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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。尽管人们曾试图使用其它器件(比如，Clay和McNeil，1955)，但在地震模型模拟中通常用的激发源和接收器是采用压电效应的。在这样的换能器中，数据采集装置将电脉冲加在晶体上，而使激发源产生震源脉冲(图1-2)。在French-Marcoux-Matzuk系统中，采集每炮返回脉冲的一个采样值并把它存储起来。然后用计算机建立一个时间顺序的数字(地震)道。用这种方式，得到了适合常规的数字地震处理方法的各地层道。
70年代中期的物理模型研究的宣点是单界面的地质系统。从激发源发出的能量以水为传播介质，从水和模型的单独一个交界面上反射回接收器并被记录下来。最早的实验目的是为了得到界面的正确映像，因此诸如地震脉冲性质等细节是不被注意的。 另一个曾被广泛研究的问题是建造模型的材料。为了找到适用并具有恰当物理性质的材料，人们曾试验研究过石腊、黄铜直至各种商用塑料。最终发现最适合这些单界面模型的材料为室温硫化硅橡胶。它们具有地震需要的主要性质——当与水接触时对于纵波的反射系数较高，同时它们易于铸造，易于梳入不易到达的地方。根据所用催化剂的不同，它们的硫化(固化)周期可以在几分钟到几小时之间变化。 海湾研究所早期的这些实验导致了几篇重要论文的出现。其中的两篇(French，1974，French，1975)证明真正的三维地震数据成像是可能的，而且还给出了一个构造解释问题的正确结果。图1-3中，我们可以看到现在大家所熟知的French模型，它是由R．I．Morris于1972年在海湾研究所用硅橡胶制作的。图1-4中，我们可以看到图1-3中测线7的一系列地震剖面。图1-4(a)是未经偏移的数据。图l-4(b)是经过二维偏移的剖面。在这张剖面上仍可看到第二个穹隆引起的侧面波。图1-4(c)是经过三维偏移的剖面，它已消除了侧面波。第一个弯隆和断层部已正确归位，这点可以由剖面上所画的轮廓线表示出来。 正是这个实验直接证明了物理模型数据的价值。采集模型数据所用的数字格式可以相野外的数据格式一样，这样就可以用模型数据发展复杂的处理技术。在这个实验中所用的处理技术被证明是正确的，因为它所得到的结果是正确的。如果在野外进行一个类似的实验，所需的代价则要高许多倍，而且结果的清楚程度也会差得多，因而很可能无法证明所用的处理技术是否正确。 地震声学实验室的建立 1977年休斯敦大学地质系的Hilterman 正确地断定；使其他同行了解物理模型优点的时刻已经到来。而在此之前Hilterman还曾进行过广泛的数值模型模拟研究(Hilterman，1970)。 在海湾研究和发展公司董事会的帮助下，Hilterman与学校电气工程系K. Y. Wang合作，建议十三家公司织成一个资助团体。这个团体的目的是支持一项用物理模型解决三维地层数据采集、处理和解释向题的研究计划。有关资助团体的计划是在1977年6月提出的，这个计划开始于当年十月。在第一年结束时，已有26个公司资助这项计划，每个公司支付10000美元的费用。 声学实验室早期的历史和出现的一些麻烦问题曾有人作过详尽的叙述(Taglor，1982)。实验室的管理始终是休斯顿大学的地学系和电气工程系之间大胆的联合尝试。主任的人选经历过三次变化，但工业界的支持却不断增加。 地震声学实验室的物理设施 地震声学实验室的模型实验系统用的水槽很大(10英尺x 8英尺x 5英尺)，可以容纳12吨水。它的基本原理与French-Morcoux-Matzuk的设计一样，但细节上有区别，下面将对其作简要说明。图1.5是整个系统的照片。 模型支撑系统 根据所研究的模型的重量，有两种模型支撑系统可供使用。对于轻的模型(即小于几十磅的)，支撑系统应使模型能旋转到适合的方向并倾斜到喜好用的角度。对子较大的模型(重几百磅)，支撑系统是一个放置在水槽底上的可调整的三脚支架。由于模型支撑在五个很小的点上，无关的反射可以减到最小。 换能器和绘图仪驱动装置 系统是由一个激发源和一个接收器组成，为了模拟通常的野外地球物理观测系统，当激发源在同一个位置重复激发时，接收器必须移动若干次(比如96次)。经过96次重复；一个完整的96道野外记录就核模拟出来了。这时激发源移到下一个位置并重复整个过程。用这种方式，可以模拟海上地震拖缆。
