【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 多復(fù)雜的構(gòu)造或沉積，在編制程序時(shí)可以節(jié)省存儲(chǔ)空間和運(yùn)算時(shí)間，缺點(diǎn)是不能精確描述地質(zhì)體邊界。 射線追蹤的 研究現(xiàn)狀 射 線理論是研究地震波的一種古老而充滿青春活力的工具，射線理論有多方面的應(yīng)用，數(shù)值模擬只是其中一個(gè)方面。 利用射線理論合成地震記錄，可以分為兩大類： 一類是考慮動(dòng)力學(xué)特征的漸近射線追蹤方法 ， 一類 是只考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的幾何射線追蹤方法 。前者 要 確定波的振幅、波形、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向等動(dòng)力學(xué)特征 ，后 者 只是確定波的射線路徑、計(jì)算波沿射線傳播的時(shí)間 。前者一般 用于彈性介質(zhì) ，后者 用于聲學(xué)介質(zhì) 。前者 使用的范圍大 ，后者 使用范圍小 。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 射線追蹤的主要優(yōu)點(diǎn)是：概念明確、顯示直觀、運(yùn)算速度快、適應(yīng)性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是：應(yīng)用有一定的限制條件，計(jì)算結(jié)果在一 定程度是近似的 。隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，新的射線追蹤技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，以滿足大 的數(shù)據(jù)處理（如三維數(shù)據(jù)）和較高精度要求下對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體研究的需要。這些技術(shù)主要研究焦點(diǎn)是如何精 確地劃分地質(zhì)體，如何實(shí)現(xiàn)旅行時(shí) 的快速準(zhǔn)確的計(jì)算以及對(duì)已有方法的改良。 20 世紀(jì) 80 年代末以來，射線追蹤方法得到了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了大量不同于傳統(tǒng)算法的新型算法。這些算法的主要特點(diǎn)在于不再局限與地震波的路徑描述，而是直接從Fermat 原理和 Huygens 原理出發(fā)，采用等價(jià)的波前描述地震波場(chǎng)的特征。近年來隨著三維勘探的發(fā)展，為了適應(yīng)三維數(shù)據(jù)處理和 復(fù)雜地質(zhì)體研究，新的射線追蹤算法不斷涌現(xiàn)。這些改進(jìn)主要有：在傳統(tǒng)的試射法和彎曲法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了很多改進(jìn)的射線追蹤方法，如波前重建法；對(duì)最小時(shí)走時(shí)算法的改進(jìn)，使之可適用多值走時(shí)計(jì)算，如慢度匹配法 [2]。 照明度模擬研究現(xiàn)狀 照明度模擬是觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)所采用的一種正演方法，是基于地質(zhì)模型的一種正演模擬。 照明度模擬可以分為兩大類，即射線追蹤的照明度模擬和基于波動(dòng)方程的照明度模擬。而基于波動(dòng)方程的照明度模擬依據(jù)波動(dòng)方程不同解法可分積分法和直接法。故照明度模擬有三種方法，射線追蹤法照明度模擬、積分法照明度 模擬和直接法照明度模擬。 目前大多數(shù)照明度模擬的方法是基于射線追蹤模擬的，例如： Ibrahim[43]， Campbell[41]等?；舅悸肥牵菏紫雀鶕?jù)勘探區(qū)目標(biāo)層地質(zhì)構(gòu)造信息和地表信息建立地球物理模型建立工區(qū)。然后再 在 工區(qū)上布置觀測(cè)系統(tǒng)，其參數(shù)要 進(jìn)行 論證。通過射線追蹤計(jì)算得到在這個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)下目標(biāo)層的照明區(qū)域（反射點(diǎn)）， 以及各界面的覆蓋次數(shù)，將各界面的覆蓋次數(shù)視作照明能量。 由于射線追蹤在復(fù)雜介質(zhì)中存在多重路徑 ，并缺少地震波的波場(chǎng)動(dòng)力學(xué)信息 等問題，其照明結(jié)果可能存在很大的誤差。這就限制了基于射線追蹤照明度模 擬的精確度 。由于上述缺陷促使地球物理學(xué)家 從基于射線追蹤照明度模擬轉(zhuǎn)向基于波動(dòng)方程的照明度模擬， XiaoBi Xie[52]（ 2020）、呂公河 [34]（ 2020）、周興合 [6]（ 2020）等學(xué)者對(duì)基于波動(dòng)方程的照明度模擬進(jìn)行研究。 