多波多分量

第一节多分量转换波地震技术简介
1．1多分量转换波地震技术
同常规纵波地震技术一样，多分量转换波地震也是一门研究地球内部物质弹性与非弹性属性的技术。

其中多分量地震数据的采集、处理与解释是这门技术的主体研究内容。

它是认识地球本体、监测与预报地质灾害以及探查与开发油气资源的一项最为重要的地球物理方法。

不同于目前广泛使用的常规地震勘探，多分量转换波地震勘探开发技术有其自身的一些特点，以三分量转换波地震技术为例，我们可以列表对比说明他们之间的异同点。

1．2多分量转换波地震技术研究的意义
多分量转换波地震技术既具有纵波勘探深度大、资料采集相对容易和投资少的特点，又能反映地下介质的横波速度变化。

多分量转换波地震的这一特点，使岩性勘探和油气的直接识别成为可能。

同时由于多分量的数据采集，在记录两个水平分量地震数据的前提下，可以利用横波分裂产生的快慢横波时差反映裂缝发育的主方向和发育密度，使得裂缝裂隙型油气藏的勘探开发成为可能。

如今多分量转换波地震技术以及与这一技术紧密相连的各向异性理论方法研究已成为国内外地震勘探领域的研究热点之一；建立与完善成熟可靠的多分量地震资料采集、处理、解释系统是目前这项技术发展的当务之急。

多分量转换波技术的优点
多分量转换波地震勘探同通常采用的单一纵波勘探相比，所能提供的地震属性(如走时、速度、振幅、频率、相位、偏振、波阻抗、吸收、AVO、复分量等)信息将成倍的增加，并能衍生出各种组合参数(如快慢横波差值、走时比值、乘积、几何平均值、求取的弹性系数等)。

利用这些参数估算地层岩性、孔隙度、裂隙、含油气性等将比只用单纯P波的可能性更大，可靠性更高。

通过三分量地震资料的观测，人们利用三分量地震记录上的运动学与动力学特征以及快慢横波的偏振方向指示裂缝带的优势方位；利用分裂时差来推算裂缝与裂隙密度等物理与几何参数。

