基于三維形態(tài)圖的玉龍地震響應(yīng)正演模擬研究

基于三維形態(tài)圖的玉龍地震響應(yīng)正演模擬研究

1發(fā)酵條件對含量測定的初步研究意義永樂洞位于南海礁砂巖永樂環(huán)。這是世界上已知的最大深度海藍(lán)洞，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其起源與南海島嶼的發(fā)育歷史密切相關(guān)。這項(xiàng)研究對古海洋學(xué)、古代氣候?qū)W和南海地質(zhì)構(gòu)造的科學(xué)研究具有很高的價值。目前我國對龍洞的研究尚處于起步階段,國內(nèi)學(xué)者對龍洞的深度、形成機(jī)制以及三維形態(tài)進(jìn)行了研究,但在地震成像、地質(zhì)構(gòu)造等方面依然處于空白階段本文首先詳細(xì)介紹龍洞內(nèi)部的形態(tài)特征,并在前人的實(shí)際研究資料基礎(chǔ)上,提煉出龍洞周圍地層結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)。對繪制的龍洞三維形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理,并將45°方向的切片數(shù)據(jù)作為二維龍洞截面的投影數(shù)據(jù)繪制在理論地質(zhì)模型中,模擬立體觀測系統(tǒng)下拖纜和垂直纜兩種記錄方式獲得的波場信息,了解龍洞區(qū)域地震波場的傳播特征,為優(yōu)化地震觀測系統(tǒng)提供依據(jù)并輔助地震資料解釋,有助于實(shí)際的龍洞區(qū)域勘探。2體表面形態(tài)特征研究區(qū)域永樂龍洞位于南海西沙群島之永樂環(huán)礁最大的晉卿島至石嶼之間的礁盤上。永樂環(huán)礁距海南島東南約300km,距永興島西南約80km,由中建島、金銀島、珊瑚島、甘泉島、琛航島、晉卿島、盤石峪、廣金島等八個分隔的礁體組成,圍成約200km龍洞的洞口直徑約為130m,形態(tài)上在16m水深以上存在斜坡,在16m水深以下洞體基本垂直,20m水深時直徑約為68m,龍洞最大直徑出現(xiàn)在深度約112m處,直徑達(dá)到最大的110m。在120m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折階地,轉(zhuǎn)折階地向南西-北西兩個方向延伸,階地開始部位是約40m的平臺,然后在112～190m處出現(xiàn)斜坡,洞徑呈階梯式收縮到70m左右,高差約78m,朝南西-北東方向延伸約50m,坡度約為57.3°,然后洞體直徑也隨之呈階梯式收窄為約60m左右。190m以下則是垂直向下、略有坡度的洞體。洞體在200～210m在垂向上已完全偏離上部洞體,從上部下放的儀器已無法垂直抵達(dá)下部洞體。19m以下的洞體直徑呈階梯式收窄,直到洞底收窄為約40m。龍洞底部呈不規(guī)則的圓形,最終的洞底中心朝北東方向45°,偏移主洞洞體中心約50m,洞底主要由微細(xì)的珊瑚礁碎屑等沉降物覆蓋3永樂龍眼區(qū)域三維觀測正轉(zhuǎn)模擬3.1模型介紹永樂龍洞及周邊區(qū)域的地質(zhì)模型是在其附近的西琛1井鉆孔資料的基礎(chǔ)上,總結(jié)歸納出相對可靠的分層數(shù)據(jù),以此作為研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)劃分的參考資料,模型詳細(xì)參數(shù)見表1。龍洞形態(tài)則是通過結(jié)合實(shí)測ROV(RemoteOperatedVehicle)得到的永樂龍洞資料作為龍洞形態(tài)藍(lán)本進(jìn)行切片,并將45°方向的切片數(shù)據(jù)作為二維龍洞截面的投影數(shù)據(jù),繪制在理論模型中,用于模型波場正演模擬,模型示意圖見圖2。