直接法 ，首先要將模型離散成有限個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，然后給出全波場(chǎng)的值。故又有網(wǎng)格法和全波方程法之稱。當(dāng)網(wǎng)格足夠密時(shí)，模擬可達(dá)到足夠的精度，并適應(yīng)于介質(zhì)參數(shù)空間變化復(fù)雜的模型 [3]。 基于 直接法的照明度模擬是波動(dòng)方程直接可靠的模擬，但是當(dāng)模型較大、離散網(wǎng)格較多時(shí)，它的計(jì)算量和存儲(chǔ)量都很大，尤 其在三維情況下， 有時(shí)計(jì)算機(jī)是 難以承受的 。 地震波正演模擬 積分法： 它的理論基礎(chǔ)是克希霍夫積分解。在此方法中， 波場(chǎng)一方面可以表示為 積分面內(nèi)點(diǎn)震源對(duì)場(chǎng)點(diǎn)作用；另一方面也可以表 示積分面外的點(diǎn)震源 作用基于目標(biāo)層的三維克?；舴蛘菽M的照明度模擬 6 在積分面上 ，然后積分面上的每個(gè)面元作為一個(gè)二次震源，每個(gè)二次震源對(duì)場(chǎng)點(diǎn)的作用疊加作為 積分 面 外所有點(diǎn)震源總的作用效果。 克?；舴蚍e分法的技術(shù)關(guān)鍵是 ： 根據(jù)射線追蹤的方法求取 準(zhǔn)確的射線參數(shù) ，然后各個(gè)地震道 振幅 根據(jù)射線參數(shù) 加權(quán)求和。 當(dāng)速度橫向變化不十分劇烈時(shí)，可以取得較 好的正演效果。同時(shí)它還具有以下優(yōu)勢(shì)： 1） 、 可提供與射線有關(guān)的 信息 如： 射線 旅行時(shí)和 射線 路徑 。 2） 、 相對(duì)于射線追蹤法 來說可以提供波場(chǎng) 的 能量信息和地下面元 作為 次震源的繞射信息。 3） 、 相對(duì)于直接法而言，積分法的計(jì)算效率要高的多； 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本課題目標(biāo)是對(duì)勘探區(qū)目標(biāo)層進(jìn)行三維正演 照明度 模擬，實(shí)現(xiàn)三維克?；舴蛘菽M的照明度模擬 軟件模塊的編制 ，通過 5 個(gè)照明度函數(shù)可以評(píng)價(jià)觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，為 野外地震 數(shù)據(jù) 采集提供有力保障。主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面： （ 1） 地質(zhì)模型創(chuàng)建方面： 首先論述了二維層狀模型的建立 ， 然后講述 了 三維 地質(zhì) 模型的建立。在三維模型的建立過程中，要求 在滿足模型精度的 情況下，盡可能提高速度，減小儲(chǔ)存模型數(shù)據(jù) ； （ 2）在射線追蹤方面：通過對(duì)各種射線追蹤方法的 理論 分析 比較 ，選擇 兩點(diǎn)法 射線追蹤 作為 本論文 射線追蹤 的方法 ， 詳細(xì)論述了迭代射線追蹤法的過程， 并 編制 了 滿足 三維克希霍夫積分正演模擬 要求 的射線追蹤模塊 ； （ 3）在波動(dòng)方程模擬方面：根據(jù) 離散 克?；舴蚍e分公式，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行正演模擬，得到單炮記錄剖面 。對(duì)比分析基于菲涅爾帶內(nèi)面元疊加和基于目的層所有面元疊加的兩種 三維 克希霍夫 正演 模擬 差異 。編制了基于三維克?；舴蚍e分解 的正演模擬 照明度 模塊 ； （ 4） 在地震波照明度模擬方面：分析 了 三維 克 ?；舴?正演 中 的照明度 正演模擬 ， 并用 5 種照明度函數(shù)來刻畫觀測(cè)系統(tǒng)的照明度，并闡述 5 種照明度函數(shù)的 地球物理 意義。通過 5 種照明度函數(shù)能量分布可以分析觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 7 第 2章 建立地質(zhì)模型 二維層狀建模 地質(zhì)模型的建立可以分為二維和三維。二維模型的建立中最常用的 方法 是層面建模的方法 。層面包括地層界面和斷層界面。由于地下地層是經(jīng)過漫長(zhǎng)時(shí)間的沉積而成的，在構(gòu)造作用不大時(shí)，具有層狀的特點(diǎn)，這就是層狀建模的地質(zhì)依據(jù)。 層狀模型是指是按照一定的順序，每層具有相同的地層屬性如：密度和速度等。層狀結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述是：層 內(nèi)是均勻介質(zhì)，在層與層之間有明顯的分界面，分界面用函數(shù)表示，此函數(shù)具有單值連續(xù)的特點(diǎn)。