与纵波速度资料结合，可以做碳烃检测，即区分真假亮点。

利用纵横波速度比、传播时间比、振幅比、泊松比等可以研究岩石孔隙度的变化、孔隙流体性质、裂隙发育区、岩性变化等，这些参数的预测对储层研究具有直接的物理意义。

利用横波双折射（横波分裂）研究介质的各向异性。

从长远来看，多分量接收，多波勘探，发展矢量解释，可能形成所谓的矢量勘探方法。

转换（PS）波在成像能力上虽然纵向分辨率以及信噪比都不如P波，但PS波的横向分辨率却高于P波。

另外，转换波在高速岩体之下的成像能力明显地高于P波。

上述这些优势导致了多分量转换波地震勘探技术近年来的快速发展。

本章将就多分量地震勘探技术发展的历程、现状及发展趋势作以下综述，以使更多的地震技术工作者对这一领域的进展有所了解并投身其中。

地震学面临的问题
为了提高油气勘探的成功率以及开发中的采收率，勘探地震学家付出了大量的心血，并取得了卓有成效的理论与实际成果，但至今距以上要求尚有相当大的差距。

其原因主要在于以下几个方面：
1、人们对真实地球内部介质的属性了解有限，无法精确描述地球内部介质与构造
的真正物理属性。

2、天然与人工源激发的地震波频带宽度均有限，而且地球内部介质对高频能量的
吸收与频散效应尚不能满意地得到恢复与补偿。

3、噪声干扰严重。

一些本质上为有效波的信息不能够得到充分利用，被人为地认
为是干扰波，这更加降低了地震资料的分辨能力。

4、地震探测最致命的缺陷之一在于地震信息量的严重不足，对地球内部特别是深
层的覆盖率很低，地球内部物性参量的求解严重病态。

5、在现有条件下，地震波激发频带的明显拓宽尚不太实际。

为此，在承认上述事实的前提下，摆在人们面前的问题是如何在长波长的条件下（不太宽的频带震源信号激发与接收），更精确的描述地球内部介质的属性。

这自然要求更好的利用所接收的信息，不仅需要利用P波信息，还需要利用SV、SH波及其相互转换的信息，不仅要利用垂直分量记录，还要利用径向与切向分量记录。

也就是说，多波多分量地震资料的采集、处理与解释是地震学界更精确描述地球内部介质属性的必由之路。

现有研究表明：多波多分量地震探测资料至少包含有三倍以上常规地震资料的信息。

这些信息的综合利用与约束对于解决数据不全问题、提高人们对地球内部物质属性的描述能力与分辨水平无疑具有非常重要的理论意义与实际价值。

因为多波多分量地震技术的应用不仅可以更有力地约束各向同性有关参数的成像，如纵横波速度、Q值，更可贵的是在地震各向异性理论的指导下，可用它来提取岩性、裂缝分布的地球物理参数以及应力场信息，如纵横波速度与品质因子、渗透率、各向异性参数等，而这些参数是利用单分量记录或各向同性模型所无法有效、可靠获取的。

因此说多分量地震技术也是地震各向异性研究的必要工具。

地震各向异性研究的需要
在长波长条件下，如何认识地球内部介质的属性的问题是地球内部探测的一个重要问题，现有理论研究、物理实验、岩性测试以及实际资料的观测与分析均表明，地球内部介质大致存在以下几种属性：
1.不均一性；
2.非弹性；
3.各向异性；
4.非线性；
5.随机性。

这些性质是地球内部物质的本质属性。

比如泥岩的各向异性达20%以上，页岩的各向异性达40%以上，而砂岩的各向异性在10%左右。

这些属性的研究对于地球本体与地球动力学研究灾害监测以及资源勘探与开发意义不言而喻，但科学研究及其成果的实用化具有其阶段性与必要性。

迄今为止，人们对非均匀性和非弹性的研究已取得了一定的成果，但尚需进一步的工作。

各向异性的研究正成为当今地震学与勘探地震学中的热点与难题，因为现有资料表明各向异性是广泛存在的，并且对岩性、裂缝、裂隙、薄互层以及应力场等均为重要的“标记”，故具有深入研究和实际应用的必要性和可行性。

因此，多波多分量地震勘探与各向异性研究已成为地球科学界与有关产业部门非常关切并身体力行的一项重要研究领域。

在近几年的AGU、IUGG、SEG、IASPEI与欧洲地球物理学会等年会上，有关地震各向异性与多波多分量研究与应用的论文所占分量越来越大，Science, Nature, Geophysics, Geophysical, Prospecting, Geophysical Journal Int.,JGR等国际上SCI与EI收录的学术刊物上有关多波多分量与地震各向异性方面的论文比例越来越大。

参加每两年一届的地震各向异性国际学术讨论会上的国家越来越多，其报告的研究成果涉及到地球科学研究与应用的各个方面。

这些均从另外一个角度表现出人们对地震各向异性以及多波多分量理论研究与应用的浓厚兴趣。

总之，多分量转换波地震技术研究和应用，是石油地震学最新进展的主要体现。

可以认为它是石油地震学研究的最后一块前沿阵地。

复杂介质与不规则结构、构造地质条件下的地震波理论研究的深入为多分量地震技术提供了主要的理论储备。

开展多波多分量地震波探测不可回避地球内部不均一性和地震各向异性的影响，不可忽视地震各向异性在勘探开发中的应用价值。

因此，开展多分量地震资料采集、处理与解释技术研究，对油气勘探与开发具有现实意义和实用价值。

1．3地震各向异性
各向异性效应的几种体现形式
（一）薄互层效应
由于地层内传播的地震波频带范围的限制，可分辨的地层绝大部分是小厚度的薄互层束组合。

此时，地震波传播的水平向速度与垂直向速度具有明显的各向异性。

（二）裂缝定向排列效应
同上述原因，而且在应力场作用下裂缝、裂隙具有其优势定向排列，在该类介质中传播的地震波具有明显的方向异性，而且裂隙内所含的油、气、水对速度和衰减各向异性具有重要的差异性。

