一、技术领域：

本发明涉及一种地震勘探中的表层调查技术，尤其 是精确地表调查方法。

二、背景技术：

近年来，随着地震勘探工作的不断深入发展，表层地 震地质条件较好的探区越来越少，我们不得不面对山区、丘陵、黄土源、 沙漠等浅表层地震地质条件复杂的地区。这些地区地形条件恶劣，表层 结构复杂，给野外原始资料采集和低速带调查工作带来很大困难。此外， 高分辨率地震勘探队表层调查的精度提出了更高的要求。几十年来，野 外低速带调查方法不外乎小折射法和微测井法，与快速发展的仪器装备 及处理解释方法相比，表层调查方法显得陈旧单一，难以满足高精度地 震勘探的要求。

1、小折射应用中存在的问题：由于低速带厚度一般不大，难以用反 射波法进行探测，通常使用初至折射波法观测低速层、降速层和高速层 界面所产生的直达波和折射波。一般用不等道距布置排列，相遇时距曲 线法进行观测和解释。工作中资料解释过程存在以下问题：(1)在野外 布置排列，地形平坦时易于布置，而在地形起伏时不易布置，在这些地段 布置排列所得到的资料，解释误差往往较大。(2)小折射远道能量弱，信 噪比低，初至拾取困难。(3)在资料解释时地震道等间距显示，拐点位 置不易确定。(4)小折射解释方法中只利用了时间信息，而没有利用波 形信息。(5)小折射加减法解释只适用于两层模型，对较复杂的地区， 通常为三层模型：低速层、降速层、高速层。

2、微测井法应用中存在的问题：现行微测井施工方法分为地面接收 井中激发、井中接收地面激发、井中激发井中地面同时接收的双井微测 井三种方式，现在国内一般采用地面接收井中激发、井中激发井中、地 面同时接收的双井微测井两种方法。地面接收井中激发方法：在井口附 近小偏移距范围内摆放几个检波器，放完炮后对每炮每道拾取初至，通 过垂直To时间转换将每道的初至时间转换为垂直时间。将转换后的垂直 时间和对应的深度绘在时间-深度坐标系内，当不同深度点位于同一速 度层内时，点的分布为一直线，不同速度层对应的直线斜率不同。根据 其分布规律，划分出各层的位置，每一层用最小二乘法拟合直线，直线 的斜率的倒数为介质的层速度，两直线的交点为介质的分界面。在实际 施工时通常因为雷管起爆时间差异或地层的不均质性等原因造成在同 一层速度内，垂直时间点的分布偏离直线，影响效果，对浅层尤其突出， 影响解释精度。通常情况下，为进一步提高解释精度采用双井微测井方 法解决。双井微测井方法：地面检波器的摆放方法与地面接收井中激发 方法相同，另外打一口深井到高速层内放一个检波器接收到达井底的信 号。通过比较在高速层内激发与低速层内激发波形特性及时距曲线特 征，获取虚反射界面位置及各层的速度与厚度。双井微测井精度较高， 但需要打两口井，成本高、效率低。微测井法是利用经多次激发而得到 的直达波时距曲线的拐点和折线段的斜率来求取低、降速层及高速层的 速度和厚度。用微测井法可以很详细地对速度层进行划分，而且也较浅 层折射法准确得多。但在实际应用中，还有不尽如人意之处：(1)在刚打 完的孔中进行观测，由于钻孔泥浆水在疏松土中的渗透作用，使井周围 一定范围的干燥土变为湿润土，相应地提高了低速层的速度。当检波器 (或炮点)偏移距较小时，误差较大，偏移距较大时，初至波可能为折射 波。(2)虽然利用微测井的垂直时距曲线可以详细划分速度层，但往往由 于实际地层与理论假设的均质均速有很大出入，如有薄的高速层，水坑 沟渠等的影响，速度层的划分不易进行。且速度层的划分常常带有人为 的性质。(3)对静校正而言，一般只需提供低、降、高速层的速度、厚 度，由于垂直时距曲线常常缺乏明显的拐点而使低、降速层的划分显得 困难。

三、发明内容：

本发明的目的是提供一种有效的准确区分低降速层 与高速层的分界面，达到精确测定低速层、降速层、高速层速度，精确 测定低速层、降速层的厚度的精确地表调查方法，它克服了小折射法和 微测井法存在的缺点。本发明的目的是这样实现的。

