文档介绍：如何更精确地探知地下世界-工程论文
如何更精确地探知地下世界
中专家李培明
上天容易入地难,这句话是说由于地球内部无法用直观的方法进行探索,因此探知地下世界非常艰难。但并非不可以去了解,我们可以通过对天然的山体、沟壑的观测,理解一些地球内部的构造和地球本身的演化史。随着人们对地球内部地质能源、矿藏的开发需求,以及对来自于地球内部灾害的了解、预测以及控制的需求等,许多人工观测地球内部的方法被科学家提出,比如钻井、重力、大地电磁等,在不同的尺度下来描述地球内部。这里想向大家介绍的是一种基于人工激发地震波来探测地球内部的结构的方法——地震勘探。
什么是地震勘探
地震勘探方法(见图1)是利用地震波在地球内部传播时,不同的物质、构造会对地震波进行的改造不同,如反射、绕射、波动幅度变化等,而识别这些变化就可以获得地下的结构、构建物质等信息。首先这种方法需要用人工震源来激发地震波,同时还需要能够检测这种震动信息的传感器,并将这些信息采集记录下来,以便我们提取有关地球内部因素引起的地震波变化信息,而这个提取过程就是对所采集到的地震资料进行处理与解释,最终的成果就可以比较真实可靠地描述地下界面起伏、介质速度与密度、岩性、孔隙度等丰富的信息。
地震勘探与医学中的CT方法有些类似,不过医学CT用的是X射线,其波长为数量级,是对人身体的某一部分成像,而地震勘探采用的是地震波,其波长在数量级之间,其威像的对象是地球某一区域。医学CT可以对身体进行全方位的立体观测,而地震勘探中的激发源与接收器一般情况下仅能放在地球的表面,因此后期的处理成像难度比医学CT更具有挑战性。
地震勘探方法经过了近百年的发展,各种激发源、传感器、记录仪、信息处理方法、地球内部重构方法越来越成熟。但随着地下矿藏勘探、开发的不断深入和了解地球内部本身结构细节的迫切需求,精细勘探、深挖细查的勘探任务越来越重,比如,为了较好地解决复杂断块分布、地下介质岩性识别、低信噪比地区成像以及地下目标体动态监测等难题。目前,地震勘探方法已走向了宽频、宽方位、高密度的高精度地震勘探阶段。
宽频地震勘探
宽频地震勘探主要为了提高地震资料对地下介质的分辨能力,可分为垂向分辨率与横向(或水平方向)分辨率。垂向分辨率为地震资料对地质体厚度的分辨能力,横向分辨率是对地质体长短与宽窄的分辨能力。由于地震波是各种不同频率和振幅的简谐波的叠加,实际地震波的波形包含着多种波长的波,短波长的波叠加在较长波长的波上(形态如图2所示),波形的胖瘦直接影响地震资料的垂向分辨能力,波形越“胖”其分辨地质体厚度的能力越差,反之则越好。而地震波波形的“胖”、“瘦”取决于地震波的频带,由图2可以清楚地看出频带越宽,波形越“瘦”,因此地震波频率成分的拓宽有助于实现更小尺度地质体的识别。也就是说,要认识更细节的地球内部结构需要宽频地震波。
这里所说的宽频是一个相对概念,比如常规勘探中主要目的层频带在8—60Hz之间,如第二次高精度勘探的频带在4~80Hz之间,我们就可认为第二勘探为宽频勘探。从提高分辨率角度而言,信号向低频端与高频端拓展都十分重要,但超低频和超高频信号的获取难度都很大,首先受激发源高频能量的限制、地层本身的响应和地层对高频信号的严重衰减,加上环境噪音的影响,获取可靠超高频