地震物理模拟

一、地震声学实验室的物理模拟

John A. McDonald, G. H. F. Gardne

休斯敦大学地震声学实验室(SAL)是一个研究实验室，创建于1977年。这个实验室的研究宗旨是改进反射波地震技术。为此，它得到许多公司的联合资助，研究成果发表在半年刊的进展报告上。根据协议，成果首次发表后六个月内只限于资助者享用，六个月后。这些成果才可以在公开的出版物上发表。

我们相信，这个半年刊进展报告中的一些论述是值得广泛传播的，但是，这些论文的作者都是业务繁忙的职业地球物理专家，他们缺乏时间为有关刊物撰写论文，因此，我们

选出SAL最初四年(1977—1981)的一些论文，辑成本书。由此可以部分地反映出物理模型作为反射地震学的一种辅助手段在各种研究上所能带来的许多好处。

地震声学实验室通过对地震采集、处理和解释的研究，达到改善含烃岩石的三维声学图象的目的。为研究方便，实验室建立了一个地震模型模拟水槽，并发展了理论反演模型模拟技术和解释技术。通过这些论文，我们可以大致了解，利用物理模型模拟和数值模型模拟可能取得什么样的成果。本书所选的七篇论文虽然内容各异，但仍然只能是对于各种

可能性的一种启发。

例如，Owusu 和Gardner证明，使用一种两步法的三维偏移技术可以对速度进行确定。这种方法不大受反射层几何形状的影响。在随后一篇论文中，Owusu和 Gardner把他们的分析加以引深，消除了垂直测线方向及沿测线方向的倾角和界面曲率的影响。Smith和Hilterman 讨论了引起共深度点(CDP)道集中波形畸变的绕射效应。在另一篇论文中，Smith 以模拟的油田研究了垂直地震剖面法的应用，并把它与地面地震数据进行了比较。Morgann 和Hilterman叙述了用频率域成像方法提取三维模型参数的方法。Chou和他的合作者引入了“照快像”的概念来观察被场。这一方法在地震模型实验室已成为Dan Kosloff指导下的一项持续研究项目。同时，在早期的一篇论文中，Duffy曾广泛地采用物理模型模拟方法以发展煤层勘探方法。

这些论文介绍了地震反射数据的物理和数值模型模拟方法的一些应用，除此之外更多的应用也是可能的，其它一些研究成果随后将陆续发表。

历史回顾用物理模型研究地震波几乎可以追溯到六十年以前。Terada和Tsuboi (1927)曾用琼脂，即一种胶冻作过一个模型。他们用电磁脉冲作震源，观察了诸如地震波随深度变化以及传播路线上断层和河道的影响等情况。在另一篇论文中(Tsuloi，1927)，又利用一个二层模型对瑞利波的波散和传播路线上河道的进一步影响进行了研究。

五十年代，曾有一些物理模拟系统和实验陆续发表。大约最早的是Kauffman和Roever(1951)，防后有Norhwood和Anderson(1953)，Howes、Tejada-Folicaldi和Randoph(1953)，Oliver、Press和Ewing(1954)，Evans等(1954)， Levin和Hibbard(1955)，C1ay和McNeil(1955)，Hall(1956)，Carabell和Folicaldi(1957)，Evans(1959)和Angona(1960)。

Kauffman和Roever(1951)曾经建立了一套在实验室条件下研究瞬变波的仪器。他们的结论反驳了一些人关于研究天然地震和原子爆炸数据的观察结果。同时，他们还利用一个简单的蜡质模型辨认了反射被、折射波和面波。

Northwood和Anderson (1953)、Howes、Tejada-Flores以及Randoph(1953)进一步采用了类似岩石的材料，例如一次是水泥，另一次是石灰岩，尽管他们用电火花作激发源，但仍象Kauffman和Roever、Howes， Tejada—Hores一样把他们的模型浸放在水槽里，用水作为传播介质。由于包活成本在内的种种原因，Oliver、Press和Ewing(1954)偏向于使用二维模型。他们当时研究的是面波，所以主要用盘状模型以满足实验的需要。Healy和Press(1960)发展了01iver、Press和Ewing 的模型，在他们的模型中速度和密度是随深度

