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1、 目 录 第一章 绪论.1 1.1 选题的目的和意义 1 1.2 浅层地震成像研究现状与发展趋势 2 1.2.1 浅层地震反射波法和散射波法发展概况.2 1.2.2 浅层地震资料处理与成像方法研究现状和发展趋势 .3 1.3 论文结构安排和主要工作成果 6 1.3.1 论文结构安排.6 1.3.2 论文创新点及主要贡献.7 第二章 反射与散射联合成像基本原理.8 2.1 波在界面上的反射与能量分配 8 2.1.1 平面波的反射与透射.8 2.1.2 能量分配与反射波最佳测量方法.9 2.2 散射波的形成与能量分布特征 11 2.2.1 菲涅尔带与散射波的形成.11 2.2.2 圆柱体散射的波函
2、数与能量分布12 2.2.3 多种模型散射波（P-P）能量分布特征14 2.3 综合分析与联合成像基本原理 17 2.3.1 CMP信号叠加及其应用限制17 2.3.2 绕射扫描偏移叠加原理及其局限性.19 2.3.3 浅层地震反射与散射联合成像基本原理.20 第三章 反射与散射联合成像实现方法.22 3.1 联合成像主要步骤与需要解决的关键问题.22 3.1.1 联合成像主要步骤及其流程框图.22 3.1.2 联合成像需要解决的关键技术问题.23 3.2 反射波时距曲线与共反射点记录提取.23 3.2.1 任意地形条件下倾斜界面时距曲线和共反射点记录提取 .24 3.2.2 水平界面上有垂直
3、裂缝存在时距曲线和共反射点记录提取 .25 3.3 散射波时距曲线与共散射点记录提取.27 3.3.1 散射波时距曲线 .27 3.3.2 多种模型共散射点记录提取方法.28 3.4 模型选择和联合成像应用条件 29 3.4.1 模型的分类与使用方法.29 3.4.2 联合成像应用条件.31 3.4.3 速度分析和成像速度提取.31 3.5 希尔伯特变换和多参数成像方法 32 3.5.1 希尔伯特变换原理.33 3.5.2 复信号多参数计算与成像方法.34 3.6 联合成像具体实现方法总结 35 第四章 联合成像应用实例与效果分析.37 4.1 模拟分析37 4.1.1 多次覆盖观测系统成像效
4、果分析.37 4.1.2 等偏移距观测系统成像效果分析.41 4.1.3 参数选择对成像效果的影响与分析.41 4.2 应用实例与效果分析 45 4.3 影响成像效果的主要因素综合分析 46 第五章 虚拟仪器技术与成像系统设计.48 5.1 虚拟地震信号采集仪器 48 5.1.1 基本原理和关键技术.49 5.1.2 主要指标与发展前景.51 5.2 联合成像软件系统设计与应用实例 51 5.2.1 联合成像软件系统设计与结构组成.51 5.2.2 虚拟仪器与等偏移剖面成像系统.52 5.2.3 等偏移剖面成像系统应用实例.53 第六章 结论与建议.55 6.1 主要结论55 6.2 进一步研
5、究的建议 56 附 录 地震成像软件系统简介.57 1 工程物探信息系统 .57 2 浅层地震联合成像软件 .58 3 虚拟地震信号采集仪器 .60 致 谢.61 参考文献.62 2005.5 中国地质大学博士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 选题的目的和意义 浅层地震勘探是一门年轻的正在蓬勃发展的勘探地球物理学科。它是根据人工激发的 地震波在介质中传播的物理特性来研究地层的地震参数与岩土物性参数及结构参数之间的 关系，确定各种地质界面的空间位置、形态，解决非均匀复杂小构造地质体的形态、性质、 结构以及对地下介质进行综合评价。 浅层地震反射波法（有时简称为浅层地震）是最为成熟、应用最为广泛的