（三）裂缝与薄互层组合效应
地球内部的介质经常是经历过多期运动的结果。

此时，既可能存在薄互层组合的特性，还可能出现优势排列的裂缝效应的叠合，地震波在此类介质中传播时同样会显示出地震各向异性效应。

（四）应力场作用的结果
在地球内部应力场作用下，地球内部物质会显现出明显的方向性，地震波速度具有其本质的各向异性效应。

（五）晶体矿物的定向排列
绝大部分矿物晶体存在不同类型、强度很大的速度各向异性。

在地球的内部，由于应力场的作用，晶体矿物定向排列，从而引起强烈的地震各向异性效应。

（六）岩性相变
在河流相或相变剧烈地区，沉积环境的变化也表现为岩性在各个方向上的差异，从而也
产生各向异性。

需要解决的几个实际问题
在资源探测方面，主要涉及以下问题：
（一）勘探目的扩大
对于横向同性的介质，在固有的各向异性和由成层所引起的各向异性之间的差别与其它比例已有一定的关系。

这种差别在勘探中是有意义的，因为从地震波场来看，以数米为单元的地层可以认为是薄层，但是此种所谓薄层可能没有岩性上的意义，相反地，来自微观的成层或晶体排列的固有各向异性具有岩性意义。

（二）测线闭合问题
现有地震探测资料显示，相互正交的两条测线上正交点处的地震记录无法达到闭合，这给地震资料的处理与解释带来困惑。

从介质内各向异性效应的存在性出发，不闭合现象是正常的。

不闭合效应是研究地球内部各向异性效应的一种可用的有效资料。

（三）中长排列动校问题
在有地球内部资料处理中的动校速度分析中主要是全部对短排列，而由于油气勘探的需要，中长排列观测越来越重要。

此时，人们发现中长排列动校时，不能很好拟合。

实际观测走时曲线大大偏离于所期望的走时曲线，而这通过各向同性是无法解释的。

从各向异性角度，这些偏差信息还是提取地球内部各向异性的最重要的资源。

（四）多波多分量噪声剔除问题
地震资料中噪声是抑制地震探测分辨率提高的重要因素。

常规单分量与双分量探测中主要是利用道间信息进行噪声剔除。

采用三分量观测，不仅可以利用三分量地震数据的道间信息，还可以利用道内三分量数据的有关信息剔除三分量上不同的即各向异性噪声。

（五）裂缝排列方位与裂隙分布问题
裂缝、裂隙的优势方位的确定对于开发井的选址及其钻井注水方案，均具有重要意义。

裂缝、裂隙密度与范围的确定对于储藏的评价同样具有实际价值。

尽管目前可以利用井中测量、古地磁以及震源机制解等方面手段开展裂缝优选方位研究，但它们粗糙而定性。

因为裂缝优选方位在纵横向均可变，而且原有方法对裂缝、裂隙的范围及其几何与物理参数的描述无任何准则可言。

从多波多分量地震资料与各向异性基础出发，可望对这些信息提供有力支持。

（六）应力场问题
尽管现有探测技术可用速度或震源机制解等方法来研究特定地质区的应力场状态，但由于速度的场确定时所存在的问题以及应力场空间上的差异性，尚不能定量地描述应力场的方向及其空间上的变化。

（七）时深转换问题
时间剖面仅仅是地球内部物质、结构与构造属性的间接反映，深度剖面所展示的才是直观的地球内部图象，时深转换对于从时间剖面上恢复地球内部的图象具有重要意义，转换精度是其中的关键问题。

由于现有勘探频带范围条件的限制，人们用层速度来进行时深转换，而不是垂向速度，这将造成时深转换的误差达到5%~10%。

如果能求解出垂向速度，自然可以提高深度地质图象的可靠性。

各向异性介质中地震波传播的几个基本特征
偏振特征
在各向异性介质中传播的地震P波与S波并不绝对平行或垂直于地震波的传播方向，但它们之间是相对垂直的。

这些特征可用来分辨地震记录上地震波类型。

波速方位异性
各向异性介质中地震波速度随传播方向而异，而且两类S波的传播速度不同。

这些特
征可用来提取地球内部P波速度与各向异性信息，以解释测线不闭合以及中长排列速度分析中存在明显的偏差等现象。

横波分裂特征
在各向异性介质中，任何类型的S 波传播穿过薄互层或裂隙介质时，S波将会分裂为偏振正交速度不同的两类S波，即分裂为快横波与慢横波，这些信息可以用来进行裂缝、裂隙方位与范围、应力场方向等研究。