選取模型的橫向與縱向長度分別為800m和500m,采用立體觀測中的水平拖纜觀測與垂直纜觀測方式。3.2洞穴邊界特征為了討論龍洞的存在對波場分布的影響,突出龍洞形態(tài)造成的地震記錄特征,設(shè)計(jì)了存在龍洞的水平層狀模型,如圖2所示。與不存在龍洞的水平層狀模型進(jìn)行模擬對比分析,如圖3所示。兩種模型采用同樣的觀測系統(tǒng)參數(shù),參數(shù)設(shè)為:排列長度800m,采用全排列接收,道間距3.125m,炮點(diǎn)位于龍洞中心處,激發(fā)頻率300Hz,激發(fā)子波為Ricker子波,采樣率0.25ms,記錄長度0.5s?？紤]龍洞區(qū)域附近實(shí)際水深最大不超過2m,激發(fā)和接收排列的沉放深度均為1m。得到的單炮記錄、偏移剖面如圖4、圖5所示。圖4分別是不存在龍洞的區(qū)域和存在龍洞的區(qū)域的正演模擬單炮記錄,在兩張記錄的對照下可以凸顯出龍洞區(qū)域錯綜復(fù)雜的波場特征。由于龍洞外圍礁盤底質(zhì)堅(jiān)硬并且水深較淺,造成地震記錄中能量屏蔽和交混回響現(xiàn)象嚴(yán)重,加之龍洞內(nèi)壁形態(tài)變化復(fù)雜,在地震記錄中發(fā)育大量層間多次波、斜坡多次波以及繞射波等強(qiáng)干擾信號,但在水平層狀模型記錄的對照下,龍洞特殊部位的反射特征比較明顯。由于龍洞附近區(qū)域?qū)嶋H水深不超過2m,直達(dá)波和海底反射波在剖面上難以區(qū)分,兩個剖面中H1至H4反射波同相軸基本對應(yīng),但在圖4(b)剖面中H5同相軸淹沒在多次波等強(qiáng)干擾信號中,這會對龍洞以下地層的解釋造成干擾,而且四條反射波同相軸在中間部位發(fā)生錯斷,通過這一特征可以基本確定龍洞洞壁的邊界。在圖4(b)中,A區(qū)域反射波同相軸的形態(tài)中左右各存在一個速度突變點(diǎn),由于地震信號在地層中的傳播速度要大于在水中的傳播速度,信號到達(dá)檢波點(diǎn)的時間存在差異,在剖面上表現(xiàn)為同相軸在靠近洞口邊緣的位置彎曲,因此此處對應(yīng)龍洞洞口的緩坡邊界。B區(qū)域反射信號能量較強(qiáng),地震信號經(jīng)海水傳播到龍洞內(nèi)轉(zhuǎn)折階地,能量吸收衰減較在地層中弱,在階地處易形成強(qiáng)反射,反射形狀能夠大致反映階地的位置和大小。C區(qū)域同樣反射信號能量較強(qiáng),對照波場快照可初步判定該區(qū)域?yàn)辇埗炊吹仔纬傻膹?qiáng)反射信息?？v觀整個龍洞區(qū)域的波場信息,淺層同相軸清晰可辨,龍洞特殊部位波場特征明顯,深層信息受龍洞內(nèi)壁產(chǎn)生的多次波以及繞射波等噪音干擾,信噪比低。對比圖5兩個模型的偏移剖面,主要反射界面基本一致,都有5條能量極強(qiáng)的反射波同相軸,相位穩(wěn)定,且圖5(b)中龍洞兩側(cè)的反射界面存在微弱的橫向變化。特別指出剖面中H5反射界面并不是連續(xù)的,這是由信號在不同介質(zhì)中傳播速度存在差異造成的。同時由于水深過淺,導(dǎo)致多次波發(fā)育,對龍洞正下方地層的反射特征識別存在巨大的干擾,這對實(shí)際資料的解釋提供了一定程度上的參考價值,尤其是關(guān)于深度地層反射特征可能存在不實(shí)的“假象”,需要進(jìn)一步處理。為進(jìn)一步了解不同觀測系統(tǒng)下龍洞的地震響應(yīng)特征,將龍洞模型中的炮點(diǎn)位置從龍洞中心處移到龍洞一側(cè),得到的地震記錄如圖6(a)所示。通過與炮點(diǎn)位于龍洞中心的地震波場圖6(b)對比來看,在炮點(diǎn)附近四條反射波同相軸能量較強(qiáng),清晰可見,而遠(yuǎn)道數(shù)據(jù)受噪音干擾,有效信息較少。龍洞洞口邊界以及洞內(nèi)轉(zhuǎn)折階地等特殊部位對應(yīng)的A、B區(qū)域反射特征依舊明顯,可以作為地面接收到龍洞邊界信息的特征。