6、地球物理勘 探方法之一。这种方法利用不同介质因波阻抗的不同，在分界面处产生波的反射以及散射 等现象，通过接收反射波、散射波的信息，进而达到获取地下介质分布状态、物性参数。 反射波法不仅可应用于勘察基岩面、寻找地下构造、岩石和土的物理性质，还可用于寻找 地下空洞和不良地质体等。近几年来，随着我国城市建设的深入发展，交通、水利等基础 建设投入的加大，各种工程地质和工程质量问题，不仅影响了基础建设的发展，还危害到 国家和人民的生命财产安全。因此，如何准确地对地下不良地质体或地质界面进行有效的 探测成为各种基础建设的前提条件。浅层地震勘探不仅具有无损、费用适中的优点，而且 还具有效率高，成果直观等特点
7、，因而受到了广泛的关注，其应用领域涉及到基础建设的 各个方面。 地震成像是处理地震反射资料的最终阶段和目的，石油地震信号处理的全部过程通常 包括能量增益、反褶积、静校正、速度分析和共中心点叠加，最后应用偏移等方法进行构 造成像。对于浅层地震所勘探的对象浅层介质而言，由于其形成年代较新，岩层比较疏松， 介质不均匀性十分严重，并且在很多情况下是需要在其中探测不规则异常体。根据地震波 传播原理，当介质存在横向不均匀或者异常体小于第一菲涅尔（Fresnel）带时，地震波在 这些岩性突变点处将会产生散射波（又称绕射波） 。因此在应用浅层地震勘探时，所测得的 地震记录经常是反射波与散射波信号同时存在，并且
8、在某些情况下后者能量远大于前者。 在信号处理过程中如果仅考虑反射信号，对于异常体所产生的散射波作为干扰信号进行压 制和消除，这样会丢掉许多有用的重要信息。在地形起伏条件下假设射线垂直对信号进行 静校正，当炮检距很大或者高程变化较大时，静校正常常会导致重大误差，并且很多情况 下静校正的部分正是需要探测和查明的对象。当地层倾斜或者构造速度横向变化时，地下 反射点是发散的， 共中心点并不真正反映地下同一反射点的信息， CMP （Common-midpoint） 并不等同于 CRP （Common-reflection point） ， 因此在使用 CMP 道集进行信号叠加处理时常 常得不到理想效果。
9、 由上分析可知，一方面是水、工、环问题对浅层地震分辨率的要求很高；另一方面， 2 王运生：浅层地震反射与散射联合成像研究 2005.5 如果浅层地震反射资料直接借鉴应用石油地震成像方法进行成像，将无法得到理想效果。 综合运用地震勘探、信号分析、概率统计和计算机应用等技术，对浅层地震反射与散射信 号进行联合成像研究，实现快速高精度直接成像，避开动、静校正所带来的误差。同时对 信号采集和数据处理进一步研究，设计出具有实用价值的浅层地震成像系统，显然具有重 要的学术价值和实际意义。 1.2 浅层地震成像研究现状与发展趋势 1.2.1 浅层地震反射波法和散射波法发展概况 国内七十年代初已经开始对浅层地
10、震反射波法进行应用研究，但是因为当时仪器性能 和方法技术不能适应复杂的地震地质条件而未能取得预期的地质效果。八十年代初期，引 进一批以美国 GEOMETRICS 公司生产的 ES-1210F 为代表的信号增强型地震仪， 紧接着又 开展了浅层地震反射试验。其中包括浅层震源研究、仪器系统响应、反射窗口选择、等偏 移观测和简易的水平迭加等技术。 “七五”期间，水电系统组织有关单位共同承担了浅 层地震反射方法及数据处理研究国家科技攻关课题。在浅层反射数据采集和处理方面， 由北京水电院与核工业部地质研究所共同研制的 ES 磁盘采集系统和 CSP 浅层反射处理软 件，实现了数据采集和数据处理一体化。与此同
11、时东北水电院在长春地质学院协作指导下 研制的 ES 数字记录器和 SSP 数据处理系统， 同样完成了反射数据采集和处理的攻关目标。 在浅层反射方法研究方面，对浅层反射震源、反射最佳窗口、水平多次迭加等野外工作方 法和技术进行了系统的研究和试验。在激发与接收参数选择、多次覆盖观测系统及提高分 辨率和信噪比的技术措施等方面积累了宝贵的经验，取得了大量的应用成果。 八十年代中期以来，国内很多工程物探部门开展了浅层反射勘探的研究和应用工作并 且取得了明显进展。 机械部勘察研究院 （耿光旭， 1994） 开发出 “浅层地震反射处理系统” , 该系统具有滤波、动静校正和水平迭加等功能并且取得一定应用效果1
