN7C b) 激发方式
在检波点围成的圆心位置（调查点）和远偏移距分别各放1炮。
调查点位置：1口×最大钻井深度×1-2kg 。
偏移距3km 位置：1口×高速层顶面下5m ×20kg ；
c) 仪器因素
仪器型号：SYSTEM Ⅳ
前放增益：0dB （调查点位置）、36dB （远偏移距）
采 样 率：0.5ms
记录长度：7s
3.2疏松沙丘的吸收衰减分析
由于目前塔克拉玛干沙漠的重点勘探区－塔中地区的高速层顶面深度大部分在5-40m 之间，因此，主要针对低速层厚度分别为2.5m 、8.7m 、18.7m 、30m 、35.6m 五种沙丘进行了吸收衰减调查试验。为了保证用于分析的采集数据的真实可靠性，采用基于上行波的数据质量检波方法，对所有调查数据进行质量筛选。由于试验区的单炮信噪比非常低，单点接收的道集上基本上看不到反射波，因此，本次吸收衰减调查仅对近偏移距的上行波和远偏移距的折射波初至进行了吸收衰减分析。
图4a 和b 为低降速层厚度为35.6m 的沙丘的吸收衰减调查记录（初至拉平后），图4c 和d 分别为初至波的均方根振幅（为做图方便，偏移距3km 的振幅值放大了100倍）及主频随检波器埋深的衰减情况。从图4a ～d 中可以看到，在地表和高速层顶面附近的检波器接收的地震波波形、能量、频率均受地表或高速层顶面的虚反射的影响严重，振幅得到相干加强，主频降低。从图4c 和d 中可以看到，偏移距6m 激发的上行波到达高速层顶面附近的主频为65Hz ，经疏松沙丘后，到达地表衰减为45Hz ，均方根振幅值由450mv 衰减为400mv ，而偏移距6km 激发的初至波到达高速层顶面附近的主频为35Hz （不考虑虚反射影响），到达地表后为32Hz 左右，均方根振幅值在地表附近受虚反射影响反而得到相干加强。
图4 疏松沙丘对地震波吸收衰减分析图（h 0=35.6m ）
a 偏移距6m ；
b 偏移距3km ；
c 能量衰减；
d 主频衰减
a b
c d 0.2 0.7 1.2 5.1 6.2 7.5 10.8 12.1 15.4 25.3 43.6 62.5 1.1 1.2 t /s
z / m z / m
0.1 0.2 t /s
0.2 0.7 1.2 5.1 6.2 7.5 10.8 12.1 15.4 25.3 43.6 62.5
图3 疏松沙丘吸收衰减调查试验示意图
为进一步分析疏松沙丘对地震波频率的吸收衰减情况，通过变步长反褶积消除调查记录上的地表虚反射的影响后，采用谱比法求取了不同厚度的沙丘的吸收衰减系数。图5a ～d 分别为估算的低降速层厚度为8.7m 、19m 、30m 、35.6m 的沙丘的吸收衰减系数。图5表明疏松沙丘主要对40Hz 以上的频率成分的吸收严重，且在地表以下1-3m 最为严重，频率在40Hz 以时吸收相对较弱。结合前面的初至波的均方根振幅和主频的衰减分析结果可以获得这样的认识，疏松沙丘对主频在40Hz 以的地震波的能量和频率的吸收衰减不严重。另外，受其他波场干扰的影响，Q 值难以准确求取，从统计分析来看，对于频率为80Hz 以的地震波，疏松沙丘从浅到深的品质因子基本分布在0.1～50以。
3.3高速层顶面下的接收试验
为进一步验证深埋检波器的实际应用效果，在哈南地区进行了单个检器波器分别埋置在高速层顶面下1m 与地表、多个检波器埋置在地表组合接收的试验。图6为该试验线的表层结构图，低速层厚度为0.4-59.4m,平均厚度11.2m 。图7为40Hz 高通滤波后的叠加剖面对比。可以看到，单个检波器、高速层顶面下接收的高频成分信噪比远低于40个检波器组合地表接收的剖面，说明即使是高速层顶面下不组合接收仍难以保证沙漠区中深层及高频信号的信噪比。
