2. 中国石油大学 (北京) 地球物理与信息工程学院, 北京 102249;
3. 教育部地球信息探测仪器重点实验室, 长春 130026;
4. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061
2. College of Geophysics and Information Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
3. Key Laboratory of Geo-Exploration Instrumentation of Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130026, China;
4. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130012, China
0 引言
随着地震勘探[1]工作的不断深入，容易勘探的平原区域日益减少，主要勘探任务转向了地表条件复杂的区域[2]。这些区域近地表不均匀性突出，特别是表层高速层[3]、山地[4]或滩浅海[5]等区域，给地震的激发、接收和静校正带来较大的困难。表层调查工作的准确与否直接影响到地震资料的成像效果[6]，前人[7-10]对这些特殊地表地区的表层调查研究较多，但多数是针对具体地区特殊地表情况所采取的针对性表层调查方法。
表层结构调查方法较常见的有小折射[11]、微测井[12]、浅层钻探和地面雷达[13]等。近年来出现了一些新的表层结构调查方法，如三分量微VSP (vertical seismic profiling，垂直地震剖面) 技术[14-15]、电阻率法[16]和微分电测深法等[17]，以及多种方法的综合应用[18]。表层结构调查最直观的方法是观察岩石露头和钻探录井。野外地震队最常用的方法主要是小折射和微测井。小折射可以比较快速地测定低降速带的厚度，追踪高速层的埋深；微测井通过钻井地震方法来获得井下到地面的波的传播信息，可以比较直接地研究低降速带变化。微测井方法根据激发、接收方式的不同又可分为井中激发地面接收、地面激发井中接收和双井微测井[19]。双井微测井方法利用两口井井中地面接收到的地震初至波信息，能有效调查表层厚度和速度在纵横向上的变化，但是需要两口井，成本较高。
1997年，李驰等[20]在松南地区BW区块进行了实验，提出了微测井结合小折射、τ值 (τ为井口检波器时间) 结合微测井的实际工作方法，研究了潜水面和表层地质情况的变化，探讨了松南地区的激发条件和最佳井深的选择。2004年，孙巧玲等[21]应用VSP微测井技术在四川盆地进行了表层调查，认为在中高陡构造和逆掩推覆体勘探中，VSP微测井技术有助于地震勘探采集和处理技术的提高。2007年，丁建荣等[2]在雷州半岛WX地区进行了小折射和微测井方法的比对实验，得到井中微测井方法是表层火山岩覆盖区有效的表层调查方法，并提出加强生产井的钻井岩性录取是提高表层结构岩性描述精度非常经济有效的方法。2008年，陈吴金等[22]在永新地区进行了小折射、微测井和地质雷达的综合实验，提出在表层结构复杂地区，应综合多种方法进行调查，取长补短，才能更好地确定目标区低降速带的厚度、速度、埋深等资料，为激发岩性的选取和静校正提供准确的基础数据。2013年，张光德等[23]结合柴达木盆地三湖地区岩盐区的近地表结构，建立了工区实际近地表模型，提出了结合微测井初至时间、波形、能量以及Q值 (Q为品质因子) 变化进行表层结构精细解释的三步分层法，制定了盐岩区地震采集新的激发井深设计原则，成功解决了盐岩区的激发难题。
此次，为满足国家深部探测项目对方法比对研究的需求，同时为辽西葫芦岛东部进行区域首次大范围地震勘探井深设计提供依据，为后期数据处理提供准确的静校正量，本文结合小折射、地面微测井和井中微测井三种表层调查方法的工作原理，在辽西葫芦岛东部地区分别应用三种方法做同点比对实验，以期为该工区选择合适的表层调查方法及方法参数选取提供依据。
1 研究区概况辽西葫芦岛东部地区地表起伏较大，地势呈西北高、东南低的趋势，为松岭山脉延续分布的丘陵地带[24]，出露地层为典型的华北型[25]。研究区地层发育较为齐全，有太古界，中、新元古界，古生界，中生界[23]和新生界。辽西葫芦岛东部前侏罗纪区域大地构造上位于华北板块北部燕山台褶带东段，东南为华北断坳 (新生代渤海湾盆地)，北邻内蒙地轴。燕山台褶带基底由太古宇建平 (岩) 群和片麻状绥中花岗岩构成；中、新元古代发育大陆裂谷作用，形成强烈沉降地区，即燕山裂陷槽，沉积厚度巨大的燕山型中、新元古界；古生界为典型华北型沉积；中生代受到环太平洋构造带活动叠加改造，印支运动、燕山运动强烈，北东、北北东向断裂发育，形成一系列北东、北北东向隆起与中、小型断陷盆地相间排列的构造格局，断陷盆地内发育陆相火山-沉积岩系；新生代燕山地区以隆升剥蚀为主，其南部则发育大陆裂谷盆地 (渤海湾盆地)。地貌上，该区属于辽西山地黑山丘陵的东部边缘，区域地貌为海滨丘陵。
研究区地形起伏大、潜水面起伏大，海拔高程为4~191 m。中部至南部海边为农田，土层厚小于0.5 m，近地表火山岩覆盖，交通发达、人口密度大，地面干扰源较多；北部为山区，地表裸露岩石，起伏较大且通行困难，海拔高程最大超过180 m。研究区复杂的地表和地质结构给表层调查带来困难。
2 方法原理 2.1 小折射方法小折射是利用浅层折射波和直达波来研究表层结构的一种表层调查方法[26]，适用于地表较平坦、且下层速度大于上层速度的区域，其原理是根据地震波在临界面产生的沿界面滑行的折射波的时距方程，计算出表层的速度和厚度。