振幅衰减的方位异性
在各向异性介质中，地震波在不同方向上的振幅具有明显的方位异性，而且似P波，分裂横波的衰减特性不同，并对裂缝、裂隙的存在性及其所含物质内容（油、气、水）具有特殊的指示性。

1．4需要进一步了解的几个问题
为了充分利用多波多分量地震资料中所携带的信息，尽管国内外多波多分量地震波理论与实际资料处理技术已具备实际应用能力，但笔者认为，仍然需要以“三高”为基础继续深入开展以下几项内容的研究。

多分量叠前去噪
多波多分量地震资料中地震波运动学与动力学特征，对多波多分量地震资料中的噪声进行剔除，以提高地震资料的信噪比，为提高后续的处理解释的准确性提供支撑。

常规处理中，仅仅能利用道间的有关特性去噪。

多波多分量地震资料去噪将不仅仅可以利用道间信息，还可以利用道内三分量间相关信息进行噪声剔除。

国际上尚无此类成果报道，我们考虑了三分量地震资料上相同的即各向同性噪声、径向与切向分量相同的各向异性噪声以及三分量不同的即各向异性噪声剔除问题。

这些噪声的剔除对于提高地震资料的信噪比与纵横向分辨能力具有实际意义。

经过中科院地球物理所的有关研究，具备解决该问题的良好基础，可望在近期取得实效的三分量去噪系列新技术。

多波多分量地震波速度分析
众所周知，地震波速度是地震波研究地球内部构造与岩性的关键参数，基于地震资料建立勘探与开发区的速度模型是地震资料解释之中不可少的，其精度还将决定其后续处理与解释的可靠性，多波多分量地震资料的采集对于地震波速度模型的建立具有很强的约束力。

目前存在的大多为基于声波或各向同性介质模型中声波、P波与转换PS波的地震波速度分析技术。

由于地震内部存在各向异性效应，基于多波多分量地震资料的地震波速度分析技术研究各向同性介质中P波、PS转换波以及含各向异性效应具有其理论与实际意义，国际上现投入极大的精力以研究含各向异性效应的速度分析技术，并取得了可喜的进展，但还有待开发出实用的地震波速度分析技术。

为此，从各向同性及各向异性介质中地震波运动学与动力学特征的分析出发，研究各向同性、各向异性介质中P波与S波的速度分析技术，是一条可行的捷径。

中科院地球物理所提出了多波多分量地震资料的多参数谱速度分析的新方法、理论模型试算，表明该算法对多波多分量地震资料速度分析技术具有可提取纵横波速与有关各向异因子的优点，并正在对VSP三分量地震资料进行实际处理，其研究经验可给地面多波多分量地震资料速度分析提供借鉴。

通过多波多分量地震资料速度分析技术，可以对多波多分量地震资料进行叠加处理，获得系列叠加剖面图（如各类波分离后叠加剖面或全波三分量叠加剖面），并以弹性波地震资料叠后偏移技术进行叠后偏移处理。

我国已针对多波多分量地震资料的特点，发展了叠后逆时有限差分、有限元及克希霍夫偏移技术，正在开发叠前全波偏移新技术。

多波多分量地震资料叠前偏移
叠前偏移是地震勘探偏移处理中的一项有价值的技术，声波偏移技术已经成型，并投入
生产，而多波多分量弹性偏移研究更具理论与实际价值。

它不仅可以进行叠前偏移成像，还可以用来进行多波多分量地震资料的速度分析。

用于多波多分量地震资料解释的正演模拟、AVO分析与多波参数提取
正演模拟对多波多分量地震资料解释的正确性具有直接的评价作用。

现可以利用有限差分、有限单元、边界元、射线追踪伪谱法等系列正演模拟技术，并予以优化和完善。

同时，对qP波与分裂横波的AVO特征进行分析，提取多波有关参数信息。

我国在正演模拟方面的工作具有国际先进水平，先后发展了高效的有限差分法、有限元素法、射线追踪技术、程函方程解技术、KOND算法、伪谱法以及褶积微分算子法、传播矩阵法等系列正演模拟技术，对裂缝型储层AVO研究表明，垂直与平行于裂缝走向的剖面上亮点与暗点现象的出现是裂缝裂隙隙带的重要指示特征。