折射微测井方法：改进了微测井的施工方法，由原来的井中放炮， 小井检距接收，扩充到小井检距、大井检距两组接收。在大井检距接收 点通过初至波形和时距特征的对比获取低速层与高速层的分界面，得到 低降速层厚度信息，在此分界面基础上对小井检距进行精确速度解释。

精确小折射解释：通过对小折射道按与实际间距相匹配的比例显 示，直接解释；通过远道滤波处理提高初至拾取精度；通过扩展减法运 算消弱地形起伏、局部地表速度不均的影响，提高分组准确性，达到提 高解释精度目的。

发明效果：通过折射微测井，可以把低速层、降速层、高速层分界 面误差限制在相邻炮点间隔之内，提高精度。精确小折射解释方法，按 与实际间距相匹配的比例显示，可直接比较地震波初至起跳方向区分直 达波折射波；对远道进行滤波处理提高初至拾取精度；为消除地形等因 素影响，对初至进行扩展加减法计算，把计算结果显示在对应道上，把 结果中呈明显线性关系的道分为一组，作为分层的依据；对两边来自同 一层的折射波通过减法运算，可直接得到其速度。

四、附图说明：

图1微测井远道波形图

图2利用近道参考远道解释界面图

图3近道抽道显示图

图4微测井远道射线路径图

图5地面接收道排列图

图6V0、V1与tani关系表

图7微测井与小折射对比表

图8按比例显示的小折射剖面图

图9滤波前剖面图(远道初至不清)

图10 13、14、15三道频谱图

图11滤波后剖面图(远道起跳干脆)

图12扩展减法分层图

图13同一层初至的减法结果图

图14小折射解释流程图

图15两层水平介质模型图

图16三层水平介质模型图

图17两层倾斜介质模型图

图18两层介质减法模型图

图19倾斜界面模型图

图20三层介质扩展减法模型图A

图21三层介质扩展减法模型图B

图22三层介质扩展减法模型图C

图23扩展减法不同层间的误差分析图

图24扩展减法不同层间的误差分析放大图

图25理论Δt偏差数据表(单位ms)

图26三层理论图(排列适中)

图27三层理论图(短排列)

五、具体实施方式：

1、折射微测井

折射微测井方法由施工和解释两个方面组成。

施工方法是井中激发，地面接收(类似地，也可用地面激发，井中 接收)，所不同的是接收道分为两组如图5：

一组为近道，井检距一般为1米到5米(根据低速带厚度而定)， 用2-3个；

一组为远道，从10米开始摆放，5米一道，长度50米。

解释方法：

首先，通过比较在高速层内激发与低速层内激发远道波形特性及时 距特征，获取速度分界面，如图1。在低速层激发，可接收到直达波、 折射波，由于折射波超前直达波，初至波为折射波。初至折射波特征： 振幅较小、频率较低、初至时间由深到浅逐步变大。在高速层激发，远 排列只能接收到初至透射波，特征：振幅较大、频率较高、初至时间由 浅到深逐步变大。抽道剖面上存在一个深度界面：界面以上，初至振幅 小，频率低，初至时间由深到浅逐步变大为初至折射波；界面以下，初 至振幅大，频率高，初至时间由浅到深逐步变大为初至透射波。通过这 种方法可以得到准确的速度界面。

其次，拾取近道初至如图2。

最后，利用近道初至参考远道分解面进行解释。

微测井折射波产生条件：以两层为例如图4，设第一层厚度为H0， 速度为V0，第二层速度为V1。假设在分界面以上紧靠分解面放炮，接 收在距离井口为x处，临界角为i，$\tan i=\frac{V_0}{\sqrt{V_1^2-V_0^2}}.$

$x=\frac{H_0{V}_0}{\sqrt{V_1^2-V_0^2}}$为临界点，当x＜H0tan i时为盲区，不能接收到折射波。 x＞H0tan I可接收到折射波。为得到较完整的初至折射波，一般定在x＝ 2H0tan i左右处。