12、。廖全涛和陈增运 （1999）通过实例及理论分析，定性地研究了关于超浅层地震勘探中防空洞表现的特征和 规律，同时指出对于能否定量地表示防空洞埋深及其宽度与异常位移关系，尚需作进一步 研究2。张全生（2001）通过应用实例总结得出，浅层地震勘探技术在探查岩溶、溶洞方 面的应用效果较好，是一种可行、有效的勘查方法3。赵明（2002）使用高分辨率浅层地 震反射波法在地下 10m范围探测防空洞取得了良好的地质效果4。在广州新白云机场和柳 州市银仔山隧道等勘查项目中，广西地球物理勘察院利用浅层地震技术解决工程地质问题 取得了较好的效果5。大量应用实例表明浅层反射波法不仅能直观地反映地层界面的起伏 变化，
13、而且还能探测地下隐伏断层、岩溶等不良地质体，是工程物探中最重要、最常用的 方法之一。 国外浅层地震反射勘探于七十年代初首先在加拿大和美国开展起来，在浅层反射的理 论研究、方法试验、仪器设计与制造以及在不同领域实际应用等方面都取得了明显成效， 为我国浅层地震的开展和发展提供了许多借鉴。 1980 年加拿大Hunter等人使用工程地震仪， 2005.5 中国地质大学博士学位论文 3 采用“最佳窗口”技术进行基岩填图获得成功。通过对浅层地震方法技术进一步应用研究， 1984 年指出当覆盖层厚度大于 20m时，在理想条件下可以取得很好的探测效果。当时信号 处理主要采用带通滤波、动、静校正等方法技术，最
14、后通过选择最佳偏移距，用等偏移距 地震记录生成地震剖面。其后使用佐普里兹（Zoeppritz）方程，通过多种地质模型对地震 波反射信号能量与相位变化规律进行研究，指出在某些条件下当地震波的入射角较大时反 射波的相位会发生很大变化，这对于反射信号的测试和识别具有重要意义 6,7。Miller和 Steeples（1990）应用高分辨率浅层地震反射波法进行浅层地质构造探测取得较好效果，同 时对震源选择和信号静校正、CDP（Common-depth point）水平迭加等方法技术进行深入 研究8,9。对于浅层或超浅层地震反射波法勘探而言，地表物质中纵波的传播速度有时比空 气中的声波速度还要慢，因此在
15、测量浅地表的纵波信号时，往往受到空气中声波和与声波 相似的波的干扰。另外，由于震源所产生的非线性变换，即使使用重锤、小型气枪或者爆 破等手段，也很难分辨出地表 2 米内的直达波和折射波。Baker、Steeples和Schmeissner （1999）使用自动电火花震源，在某些情况下可以测量出 2 米深度范围内的纵波信号10 ， 浅层地震方法技术和应用效果再次取得重大突破。 目前，浅层高分辨率地震勘探（反射波法）已经取得了很大进展，在时间剖面上 0.2s 左右所记录的反射波主频已达到 1000Hz。 在理论上， 已经认识到影响分辨率的各种因素和 提高分辨率所需要采用的方法措施。在野外数据采集方
16、面，宽频带、可控震源、高频检波 器、高采样率和大动态范围的记录仪器，为提高分辨率创造了必要条件。在数据处理方面， 出现了许多提高信噪比和分辨率的方法技术，取得了良好的处理效果。在解释方面，也发 展了一系列方法和配套技术1116。无论是国内还是国外，浅层S波反射法虽然已经取得很 多成功应用（Goforth和Hayward，1992） ，但推广应用远不如P波反射波法普及。一方面从 浅层地震记录中分离同时存在的面波和横波是十分困难的，同时S波法一般很难达到所预 期的高分辨率1720。因此若无特别说明，浅层地震勘探（反射波法）即指浅层P波反射法。 早在 1952 年Krey已经提出应用地震波散射信号对断层进行分析研究21。 随后Trorey 和Berryhill（1997）对散射信号形成过程给予证明并且对多种散射模型进行计算分析2224。