多波多分量地震资料含各向异性效应的速度成像
利用多波多分量地震资料中地震波运动学与动力学特征，进行含各向异性效应的速度成像研究，有助于速度成像的精度与准确性，提高探测复杂地质条件下的油气藏的能力与水平。

1．5多分量地震勘探技术发展历程
1．5．1 横波勘探阶段
多波地震勘探的理论、方法、技术发展由来已久。

自从1828年泊松从弹性体运动方程中推证横波，1897年Oldham在天然地震信号中证实了横波的存在，直至1911年Love提出另一类Love波，横波勘探逐渐地走进研究与实际应用中来。

苏联较长时间是进行P-SV转换横波的研究，在这方面贝尔宗和她的学生作出了重大贡献。

她著有“地震反射转换波”一书，并于70年代将转换波用于石油勘探，由于转换波的处理比较复杂，苏联在82年提出了非对称观测系统以解决共反射点叠加问题，在横波震源问题解决了之后，现在也同时研究水平极化横波（SH波）。

1985年普兹列夫等人发表了“横波和转换波的地震勘探方法”一书，这是一本全面阐述横波勘探的专著，它标志着苏联的横波勘探已达到比较成熟的阶段。

美国和西欧国家对横波的研究较苏联晚一些，比较有意义的工作是20世纪70年代初开始的。

由于要用地震勘探直接寻找油气田，所以美国（于1966年）、法国（于1969年）和西德（于1971年）都纷纷开展了对横波的研究。

近年来，由于横波震源及处理解释方法有了新的突破，使得横波地震勘探有了很大进展。

1977～1978年，美国大陆石油公司在美国得克萨斯综合利用纵波纵横波研究了碎屑岩的剥蚀情况，1977～1979年以大陆石油公司及赫德森湾石油及天然气公司为主扩大到13家公司，在北美的七块地区进行了SH波的地震勘探，同时阿科公司也有三个队伍在北美进行横波勘探。

法国CGG公司从1969年开始在泰国、北美和法国等地进行了横波勘探。

采用两分量接收，同时记录P波和P-SV拨，求出泊松比，用彩色剖面显示，它们在转换波的处理方面有一定特色。

西德于71年在西德北部进行横波试验研究。

用炸药震源，进行了三分量观测，在不同距离上获得了横波记录，76年在北部再次进行了更为深入细致的试验研究。

此外西德的PRAKLA-SEISMOS公司在研究生产横波震源和接收装置方面有一定的优势。

我国横波勘探工作起步较晚，尚处于试验研究时期，主要工作始于六五期间。

四川石油管理局从1980年开始在川中遂宁地区开展了横波试验工作，采用三排井对称激发的方式获取SH波，继而研究了一套处理程序，并进行了纵横波资料的联合解释。

1985年石油部物探局用引进的横波可控震源在河南、内蒙等地区进行了SH波资料采集的野外试验。

1．5．2 纵横波联合勘探阶段
由于横波勘探深度浅、激发复杂等方面的原因，使得这项技术在是由勘探领域并没有走入实际的生产实践，而且这方面的研究目前较少。

取而代之是后来发展起来的纵横波联合勘探。

概括起来，同常规纵波勘探相比，纵、横波联合勘探具有以下特点：①可以提取更多的物性参数信息，减少地球物理反问题的多解性；②对比分析，可以提取更可靠的构造和岩性参数，确定储层特性，实现直接检测油气；③在某些地区，纵波勘探无法得到好的记录，横波可以弥补；④区别真假亮点；⑤研究介质的各向异性；⑥加大了勘探深度，但同时勘探费
用也增加了将近一倍。

1．5．3 多分量转换波地震勘探阶段
纵横波联合勘探的主要缺点是投资力度大，在深目的层情况下，横波采集困难。

相比而言，转换波勘探既保留了纵横波联合勘探的优势，也克服其中的一些缺点。

不仅我国，世界上也有不少地区重视对转换横波的利用，这主要是它有其独特的优点：①成本低于纯横波勘探，而所得信息却多；②入射为纵波，反射为横波，它具有两种波的长处，信噪比较高，频带较宽，静校正值较小，而且有较大的勘探深度。