图6是速度为V0，第二层速度为V1与tani及排列长度系数2tani 之间的关系表。

以上是水平界面，对倾斜界面，视倾角不同而定。

对多层界面，可作类似的推导扩展。

折射微测井与单井微测井、双井测井、小折射对比如图7。

2、精确小折射解释

精确小折射解释通过对小折射记录按道距比例显示，远道滤波处 理，初至起跳波形对比，扩展减法运算进行速度分组方法提高小折射精 度。

(1)远道滤波处理：在小折射施工过程中，在地形地质条件较为复 杂的地区，小折射远道干扰较强如图9，严重影响初至拾取，经过研究 发现，干扰波主要为高频干扰，且与有效波有明显的波段界限如图10， 从图10频谱分析中找出相应的拐点，作为高频滤波界限，把拐点以上的 高频段滤去，可得到起跳干脆的波形图11，达到准确拾取初至的目的。

(2)按比例显示，初至起跳波形对比：通过按比例显示，拾取初至 后，根据直达波与折射波波形起跳方向反向特征，可直接区分直达波和 折射波，进行分层，如图8，该炮的前四道为直达波，从第五道开始为 折射波，利用前四道解释出直达波速度，利用以后的道解释出折射波。

(3)小折射扩展加减法解释分层，如图12，图13。

解释流程如图14。

扩展加减法论证如下：

(1)两层水平介质模型，图15展示了从震源S到接收点R的传播路 径，地质模型为由水平界面分开的两层介质模型，速度分别为V1、V2， 水平分界面深度为z。若炮检距为x，则总的传播时间tx是构成其路径的 三部分所花费的时间之和，即

$t_x=\frac{\mathrm{SA}}{V_1}+\frac{\mathrm{AB}}{V_2}+\frac{\mathrm{BR}}{V_1}$

由上面符号可写成

$t_x=\frac{z}{V_1{\cos \theta }_c}+\frac{x-2z\tan {\theta }_c}{V_2}+\frac{z}{V_1{\cos \theta }_c}$

或

$t_x=\frac{x}{V_2}+2z(\frac{1}{V_1\cos {\theta }_c}-\frac{{\tan \theta }_c}{V_2})$

根据斯涅尔定律

$\sin i=\frac{V_0}{V_1},$ $\cos i=\frac{\sqrt{V_1^2-V_0^2}}{V_1},$ $\tan i=\frac{V_0}{\sqrt{V_1^2-V_0^2}}$

上式可转化为

$t_x=\frac{x}{V_2}+\frac{2z\cos {\theta }_c}{V_1}$

直达波时距曲线为

$t_x=\frac{x}{V_1}$

(2)三层水平介质模型：图16展示了被水平界面分隔的三层介质 模型的远炮检距射线路径，模型三层的速度分别为V1、V2、V3，水平分界 面的埋深分别为z1、z2。前两层的时距曲线见上页的两层介质，对第三 层从炮点S到检波点R的射线路径总旅行时间tx为组成射线路径的五部 分所需时间之和，即

$t_x=\frac{2z_1}{V_1{\cos \theta }_1}+\frac{{2h}_2}{V_2{\cos \theta }_2}+\frac{x-2z_1\tan {\theta }_1-2h_2{\tan \theta }_2}{V_3}$

式中，x为炮检距，第二层厚度h2＝z2-z1，从第二层到第三层的临界角 θ2由

sinθ2＝V2/V3

给出，利用斯涅尔定律，知第一层的入射角θ1为

sinθ1＝V1/V2

tx可表示为

$t_x=\frac{x}{V_3}+\frac{{2z}_1{\cos \theta }_1}{V_1}+\frac{{2h}_2{\cos \theta }_2}{V_2}$

(3)两层倾斜介质模型，如图17展示了从炮点S1到远炮检距接收 点S2的射线路径，模型为两层介质，速度分别为V1、V2，两层介质由 一个倾斜界面所分割，界面倾角为α。两点到界面的垂直厚度为hd和hu， 它们分别对应于下倾和上倾介质的厚度。可以算出下倾方向激发总旅行 时txd，即

$t_{\mathrm{xd}}=\frac{h_d}{V_1{\cos \theta }_c}+\frac{h_u}{V_1{\cos \theta }_c}+\frac{x\cos \alpha -h_d\tan {\theta }_c-h_u{\tan \theta }_c}{V_2}$