因此對(duì)二維層狀模型可以描述為從模型的邊界貫穿整個(gè)模型，地層界面之間具有相同的屬性。可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示： ? ? ??? ni iixaxz 0 （ ） 式中 ： )(xz 是 x 的函數(shù)， x 表示水平方向的空間距離， ia 是地層分界線的擬合系數(shù)，n 是擬合次數(shù)， n ＝ 0：表示界面為水平界面； n ＝ 1：表示界面為線性擬合； n ＝ 2：表示界面為二次擬合； n ＝ 3：表示界面為三次擬合 ?? 圖 二維層狀結(jié)構(gòu)模型 一般地，三次擬合就可以很好的描述界面的形態(tài)。每套地 層的屬性可用速度 v 和密度 ? 來表示，圖 中（ 11,?v ），（ 22,?v ），（ 33,?v ）和（ 44,?v ）分別表示第一、第二、第三和第四地層的屬性 [3]。 第一層（ 11,?v ） 第二層（ 22,?v ） 第三層（ 33,?v ） 第四層（ 44,?v ） 基于目標(biāo)層的三維克希霍夫正演模擬的照明度模擬 8 二維 復(fù)雜層狀 建模 地下地層通過沉積作用形成了具有呈層狀特性的結(jié)構(gòu)，其后經(jīng)過地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層發(fā)生了各種形變和錯(cuò)斷 ，各種類型的構(gòu)造使地下的地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，常見的地層結(jié)構(gòu)有正斷層、逆斷層、尖滅、推覆體、侵入體等。 如前所述，層狀結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)是地層分界面為連續(xù)界面，而且從左邊界貫穿到右邊界，同時(shí)要求界面函數(shù)是 x 變量的單值函數(shù)，即界面不允許有“回折”現(xiàn)象發(fā)生。實(shí)際上，原本呈水平層狀的地質(zhì)層，在經(jīng)過擠壓、切割等地質(zhì)運(yùn)動(dòng)后，變成了十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了用層狀結(jié)構(gòu)描述復(fù)雜地質(zhì)模型，一般是添加假想的界面，使原來不連續(xù)的分段界面在形式上變成從左界面貫穿到右邊界的連續(xù)界面，這些假想的界面稱為 虛界面。所謂的虛界面實(shí)際上就是不存在的界面，它在數(shù)學(xué)上的定義為：虛界面上、下兩邊介質(zhì)的地層屬性完全相同。 圖 是以含正斷層構(gòu)造的地質(zhì)模型，其第二層被斷面構(gòu)造分?jǐn)啵诙咏缑姹环殖?○ 1 、 ○ 2 、 ○ 3 段， 第二層界面由界面 ○ 1 、 ○ 2 、 ○ 3 段和斷面 a 和 b 組成 。 圖 是含透鏡體的地質(zhì)模型 ，模型由界面 AB○ 1 CD 和界面 AB○ 2 CD 構(gòu)成的。 圖 是含逆斷層的 地質(zhì)模型，同樣在第二層界面被斷層構(gòu)造分?jǐn)?，第二層界面分?○ 1 、 ○ 2 、 ○ 3 段，根據(jù)層狀結(jié)構(gòu)模型的定義，界面應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的單值函數(shù)，不能回折，因此含有逆斷層的界面需要添加虛界面。 圖 正斷層層狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 9 圖 透鏡體的層狀結(jié)構(gòu)模型 圖 逆斷層的層狀模型 從上述用層狀結(jié)構(gòu)模型描述復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可以看出，層 狀結(jié)構(gòu)模型可以比較直觀和方便的描述正斷層、透鏡體構(gòu)造，但是對(duì)于逆斷層或更復(fù)雜的模型，用層狀結(jié)構(gòu)模型描述就比較困難，常常需要添加 很多虛界面，并且使層與層關(guān)系更加復(fù)雜。 三維地質(zhì)模型的建立 所謂三維地質(zhì)模型是指：使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中建立起能反映地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)、各構(gòu)造要素之間的關(guān)系以及地質(zhì)體空間物性分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型。利用三維地質(zhì)模型可以通過 3D 圖形的形式逼真的表達(dá)地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)、特征以及三維空間物性參數(shù)分布規(guī)律。 即在空間 ? ?zyx , 上進(jìn)行三維數(shù)據(jù)體的描述 [8]。 