此外转换波勘探的野外采集技术成熟、投资少，室内的处理解释技术在这几年也获得了较大的发展，逐渐地走上为生产服务的舞台。

多分量转换波地震勘探技术理论与应用研究起步较早。

70年代，人们试图利用横波速度低这一特点，取得比纵波高的分辨率，但横波的频率也低，使这一目的未能实现。

从70年代末到80年代中期改为综合利用纵、横波联合勘探，提取岩性参数，取得了一定成功。

但由于地下岩层普遍存在着各向异性，导致横波分裂，影响了方法的效果。

后来弄清了岩层裂隙系统与各向异性机制及其与油、气储集的密切关系，从而促成了80年代中期以来的第三次横波研究热潮。

近年来，随着横波震源和多分量检波器的研制成功及多波多分量地震方法研究的深入，多分量转换波地震技术有了新的进展，在数据采集、处理、解释等诸方面都有很大突破，并在实验和实际生产中取得了明显的效果[1]。

从国家七五科技攻关开始，就开始了多分量转换波地震勘探技术的研究工作。

石油大学、成都地质学院、长春地质学院、中国科学院地球物理研究所等单位在十几年的理论方法研究的同时，在实验室的物理模型、岩样、岩心的多分量数据观测和野外实际资料的采集、处理、解释实践中，不断地修正、改进，逐渐完善这一方法技术的研究。

到八五结束时，中国科学院地球物理研究所实验了多个区块的单分量转换波提取研究；在九五期间，大庆、塔里木、辽河等油田都做了二维三分量地震勘探的野外采集、室内的资料处理解释试验研究；1997年，煤田地质局同美国德士古公司合作，在已知的煤层气富存区开展了二维三／九分量的地震勘探研究1；1998～2001年，中国科学院地质与地球物理研究所联合中国矿业大学（北京校区）和地方物探队连续在河北、淮南及河南的几个煤矿进行了3D2C及3D3C的地震勘探研究；胜利油田在泥岩裂缝发育的罗42井区试验了二维三分量和三维三分量地震勘探。

八五、九五期间南京物研所进行了二维三分量和三维三分量的专题研究，主要是利用纵波震源进行三分量PSV转换波的试验研究2。

这些试验研究取得了丰富的理论方法研究成果和经验。

1．6 多分量转换波地震勘探技术现状
国际上对多波多分量地震勘探与各向异性研究全面起动于20世纪80年代初期，但主要是以理论性储备性研究为主。

我国该项研究大约在80年代中期开始，先后投入力量开展理论与实用化研究的单位有长春科技大学、国家地震局地球物理所、地质所、中科院地球物理所、国防科技大学、石油大学、地质大学、同济大学、地矿部南京物研所、核工业部、煤炭部有关单位、清华大学、吉林大学、中国科技大学、南京大学、辽宁及兰州地震局、四川石油管理局、辽河油田等许多科研单位与产业部门。

可以说国内外地震学工作者对于各向异性理论研究逐渐趋于成熟，在实际工作中也取得了共识，在多波多分量地震资料速度分析、岩性指示、裂缝探测、断层圈定以及偏移成像、AVO分析等方面取得了一系列有实际意义的新成果，并引起了越来越多的理论工作者与产业机构的关注与重视。

通过对美国14个地质区的调查，发现13个地质区具有明显的地震各向异性，另一个地区各向异性较弱。

在英国、法国、巴基斯坦、俄罗斯、挪威、巴西、美国、德国、日本、加拿大以及中国等多数国家均已见到该方面的大量报道，在各向异性速度分析、偏移、岩性分析、裂缝方向与分布等研究方面均取得了一些有实际效果的成果。

1．6．1理论研究
从70年代开始，地震各向异性引起了地震学家的极大的兴趣。

特别是在Crampin[8]证实了裂隙诱导各向异性和横波分裂的存在，并提出了泛张各向异性模型(Extensive
1煤层气预测的多分量地震勘探技术研究报告，中国煤田地质总局物探研究院，1998。

2地震转换波勘探新技术研究。

地矿部石油物探研究所，1994 。