由上倾介质厚度hu可由hd表达

hu＝hd+xsinα

因此

$t_{\mathrm{xd}}=\frac{x}{V_{2d}}+\frac{{2h}_d{\cos \theta }_c}{V1}$

其中

$V_{2d}=\frac{V_1}{\sin ({\theta }_c+\alpha )}$

类似地，上倾激发的总旅行时txu可以表达为

$t_{\mathrm{xu}}=\frac{x}{V_{2u}}+\frac{2h_u{\cos \theta }_c}{V1}$

其中

$V_{2u}=\frac{V_1}{\sin ({\theta }_c-\alpha )}$

可知V2d＜V2＜V2u，其中0＜α≤θc，平均速度在α＜10°时

$\frac{1}{V_{2u}}+\frac{1}{V_{2d}}=\frac{V_{2u}+V_{2d}}{V_{2u}{V}_{2d}}=\frac{\sin \theta \cos \alpha }{V_1}=\frac{\cos \alpha }{V_2}$

所以

$V_2=\frac{V_{2u}{V}_{2d}}{V_{2u}+V_{2d}}\cos \alpha$

以上讨论的为层状介质模型。实际上通常第一层厚度稍有差异，第 二层厚度基本恒定。针对这种情况，我们引入扩展加减法概念。通过扩 展减加法，可消除低速层影响，提高解释精度。

(4)两层介质减法模型，如图18展示了相遇折射剖面从两个炮点 到一个公共接收点的射线路径，我门可以把A、B、R处的延迟时表示为 τA、τB、τR，从炮点A到接收点R、B和B的折射波到达时tAR、tAB、 tBR表示为

$t_{\mathrm{AR}}={\tau }_A+{\tau }_R+\frac{x}{V_2}$

$t_{\mathrm{BR}}={\tau }_B+{\tau }_R+\frac{\mathrm{AB}-x}{V_2}$

$t_{\mathrm{AB}}={\tau }_B+{\tau }_A+\frac{\mathrm{AB}}{V_2}$

定义加时间T+为位于一个接收点两边的两个炮点的旅行时之和再减去互 换时间tAB得到

T+＝tAR+tBR-tAB

可整理为

$T^{+}={2\tau }_R+\frac{\mathrm{AR}}{V_2}+\frac{\mathrm{BR}}{V_2}-\frac{\mathrm{AB}}{V_2}=2{\tau }_R$

所以

${\tau }_R=\frac{T^{+}}{2}$

接收点延迟时等于加时间的一半。定义减时间T-为位于一个接收点两边 的两个炮点的旅行时相减得到：

T-＝tAR-tBR

可整理为

$T^{-}=\frac{\mathrm{AB}}{V_2}+t_{\mathrm{AR}}-t_{\mathrm{BR}}$

$=({\tau }_A-{\tau }_B)-\frac{\mathrm{AB}}{V_2}+\frac{2x}{V_2}$

$=K+\frac{2x}{V_2}$

式中，K是个常数；x是炮点A到接收点R的距离，这样如果对于两炮 之间的接收点计算出了T-，然后绘出与炮检距x的关系曲线，折射层速 度就可以依据该曲线估计出来。

可以证明，在倾斜界面，倾角为α下，减时间可表示为

$T^{-}=K+\frac{2x\cos \alpha }{V_2}$

目前，利用上述方法进行小折射资料解释的有关资料只介绍了针对 两层介质的情况，现在我们将其扩展到三层介质。

(5)三层介质扩展减法模型，定义，第二层上的延迟时记作τA、τB、 τR，第三层上的延迟时为τA2、τB2、τR2，于是

${\tau }_A=\frac{\mathrm{AI}}{V_1},$ ${\tau }_B=\frac{\mathrm{BL}}{V_1},$ ${\tau }_R=\frac{\mathrm{RJ}}{V_1},$

${\tau }_{A2}=\frac{\mathrm{AC}}{V_1}+\frac{\mathrm{CD}}{V2},$ ${\tau }_{B2}=\frac{\mathrm{BE}}{V_1}+\frac{\mathrm{EF}}{V2}$