此外,在D區(qū)域中洞壁反射信息強(qiáng)烈,這是由龍洞轉(zhuǎn)折階地相對的另一側(cè)龍洞內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折界面造成的反射,利用這一特征可以驗(yàn)證對轉(zhuǎn)折階地位置的識別。但是由于單炮能量向下穿透能力有限,洞底及下方地層反射信號能量較弱且受噪音干擾不易識別,致使獲得的有效信息較少。因此,應(yīng)集中在龍洞洞口小道距多道測量,同時加密洞口炮點(diǎn)排列,這樣可以獲得豐富的反映洞體形態(tài)的波場信息。3.3垂直纜模擬正演模擬垂直纜勘探是目前新興的一種海洋地震勘探技術(shù),它是將檢波器在水中沿垂直方向布設(shè),通過不同深度的水聽器來記錄地震波場信息。垂直纜的觀測方式與陸地VSP(VerticalSeismicProfiling)相似對于龍洞區(qū)域來說,地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,垂直纜則能夠很好地適應(yīng)該環(huán)境,將垂直纜投放至龍洞內(nèi)部,可以對目標(biāo)體覆蓋得更好,并且可以實(shí)現(xiàn)多方位采集,實(shí)現(xiàn)真正的三維成像。因此針對實(shí)際情況,開展龍洞區(qū)域的垂直纜觀測正演模擬,模型如圖8所示。觀測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為:垂直纜位于龍洞中心處,沉放深度10m,道間距1m,共121道,炮點(diǎn)位于龍洞中心處,沉放深度1m,采樣率0.25ms,記錄長度0.5s,單炮記錄如圖9所示。從模擬的地震記錄可以看出其波場特征與常規(guī)水平纜記錄的波場特征有很大的區(qū)別。通過對照波場快照,利用地震波波陣面?zhèn)鞑ボ壽E與垂直纜水聽器的相對位置關(guān)系以及到達(dá)時間來判斷圖9中各地震波的類型。其中A是直達(dá)波,B、C以及G是一次反射波,上行的一次反射波C是由龍洞的轉(zhuǎn)折階地界面造成的,G是由龍洞洞底界面造成的,都符合垂直纜波場分類規(guī)律,而由于龍洞特殊的形態(tài),龍洞上部垂直洞壁造成下行的一次反射波B,這對后續(xù)的波場分離以及資料處理具有指示意義,要注意對下行波場中有效信息的提取。D和F是鬼波,是由一次反射波以及多次波經(jīng)過海面反射造成的下行波。E是自由表面多次波,是由一次反射波經(jīng)海面反射再通過龍洞轉(zhuǎn)折階地反射造成的上行波。整體來看,地震記錄中多次波發(fā)育,采集的地震波種類相對豐富,而且與水平纜對應(yīng)的同一部位的地震信息匹配性較好,波場之間存在一定的相關(guān)性。但受地形的影響,同相軸發(fā)生交叉合并以及錯斷的現(xiàn)象,對后期資料的處理與解釋有很大的參考價值。4水平纜觀測方式下的波場特征根據(jù)對永樂龍洞的形態(tài)研究以及洞體地質(zhì)模型的立體觀測波場模擬結(jié)果分析,得到以下的認(rèn)識:1)采用立體觀測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對龍洞區(qū)域的全覆蓋調(diào)查,反射角覆蓋寬廣,采集的波場信息豐富,有利于實(shí)現(xiàn)龍洞的全波場立體成像,而且在立體觀測系統(tǒng)的不同觀測方式下采集到的波場信息可以相互制約,相互補(bǔ)充,提高立體觀測的信噪比與分辨率。2)在立體觀測系統(tǒng)的水平纜觀測方式下得到的波場特征,能夠反映出龍洞洞口、洞內(nèi)轉(zhuǎn)折階地以及洞底等特殊部位的信息。洞口處左右兩側(cè)各存在一個速度突變點(diǎn),階地以及洞底生成的反射能量較強(qiáng),但是受龍洞形態(tài)限制難以生成連續(xù)的反射波同相軸。同時由于多次波繞射波等強(qiáng)干擾的存在,對龍洞下方地層反射波造成干擾,破壞其連續(xù)性,會