在三維建模中，首先要確定的是模型的大小，在模型區(qū)域內(nèi)描述地質(zhì)現(xiàn)象。描述的資料來自鉆井資料、少量的地質(zhì)剖面、地質(zhì)層位圖等。 模型 可以用下列元素來描述： 1）、 點(diǎn) ： 點(diǎn) 是最簡(jiǎn)單的模型元素。點(diǎn)通常來源于一個(gè)三維地震解釋系統(tǒng)， 以現(xiàn)代勘探的規(guī)模 ， 給定表面上所含 的 點(diǎn)數(shù)以及由此產(chǎn)生的點(diǎn)通常多達(dá)百萬，為了在現(xiàn)在是 三維模型系統(tǒng)中處理這些點(diǎn)，關(guān)鍵要找到方法以減少用于描繪一個(gè)層位曲面的所需點(diǎn)數(shù)。 基于目標(biāo)層的三維克?；舴蛘菽M的照明度模擬 10 2）、 線：兩點(diǎn)定義一條線段，許多線段形成一條線或一簇線。通常三維線 包括地震射線路徑、層位與斷層交叉線，井跡。三維地質(zhì)模型的最主要的 輸入之一是斷層向量，用斷層線來創(chuàng)建合理的斷層面。 3）、 曲面 ：三角形集合構(gòu)造的三維曲面的三維建模方法逐漸取代網(wǎng)格化的單值二維曲面，并且被越來越多使用。三角剖分曲面是一個(gè)非常有效的方法可用于表示諸如油氣接觸面的簡(jiǎn)單曲面，如邊界垂直曲面，或沒有擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域的曲面（尖滅斷層）。地層面是其主要表現(xiàn)形式之一：地質(zhì)體模型常分為若干地層，簡(jiǎn)化時(shí)一般認(rèn)為同一地層內(nèi)的地質(zhì)屬性是相同的，不同地層一般具有不同的地質(zhì)屬性。地層面是地層與地層的分界面，一般來說地層面就是地震射線反射面，一地層面唯一代表其下面緊鄰的地層，因此，在地質(zhì) 建模系統(tǒng)中通常將對(duì)地層的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)地層面的研究。 4）、 交線 ：在一個(gè)模型中封閉的交線包含由兩個(gè)相交曲面共享的點(diǎn)和邊界，嚴(yán)格的交線最好是用一個(gè)曲面切割另一個(gè)曲面來產(chǎn)生。 5）、 閉合巖石區(qū)域（斷塊） ：塊體是指在地質(zhì)模型中，由交叉曲面封閉的塊狀體，一個(gè)塊體是斷層塊、層塊、鹽丘體等，不同的塊體具有相同或不同的地質(zhì)屬性。所有塊體構(gòu)成三維地質(zhì)模型的一個(gè)空間劃分，塊體與塊體之間無縫隙、不重疊。 6）、 物性（速度、孔隙度等）。 任何一個(gè)模型都是上述這些元素組合而成的 [8]。例如：三維地質(zhì)模型中，某一斷層面可以多個(gè)地層相交； 也可能是某一地層與另一地層相交形成侵入體、透鏡體等。此時(shí)他們的空間關(guān)系就比較復(fù)雜。 體元建模的目標(biāo)是將三維地質(zhì)空間剖分成一系列的基本體元，與表面建模方法一樣，體元建模的已知條件仍然是一些勘探資料，體元建模首先也需要確定地質(zhì)層面和斷層，然后在各個(gè)層面之間剖分體元構(gòu)造體元模型當(dāng)然體元建模的層面模型可以來自于前面表面建模的層面模型也可直接利用表面建模已得到的邊界表示模型，將邊界表示模型剖分成體元，以此來構(gòu)造體元模型。 本文采用三維層狀建模的方法 ， 通過對(duì)三維地質(zhì)數(shù)據(jù)在三維空間的展布即用點(diǎn) 線 面 體達(dá)到三維建模的目 的。 這樣做有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)： 1）、 模型建立 過程簡(jiǎn)單。 2）、 方便野外數(shù)據(jù)的 應(yīng)用。現(xiàn)階段，隨著三維勘探技術(shù)的進(jìn)步，三維野外采集的數(shù)據(jù)要求 在建立 模型時(shí)，盡可能的簡(jiǎn)化從真實(shí)地質(zhì)模型到實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型的過程，方便 利用模型進(jìn)行正反演等后續(xù)工作。 模型示例 下面是建立的幾種常見的地質(zhì)構(gòu)造 圖 是三維光滑連續(xù)界面的水平地質(zhì)模型，地質(zhì)模型分為 4 層，第一層起始 位置在 地面 0?z 處， 各層的速度依次增加。 圖 是三維光滑連續(xù)界面的傾斜地質(zhì)模型，地質(zhì)模型分為 4 層，第一層起始 位西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 11 置 在 地面 0?z 處，各層的速度依次增加。傾斜界面的真傾角相等，即界面是彼此平行的。 圖 是 三維 光滑連續(xù)界面的 向斜 地質(zhì)模型， 地質(zhì)模型分為 3 層，第一層起始 位置在 地面 0?z 處，各層的速度依次增加。 向斜模型在 x 方向變化，在 y 方向不變。 圖 是 三維光滑連續(xù)界面的背 斜地質(zhì)模型， 地質(zhì)模型分為 3 層，第一層起始 位置在 地面 0?z 處，各 層的速度