折射波的传播路径如图 1所示，则折射波到时t为
(1)
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| 图 1 单层水平介质模型下小折射原理示意图 Figure 1 Small refraction schematic in monolayer horizontal medium |
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式中：H0为低速层厚度；x为炮检距；v0和v1分别为低速层速度和高速层速度；α0为临界角。由折射理论可知，α0与上下层介质速度的关系为
(2) 变换得
(3) 将式 (3) 带入式 (1) 可得
(4) 可见，基岩速度的倒数1/v1为折射波的斜率，截距时间t0为
(5) 则厚度H0为
(6) 推导可得第n层厚度Hn[26]为
(7) 式中：Hi为第i层厚度；t0n为第n层折射的交叉时；αi=arcsin (vi/vn)；φ=arcsin (vn-1/vn)；vi为第i层速度。
2.2 微测井方法微测井是基于一口或多口穿过低、降速带的井[27]，采用井中激发 (或者接收)、地面接收 (或者激发) 的方式得到透射波记录 (图 2)，根据透射波初至时间来研究近地表结构的一种方法。
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| a.地面微测井激发方式；b.井中微测井激发方式；c.井中微测井地面检波器布置。 图 2 微测井原理示意图 Figure 2 Principle diagram of micro-logging |
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得到微测井地震记录后，拾取透射波的初至时间，并转化为井口位置自激发自接收的垂直时间，设井中检波点或激发点K的垂直时间为tzK，则
(8) 式中：tK为K点的初至时间；HK为K点的深度；d为井检距。
将转换后的时间tzK与对应的深度置于时间-深度坐标系。当不同深度的tzK点位于同一速度层内时，点的分布应为一直线，不同速度层对应直线斜率的倒数即为该层的层速度，两直线交点为上下层介质的分界面，如图 3所示。
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| 图 3 微测井解释时深曲线 Figure 3 Micro-logging explanation time-depth curve |
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通过微测井时深曲线，可以得到低、降速带的速度、深度以及高速层的埋深。
3 比对实验辽西葫芦岛东部测区低、降速层厚度和速度变化大，一般坡顶较薄、坡底较厚，表层有片麻状花岗岩等高速岩体存在，有的区段表层被低速的黄土状土层覆盖，有的区段有凝灰岩、细粒花岗岩出露，覆盖大面积的火山岩，横向变化大，地表条件复杂。在表层结构调查中，对测区内同一点进行小折射、地面微测井及井中微测井三种方法的比对实验。
3.1 小折射方法实验小折射方法按照观测系统不同可分为单支观测法、单边密双边观测法、相遇观测法、追逐放炮观测法、中间放炮观测法等几种方法，本次实验在地表高差2 m以内的平坦地段，采用相遇观测法进行。观测系统为双边观测系统，24道接收，排列长度100 m，道间距分别为1、1、1、1、2、3、5、6、6、8、10、12、10、8、6、6、5、3、2、1、1、1、1 m，偏移距为2 m，0.4 m坑炮激发，药量为0.5 kg，采样间隔0.25 ms，如图 4所示。
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| 图 4 小折射观测系统示意图 Figure 4 Schematic diagram of observing system of small refraction |
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仪器采用法国Sercel公司428XL数字地震仪、Sercel俊峰公司SG-10超级检波器、荷兰 (美国ION) BoomBox编译码器。
3.2 地面微测井方法实验地面微测井采用地面激发、井中接收的方式，炮点与井口距离为2 m，0.4 m坑炮激发，药量为0.5 kg，接收道数12道，检波器间隔1 m。为保证检波器与大地更好地耦合[28]，将检波器固定在充气袋上，用打气筒给充气袋充气，使检波器贴到井壁；为保证充气袋气压充足，在工作过程中，打气筒不断给充气袋充气。每激发一次，检波器整体上移0.5 m，如图 5a所示。
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| a.地面微测井；b.井中微测井。 图 5 微测井观测系统示意图 Figure 5 Schematic diagram of micro-logging observing system |
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仪器采用法国Sercel公司428XL数字地震仪，前放增益12 dB，采样间隔0.25 ms；JC508-CT2井中检波器；荷兰 (美国ION) BoomBox编译码器。
3.3 井中微测井方法实验井中微测井采用井中激发、地面接收的方式，实验井井深为15 m，其中0.5~12.5 m激发间距为0.5 m，13~15 m激发间距为1 m。1发雷管激发，同时保证雷管在水中激发。