${\tau }_{R2}=\frac{\mathrm{RM}}{V_1}+\frac{\mathrm{MN}}{V2}$

I、R点对激发点A与激发点B均为远炮检距，如图22，在R点上能 接收到来自A、B两激发点第三层上的折射波，对应的初至时间为tA2、 tB2ο，互换时间为tAB

$t_{\mathrm{AR}}={\tau }_{A2}+{\tau }_{R2}+\frac{\mathrm{DH}}{V_3}$

$t_{\mathrm{BR}}={\tau }_{B2}+{\tau }_{R2}+\frac{\mathrm{FN}}{V_3}$

$t_{\mathrm{AB}}={\tau }_{A2}+{\tau }_{B2}+\frac{\mathrm{DF}}{V_3}$

减时间T-为

$T^{-}=t_{\mathrm{AR}}-t_{\mathrm{BR}}$

$={\tau }_{A2}-{\tau }_{B2}+\frac{\mathrm{DH}-\mathrm{FN}}{V_3}$

$={\tau }_{A2}-{\tau }_{B2}+\frac{\mathrm{DH}-\mathrm{FN}}{V_3}$

$={\tau }_{A2}-{\tau }_{B2}+\frac{2x}{V_3}-\frac{\mathrm{DF}-\mathrm{HN}}{V_3}$

$=K+\frac{2x}{V_3}$

其中，

$K={\tau }_{A2}-{\tau }_{B2}-\frac{\mathrm{DF}-\mathrm{HN}}{V_3}$

上面我们已经证明：两层时情况

$T^{-}=K+\frac{2x}{V_2}$

双边放炮，当初至波为来自同一层折射波时，其初至时间差与距离 为线性关系，且其斜率为折射层速度倒数的一半。

II、对来自不同层的折射波，在离左边炮点较近的位置接收，如图 20，若该点可接收到左边炮点的降速层折射波、右边炮点的高速层折射 波。在第二层厚度速度稳定，V1＜＜V3的情况下，我们有

$t_{\mathrm{AR}}={\tau }_A+{\tau }_R+\frac{x}{V_2}$

$t_{\mathrm{BR}}={\tau }_{B2}+{\tau }_{R2}+\frac{\mathrm{FN}}{V_3}$

减时间T-为

$T^{-}=t_{\mathrm{AR}}-t_{\mathrm{BR}}$

$={\tau }_A-{\tau }_{B2}+{\tau }_R-{\tau }_{R2}+\frac{x}{V_2}-\frac{\mathrm{FN}}{V_3}$

$={\tau }_A-{\tau }_{B2}+{\tau }_R-{\tau }_{R2}+(\frac{1}{V_2}+\frac{1}{V_3})x-\frac{\mathrm{DF}}{V_3}$

$=K+(\frac{1}{V_2}+\frac{1}{V_3})x$

其中，

$K={\tau }_A-{\tau }_{B2}+{\tau }_R-{\tau }_{R2}-\frac{\mathrm{DF}}{V_3}$

对来自不同层的折射波，在离右边炮点较近的位置接收，如图21 若该点可接收到右边炮点的降速层折射波、左边炮点的高速层折射波。 在第二层厚度速度稳定的情况下，设V1＜＜V3，我们有

$t_{\mathrm{AR}}={\tau }_{A2}+{\tau }_{R2}+\frac{x}{V_3}$

$t_{\mathrm{BR}}={\tau }_B+{\tau }_R+\frac{\mathrm{LK}}{V_2}$

减时间T-为

$T^{-}=t_{\mathrm{AR}}-t_{\mathrm{BR}}$

$={\tau }_{A2}-{\tau }_B+{\tau }_{R2}-{\tau }_R+\frac{x}{V_3}-\frac{\mathrm{LK}}{V_2}$

$={\tau }_{A2}-{\tau }_B+{\tau }_{R2}-{\tau }_R+(\frac{1}{V_2}+\frac{1}{V_3})x-\frac{\mathrm{LC}}{V_2}$

$=K+(\frac{1}{V_2}+\frac{1}{V_3})x$

其中，

$K={\tau }_{A2}-{\tau }_B+{\tau }_{R2}-{\tau }_R-\frac{\mathrm{LC}}{V_2}$

同样可证，三层折射波与一层直达波，二层与一层之间也有类似结 果，因此结论：

双边放炮，当初至波为来自不同层折射波时，其初至时间差与距离 为线性关系，且其斜率为两折射层速度倒数和的一半。

利用以上结论，可对低速层厚度不太稳定，降速层厚度较为稳定的 地表结构进行扩展减法运算和层速度分组，从而得到精确解释效果。

(6)扩展减法不同层间的误差分析如图23和24。以三层为例，接 收点R在左边较近点，可接收到来自激发点A的二层折射，激发点B的 三层折射，在第二层厚度、速度稳定，V1＜＜V3的情况下，对水平介 质，我们有