为进一步分析效果，分别选取了不同地表类型的南、北段的浅、中层进行了频谱分析，见图8、9。图8选取的cmp 点位于起伏沙丘中部，对应地表的低速层厚度为5-30m ，作用道基本上位于起伏沙丘段（h0=5-60m ）。可以看到，起伏沙丘段高速层顶面下接收的浅层(1.38-1.46s)反射波主频为33Hz ，而单个地表接收主频为28Hz ，40个组合地表接收主频为26Hz ，高速层顶面下接收提高浅层反射波主频5-7Hz; 中层(2.45-2.54s )3种接收方式主频均在18-19Hz ，无明显差别。图9选取的cmp 点位于沙平地段中部，作用道基本上位于低速层厚度为5m 以的平坦地段。沙平段3种接收方式浅层反射波主频均在34-35Hz ，中层均为31Hz ，无明显差别。
940
9509609709809901000
1010
1020
761000
766000771000776000781000点号高程/m
检波点及炮点段满覆盖段高速层顶面z / m
6 γ / (m -1)
4 2 0 0 4 8 12 16 20 24 28
b a
c
d 图5 不同厚度的疏松沙丘对地震波的吸收衰减系数估算 a 8.7m;b 19m;c 30m;d 35.6m 6 γ / (m -1) z / m 4 2 0 0 4 8 2 6 12 16 18 20 22 6 γ / (m -1)
z / m 4 2 0 0 2 6 4 8 10 12 14 16 18 6 γ / (m -1) z / m
4 2 0
0 4 8 2 10 12 14 16 18 20 6
时窗1.38-1.46s 时窗2.45-2.54s
图8起伏沙丘段的频谱对比（h0=5-30m）
4811:40个组合地表接收、4812: 高速层顶面下接收、4813:单个地表接收
时窗1.18-1.23s 时窗2.49-2.56s
图9沙平地段的频谱对比（h0=2-5m）
4811:40个组合地表接收、4812: 高速层顶面下接收、4813:单个地表接收
图7不同检波器接收方式的剖面对比（Hp(30,40)）
a地表1个检波器接收；b高速层顶面下1个检波器接收；c地表40个检波器组合接收
a b c
段试验结果表明，低速层厚度大于5m的起伏沙丘，高速层顶面下接收的地震波主频高于30Hz时，可以在不同程度上进一步提高地震波主频，一般在5Hz以上；低速层厚度小于5m的沙平地或高速层顶面下接收的地震波主频在20Hz以下时，反射波主频能够提高的幅度非常小；同时，不组合接收难以保证中深层及高频信号的信噪比。
上述试验资料说明，受长距离的地层传播过程中的吸收衰减影响，地震波主频较低（20～30Hz），疏松沙丘的吸收衰减影响相对较小，因此，该因素不是影响地震资料品质的重要原因。
4结论
通过上述研究工作，主要取得了以下几方面的认识：
1）塔克拉玛干沙漠高速层顶面以上的近地表的速度与深度基本上是呈1/2次幂函数的非线性关系,沙丘连续介质性质受形成条件和压实作用的影响，厚度在25m以的沙丘性质差异较大，厚度大于25m的沙丘性质变化相对较为稳定。
2）疏松沙丘主要对40Hz以上的频率成分的吸收严重，且在地表以下1-3m最为严重，频率在40Hz 以时吸收相对较弱，对于塔中地区深层勘探来说，疏松沙丘的吸收衰减作用不是影响该区地震资料品质的重要原因。
3) 段试验结果表明，沙漠区地面组合接收的剖面品质明显好于高速层顶面下方单点接收的剖面，因此，检波器组合是保证沙漠区地震资料品质的一个非常重要方法。
上述结论仅是结合少量试验的初步分析结果，因此，这些认识还需要进一步地深入研究分析及实际资料验证。
参考文献
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