仪器采用WZG-24A工程地震仪，前放增益12 dB，采样间隔0.2 ms，记录长度500 ms；PS-38单只检波器，共12道接收，1—5道井检距为1 m，6—12道井检距为2 m，如图 5b所示。
4 结果比对 4.1 小折射解释成果图 6为小折射的左右支监视记录。小折射近炮点初至较难拾取，且中间约9—12道为小折射方法的盲区。解释结果如图 7所示：低速层厚度为2.8 m，速度为536 m/s；降速层厚度为10.3 m，速度为1 287 m/s；高速层速度为4 049 m/s。
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| 图 6 小折射左右支监视记录 Figure 6 Left and right monitoring records of small refraction |
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| 图 7 小折射解释成果时距曲线 Figure 7 Time-distance curve of small refraction interpretation results |
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图 8为地面微测井的炮集记录。由于井中检波器与大地无法良好耦合，且工作过程中用于固定井中检波器的充气袋漏气，产生噪声，致使初至起跳不干脆，初至时间较难读取。解释结果如图 9所示：低速层厚度为7.29 m，速度为792 m/s；无降速层；高速层速度为3 977 m/s。
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| 图 8 地面微测井炮集记录 Figure 8 Shot gather of ground-uphole |
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| 图 9 地面微测井解释成果时深曲线 Figure 9 Time-depth curve of ground-uphole interpretation results |
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图 10为井中微测井的炮集记录，初至起跳干脆，容易读取。解释结果如图 11所示：低速层厚度为2.66 m，速度为431 m/s；降速层厚度为4.32 m，速度为989 m/s；高速层1厚度为4.68 m，速度为2 804 m/s；高速层2速度为4 137 m/s。
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| 图 10 井中微测井炮集记录 Figure 10 Shot gather of well-uphole |
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| 图 11 井中微测井解释成果时深曲线 Figure 11 Time-depth curve of well-uphole interpretation results |
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三种表层调查方法的解释结果与岩性录井结果比对结果如表 1所示。
| 项目 | 低速层 | 降速层 | 高速层1 | 高速层2 | ||||||
| 厚度/m | 速度/(m/s) | 厚度/m | 速度/(m/s) | 厚度/m | 速度/(m/s) | 速度/(m/s) | ||||
| 小折射 | 2.80 | 536 | 10.3 | 1 287 | 4 049 | |||||
| 地面微测井 | 7.29 | 792 | 3 977 | |||||||
| 井中微测井 | 2.66 | 431 | 4.32 | 989 | 4.68 | 2 804 | 4 137 | |||
| 岩性录井 | 0~3 m的黄土 | 3~6 m的灰白色大理岩 | 肉红色花岗岩 | |||||||
由表 1结果可见：三种方法解释结果与岩性录井结果基本一致，井中微测井方法与岩性录井结果最为相近，分辨的地层层数最多。其中：小折射与井中微测井解释结果低速层厚度都在3 m左右，与岩性录井结果对应；地面微测井没能分辨出低速层和降速层分界，第一层厚度7.29 m与岩性录井的低速层和降速层总厚度相当；小折射降速层厚度与井中微测井降速层和高速层1的总厚度相当，速度也介于井中微测井降速层与高速层1之间，可见井中微测井层位调查更为精细；井中微测井降速层与岩性录井3~6 m的灰白色大理岩对应，而小折射和地面微测井的分辨能力不够；高速层速度均为4 000 m/s左右，与该深度的花岗岩速度相符。
5 结论1) 三种方法均能绘制出高速层，较小折射与地面微测井，井中微测井的精度最高。
2) 三种法均可指导井深设计，且小折射因其成本低、操作简便，在精度要求不高的井深设计方面具有明显优势。
3) 井中微测井较其他两种方法精度高，能分辨更多的地层，与岩性录井结果最相近，适用于精度要求较高的静校正。
4) 地面微测井没有分辨出黄土层与大理岩的界线，分析原因为固定检波器充气袋在工作过程中漏气、产生噪声，井中检波器也未能与大地良好耦合；另外检波器易受地表噪声影响，使初至起跳不干脆，初至时间难以读取，从而影响解释结果。
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