用计算机控制换能器的移动，还能模拟许多其他的各种观测系统(图1-6)。为了实现这些移动，激发器和接收器装在与王氏绘图仪相联的一根垂直杆上。绘图仪可以在水槽顶部的平面内移动。装激发源和接收器的垂直杆使得它们可以下降到距被研究模型上方给定距离的一个合适的平面上。 在这些实验中所使用的作为激发器的换能器都是依靠压电效应的逆效应，即把一种适当的晶体放置在一个电场中，它将产生弹性形变。如果晶体的一个面可以固定(用背撑)，其另一个面就会发生振荡并在与其接触的液体内产生波。当然，接收器依靠的是压电效应—晶体的弹性形变产生电场的效应。 自由振荡晶体的自然频率取决于它在振动方向上的厚度d.晶体越薄频率就越高，因而可以研究的模型就越小。但是为了增加发送信号的能量，又需要较大的晶体。因而常常不得不作某些折衷。可制造出频率达到兆赫范围的晶体，但地震声学实验室的工作人员发现频率范围在10-350千赫兹的晶体最为适宜。这些频率最容易确定模型比例．以后我们将叙述原因。 目前还在继续研究合适的换能器，除了各种类型的接收器之外，还一直在试验各种类型的点激发源、聚焦型激发源和定向激发源。基本的目的是为了制成可以近似模拟炸药 (震源)的点状激发源和不大于常规检波器组合的接收器。本书中所叙述的实验一般都不考虑震源子波和接收器畸变，因而在具体试验中所用的激发源和接收器的特性都没有记载 下来。 目前夜地震声学实验室使用的换能器有International Transducer公司的ITC-1080，其工作频率范围为1赫兹-350千赫兹；Celesco公司的LC-5-2(1赫兹-600千赫兹)和LC-10（0.1赫兹-120千赫兹)。最后两个型号通常用作接收器，第一个型号刚用作激发源。尽管这些换能器都是精制的，但可以发现它们往往是不对称的(图l-7)。该图是用LC-5-2作接收器，LC10作激发源在其额定范围之内或高于其额定范围工作测出的。图中可见脉冲谱的成分是方位角的函数，所以在用这些换能器记录的反射中发现的细微变化可能是换能器而非反射介质的反应。 数据采集系统 地震声学实验室的数据采集系统基本上是一个在前端加装了换能器接口的Petty-Ray Com Mand地球物理处理系统。这个采集系统把一个电脉冲送进激发源换能器，以产生激发脉冲。然后将返回的信号放大，并在开始数字化以前提供一个可调节的延迟时间。同时它也提供可变增益函数，记录达4096个的采样点，然后按照指令将这些采样的数据送入这个小型计算机中。图1-8表示数据和控制信号的通路。 脉冲源／接收器(P/R)有双重作用，一是为激发源换能器提供一个短延续时间的高压脉冲。脉冲能量可按四个级别调整，它的触发信号是由计算机产生的。二是包含一个为反射返回信号提供40-60分贝增益的前置放大器。返回信号可由激发源换能器接收，给出零炮检距的情况，或者，更普遍的是由与激发源换能器分开的接收换能器接收。脉冲源/接收器(P/R)不但为上述两种方法提供了条件，它还提供了一个可调整的高通滤波器。 一个程序控制的增益放大器(PGA)提供时间延迟、可变增益函数以及终了增益函数。这些都是可以通过计算机进行选择和控制的。因为任何一个道的记录范围是4096个样点。所以延迟时间使我们可以把增益函数移到正在被记录的—段时窗上。 提供选择的有六个增益函数。每一个增益函数从起始增益到终了增益的增益变化率是不同的，这些变化率是由一个电阻和电容的时间常数来确定的。这样，当通过一个电阻对与其串联的电容充电时，增益函数只不过是电容两端电压的按指数规律逐渐增大的时间的函数。 终了增益可以在1-36分贝范围内按照6分贝的步长选择。增益的控制是通过把电阻接通到宽频带仪器放大器的反馈电路中实现的。计算机发出的增益选择信号被译码，而且控制着一个继电器，并通过这个继电器控制着这些电阻线路的通断。 波形记录器(WR)由一个高速的十位模数转换器和4096字的存储器所组成。地震信号可以用小到0.1微秒的采样间隔进行采样，并以l/1024的分辨率进行数字化。启动对波形开始记录的触发信号是由计算机发出的。波形记录器具有间歇触发延迟线路，它可以使被记录的那部分波形作为一个时窗在记录道上前后移动。 被记录下来的波形可以用一种间隔的快速重复时间基线以模拟方式在示波器上显示或用调整到极慢的时间基线在x-y绘图仪上显示。在以数字方式输出时，采样字用的是10位并行格式。计算机控制着采样数据以字的顺序非同步方式传输。 地震声学实验室用的接口是另一家用户专为ComMand系统设计的。这个接口为脉冲发生器／接收器、程序控制增益放大器和波形记录器提供触发信号。程序控制增益放大器还接收来自接口的终了增益和增益函数信号。波形记录器向接口输送旗标信号和10位的并行信号。这样，数据道就被记录在ComMand系统的磁带上。 模型材料和模型制作 前面提到，为寻找合适的模型材料，人们曾对许多种材料进行过调查，早期的物理模型，如本书所述的在实验中使用的各种模型，只是单层的。