而变化的，而且可以测量瑞利波的波散。

Evans等(1954)的论文和Levin、Hibbard(1955)的论文已经开始认识到，通过对模型实验进行适当的标定可以有效地研究实际情况下的波动过程。Evans等很快注意到：震源和接收器的物理尺寸对这种标定所带来的问题。Levin和Hibbard(1955)虽然使用的只是一个简易的二层模型，但却作出了惊人复杂的地震记录。Clay 和McNeil(1955)将他们的记录与理论的解作了对照，得到了满意的结果。

虽然到目前为止，我们举出的论文中只涉及到纵波或面披，但Evans曾论证过可以在模型里产生SH被，并能得到简单清晰的反射。

在所有阐述专为解决助探问题而设计的模型实验室的论文中，Angona(1960)的论文可能是第一篇。在这篇论文中用的是一个由一种或多种任意形状的弹性材料制成的二维模型。所用的材树有有机玻璃、饲、铝和钢，胶结剂为环氧树脂。速度的改变是通过把不同材料的薄片胶结在一起来实现的。调整各层薄片的厚度，可以使制成的模型的复合速度在一切介质的速度范围内变化。这个模型实验室现在属于南Methodist大学的达拉所地球物理实验室。

Harper(1965)扩充了Angona的实验，他在模型上加上了垂向尺寸小于脉冲波长的突起和凹槽。这代表简单的断层，为了解释这样得到的地震记录曾进行了一番努力。

60年代，有些地球物理学家(如Silverman，1969)表达了用全息技术代替反射地震法或作为它的一个补充手段的兴趣。为了叙述清楚．应该说明这两种方法的相似和不同之处。反射地震法依赖于波在岩石间的界面上反射；全息方法则还要依赖波在界面上的散射。反射法的震源是脉冲式的，而全息方法的激发源则是连续的。从理论方面看，全息方法应能产生出地下物体的三维映象，而在60年代末反射法的映象仅仅是剖面。Silverman(1969)提议发展“大地全息法”。同时为了演示的目的，他用了一个类似于地震声学实验室(SAL)的水槽装置。这篇论文引用了Farr(1968)早些时一篇论文。这两篇论文都说明了，用相干声波可以产生出浸在液体中的物体的图象。

然而全息技术并没有被人们接受，French、Marcoux、Matzuk对一些原因作了解释。正如他们所解释的，全息技术要用于地震勘探必须加以修改，从而能包括消球差的方法(ap1anatic approach)，多种频率和多个激发源。为了说明他们的观点，French、Marcoux、Matzuk也利用了物理模型的实验结果。

经过充分的考虑，他们断定研究反射纵波的—种满意的方法应该是把模型浸在水槽中，使震源和接收器从模型的上方通过，用水作为传播介质。虽然完全是固体的系统提供了研究横波和其他类型波的手段，但这种系统的不灵活性却把自己排除在外了。如果用空气作为传播介质，则不可能用适当比例模拟实际的大地。French、Marcoux、Matzuk还认识到早期实验的一个不足之处，即它们使用的是模拟记录方式。所以，他们的模型系统的目的是要产生数字地震记录。早期的数字化系统具有局限性，每炮每道只能记录一个样点。例如一个1000样点的记录道就需要激发源重复1000次。这样为实验速度未免太慢。然而，他们还是用它得到了道顺序的数字地震资料。

我们已经注意到，French-Marcoux-Matzuk模型系统是专为研究从构造上反射回来的纵波而设计的。激发源，接收器和模型放在一个边长为3英尺的水槽中。水糟内壁覆盖一层厚毯以减少水槽壁的反射，为了减少伪反射，模型本身是用细线固定在水槽的深度一半的位置上(图1-1)。在最初的这个设计中，激发源和接收器之间保持恒定的源检距沿y方向在模型上方前进而产生地震剖面。使激发源和接收器能在x方向上移动的装置完全是用于改变剖面的位置。

Hall(1956)指出模型尺寸按比例缩小决定了激发源的频率成分必须改变。一个合理的线度缩小比例1000：1(即模型上的1英尺相当于实际的1000英尺)要求反射地层法5~100赫兹的工作频率按比例变为5—100干赫兹，这就要求我们使用高频激发源。尽管人们曾试图