$t_{\mathrm{AR}}=\frac{\mathrm{AI}+\mathrm{RJ}}{V_1}+\frac{\mathrm{IJ}}{V_2}$

$t_{\mathrm{BR}}=\frac{\mathrm{BE}+\mathrm{RM}}{V_1}+\frac{\mathrm{EF}+\mathrm{MN}}{V_2}+\frac{\mathrm{FN}}{V_3}$

$t_{\mathrm{AR}}-t_{\mathrm{BR}}=\frac{(\mathrm{AI}+\mathrm{RJ})-(\mathrm{BE}+\mathrm{RM})}{V_1}+\frac{\mathrm{IJ}-(\mathrm{EF}+\mathrm{MN})}{V_2}-\frac{\mathrm{FN}}{V_3}$

第一层的厚度影响，由于地表起伏，把R点升高到R’点，ΔZ＝RR’， 把该点放大如图23和图24：

设第一层第二层之间发生折射临界角θ1c，第二层第三层之间发生 折射临界角θ2c，R点厚度为Z，根据斯涅尔定律：sinθ2c＝V2/V3，sin θ1c＝V1/V2，sinθ1＝V1/V3，于是

$R^{\prime }{J}^{\prime }=\frac{(z_1+\mathrm{\Delta z})}{\cos {\theta }_{1c}},$

$R^{\prime }{M}^{\prime }=\frac{(z_1+\mathrm{\Delta z})\mathrm{RM}}{\cos {\theta }_1},$

N′M′＝MN，

$t_{\mathrm{AR}}^{\prime }-t_{\mathrm{BR}}^{\prime }=\frac{(\mathrm{AI}+R^{\prime }{J}^{\prime })-(\mathrm{BE}+R^{\prime }{M}^{\prime })}{V_1}+\frac{{\mathrm{IJ}}^{\prime }-(\mathrm{EF}+M^{\prime }{N}^{\prime })}{V_2}-\frac{F{N}^{\prime }}{V_3}$

偏差Δt，有

$\mathrm{\Delta t}=(t_{\mathrm{AR}}^{\prime }-t_{\mathrm{BR}}^{\prime })-(t_{\mathrm{AR}}-t_{\mathrm{BR}})$

$=\frac{(R^{\prime }{J}^{\prime }-\mathrm{RJ})-(R^{\prime }{M}^{\prime }-\mathrm{RM})}{V_1}+\frac{{\mathrm{IJ}}^{\prime }-\mathrm{IJ}}{V_2}-\frac{{\mathrm{FN}}^{\prime }-\mathrm{FN}}{V_3}$

$=\frac{\frac{\mathrm{\Delta z}}{{\cos \theta }_{1c}}-\frac{\mathrm{\Delta z}}{{\cos \theta }_1}}{V_1}-\frac{J^{\prime }J}{V_2}-\frac{{\mathrm{MM}}^{\prime }}{V_3}$

$=\frac{\mathrm{\Delta z}}{V_1}({\cos \theta }_{1c}-{\cos \theta }_1)$

$=\frac{\mathrm{\Delta z}}{V_1}(\frac{\sqrt{V_2^2-V_1^2}}{V_2}-\frac{\sqrt{V_3^2-V_1^2}}{V_3})$

图25为理论Δt偏差数据表(单位ms)

扩展减法中的现象与对策

在扩展解释方法中常见现象：

I、断距现象，如图12。在三层解释中，分层出现断距，表明此处 为第三层与第二层的分界面。此种现象一般出现在中间位置。且其减法 求取的速度小于高速层速度。

II、在三层解释中，排列长度适中情况下，如图26模型图，中间 解释为高速层。排列较短时，中间分层线解释为一层，但其速度小于高 速层速度，而且从初至上看中间可能是分界点，说明中间为第二层与第 三层的分界点，如图27。