它们仅要求水和材料界面的反射系数足够大，以便接收器可以得到足够强的信号。已经发现的最合适材料包括室温硫化(RTV)硅橡胶、反应注模(RIM)环氧树脂以及有机玻璃。所有这些材料总是浸在产生和接收能量的水中。地层声学实验室水槽中的水总是保持恒温；当然，为了防止藻类和细菌的繁殖，水还要不停地过滤。目前采用的材料所具有的物理性质如表1-1所示。 对一个典型的简单模型，可以使用一个注模箱模拟粘土中的地质界面(图l-9)，在粘土放好后，浇注熟石膏模子。这个模子经过修正即可作为最终的硅橡胶注模。硅橡胶要和催化剂在半真空条件下混合，以防止流体中夹带气泡。同样，在向模内浇注橡胶时也要严防产生气泡。因为这些气泡将成为十分有害的点散射源。目前已在制作远比上述复杂得多的界面模型。将在以后的论文中介绍他们的结构。 按比例缩小 物理模型按比例缩小的概念，White(1965)曾作详细权述，这里只作简单介绍。从本质上讲，原来野外工作的各个线度都与模型的相应线度成一定比例。例如，假设距离x的比例因子为L，即： 同样，对时间t，如比例因子为T，则： 表1-3是各种不同物理量的通用比例因子。如果介质的弹性模量需要考虑，则必须定义质量m的比例因子。可表为下式： 地震声学实验室的模型模拟之所以具有生命力，正是因为可以使用户按照实际尺寸设计他们的实验。这是因为声波的波长与地质构造尺寸的比例与它们在野外的比例是一样的。例如，速度为10000英尺／秒的沉积层，50周脉冲在其中传播时的波长为20000英尺，采用1英寸等于1000英尺的比例缩小是较为方便的；这就是说它的比例因子应是1：12000。同样，一个典型的压电晶体的工作频率为250千赫兹，这个频率要缩小至50赫兹所需的比例因子为5000：1。由于速度的量纲为：file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.png，所以它的比例因子为2.4。 联合地球物理实验室的发展 随着地震声学实验室的完善，它的研究者的兴趣也日益广泛，从而开扩了视野。两个比较新的课题——数值模拟和三维地震数据处理，要求现代化设备以胜任研究。数值模拟需要先进的计算机。由Keck基金会捐献，我们购进了一台VAX计算机。三维地震技术或面积地震学得到的大量信息，不宜用二维方式研究。这就需要用一种三维的处理和解释方法。基于这一要求，地震声学实验宝用Cullen基金会捐款购买了Adage计算机。 大学当局和实验室研究人员认为，勘探地球物理学并不仅仅局限于物理模型。因此1981年成立了研究计算实验室(RCL)和图象处理实验室(IPL)。此外，为把研究领域扩展到实际野外问题，又建立了野外研究实验室(FRL)。 大学的目的是培养学生特别是研究生，这就是说要让他们参加研究工作。有了这四个实验室，学生便可以参加勘探地球物理学的反射地震方法从数据采集到最终解释的一系列问题的许多方面的研究。就我们所知，这一情况在任何别的大学里还只是一个新奇的概念。在地球物理专业以外，别的专业如电气工程、计算机科学、数学等科的学生，也可以对 有关勘探的知识有所认识和了解。 1981年，J．A．McDonald，G．H．F．Gardner分别代表地学系和电气工程系，将四个实验室正式合并为联合地球物理实验室(AGL)。这个实验室迅速发展成为向工业界输送训练有素的人材的一个来源。约有18名学生在这个实验室的培育下得到研究生学位并分别在与能源有关的工业部门工作，他们之中既有获得计算机和工程学位的，也有获得地球物理学学位的。 后记 许多人为地震声学实验的成功贡献过力量，并对联合地球物理实验室的建立有过帮助。开始主要是Fred Hilterman和Keith Wang产生了建立实验室的最初构想，并推动了它的早期发展。近年来，Roice Nelson从Mobil石油公司来到休斯领大学，他以富有感染力的热情和充沛的精力解决了别人认为不可能解决的问题。Nelson在图象处理实验室建立过程中起了很大作用，目前他是联合地球物理实验室的总经理。BarbarM．Murray在这个新的实验室的建立和发展中是计划负责入，他还必须管理所有这些实验室的财政业务。 实验室的外部支持者也必须提到。由于资助团体的不断支持，我们的研究才得以继续进行。休斯敦大学地学系主任John C．Butler曾安排过很多募捐活动，GeoQuest国际有限公司的John R．Butler也曾大力用劲我们从Keck和Cullen基金会取得资助。 如感兴趣，更多内容可下载附件阅读！
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