绿色地球物理技术发展展望

绿色低碳成为时代发展主旋律,这将深刻影响全球经济和社会发展方向与路线。绿色地球物理技术发展是地球物理行业面临的一个重要任务。分析了绿色地球物理技术发展的内涵与特征、层次与组成、未来发展方向等内容。地球物理行业应围绕绿色能源、绿色技术、绿色系统、绿色服务提升自身技术优势,创新技术体系、服务内容和应用场景,增强绿色低碳应用服务水平与竞争力,提升传统应用领域服务,开拓新兴应用服务领域,为人类的可持续发展做出贡献。绿色地球物理技术分为狭义和广义两个层次,狭义的绿色地球物理技术即环境友好的地球物理技术,指其探测作业过程对自然生态环境和人类生存环境不产生负面影响和破坏的地球物理技术;而广义的绿色地球物理技术指一切有利于保护地球自然生态环境、应用于地球自然生态环境保护、服务于绿色低碳领域的地球物理技术。绿色地球物理技术一般具有环境友好、环境适应性强、高安全性、能源消耗低、资源消耗低、高效率、低成本、无损伤等关键特征。环境友好的地球物理技术由绿色装备、绿色采集作业技术、绿色计算技术、绿色分析技术和绿色系统等组成。绿色地球物理技术的主要发展方向有:被动源地球物理探测技术、绿色震源等地球物理激发技术、节点地震数据采集技术、多物理场融合观测节点系统、卫星遥感与无人机地球物理观测技术、快速算法与绿色计算技术、自动化数据处理与智能化数据分析技术、基于光纤声波传感(DAS)的永久监测系统、低成本地球物理技术等。

含天然气水合物储层衰减岩石物理研究进展

衰减是储层的重要基础物性,正确认识天然气水合物储层的吸收衰减机制对于准确预测水合物饱和度具有重要意义.天然气水合物以不同形态赋存在粗粒砂岩或细粒黏土质沉积物中,而这两种水合物储层对应的衰减特征存在显著差异.为了阐明其内部的衰减机理,近年来学者们提出了多种岩石物理模型.其中,砂岩水合物层的衰减模型大致有两类,其中一类以三相Biot理论为基础,模型中包含多种描述水合物颗粒与砂岩颗粒间接触作用的衰减机制,如颗粒胶结、摩擦、微裂隙导致的喷射流等.这类模型可以较合理地再现实际声波测井资料中衰减随水合物饱和度增加而增加的情况,但在地震频段无法产生有效的衰减强度.另一类模型的衰减主要以等效颗粒模型所描述的水合物内部孔隙水与自由孔隙水之间的交换作用为主导,其能够解释砂岩水合物在地震频段的衰减现象.黏土质沉积物中的水合物衰减研究则是首先基于等效颗粒模型模拟黏土矿物附着水的衰减机制建立背景沉积物的衰减模型;接着在其基础上通过量化纯水合物的物性和水合物赋存对背景沉积物性质的改变来完成建模.该模型也已成功应用于地震频段的反射地震资料中.以上衰减模型的提出使水合物的衰减研究取得了实质性进展,使研究人员能够定量化分析观测资料中的衰减现象,并通过衰减约束水合物饱和度.然而这些模型的应用仍存在不同程度的限制:研究发现砂岩水合物储层的衰减模型无法匹配实际资料中观测到的横波衰减强度;以及黏土质水合物储层衰减模型缺少对裂隙参数的表征,在声波频段的模型结果有待验证.为了提升模型的预测精度和应用范围,未来需对水合物赋存形态与衰减的关系加深理解,结合更多实际资料进一步深入细致地开展岩石物理研究.

节点地震勘探技术发展的系统性思考

节点地震数据采集是地震勘探技术的一次重大变革。节点地震仪因具有多项优势特性得到了广泛应用。节点地震勘探技术显著提高了地震勘探对山地等复杂地表条件的适应性和灵活性,降低了野外作业的劳动强度和用工量,提高了地震勘探生产效率,同时,提升了野外作业的HSE性能,但节点地震勘探仍面临一系列挑战。节点地震勘探技术发展不仅是地震勘探仪器的变革,同时,也是地震数据采集模式、数据处理模式和数据应用模式的变革。节点地震仪的未来发展趋势主要是节点地震仪性能的不断提高与优化,节点地震仪的系列化与多样化,多物理场融合观测节点系统,特殊环境节点地震仪以及相关配套装备的发展。节点地震仪使地震勘探数据采集模式从集中式变革为分布式,从而将促进地震勘探野外作业流程和施工管理模式的优化与变革。节点分布式地震数据采集模式的变革,正在向长时间连续观测、主动源与被动源融合采集、密集采集与稀疏采集共存、实时监控与实时回传、节点布设与回收自动化辅助等方向发展。节点地震数据处理模式的变革将向自动化处理流程和智能化分析等方向发展,需要有相应的主动源与被动源地震数据处理、非规则观测系统地震数据处理功能的支持,增量式数据处理功能和处理流程的创新将建立全新的增量式地震数据处理模式,在某些应用场景下这种增量式地震数据处理可以按实时和自动化流程模式开展。节点地震数据应用模式的变革将向应用领域与应用场景多样化、地震数据采集处理解释软硬件系统一体化、被动源环境噪声信息深度应用、主动源与被动源信号融合应用等方向发展。建议加强研究形成节点地震仪器装备、采集技术、处理技术和应用技术的系统化体系,以应用场景为引导实现节点地震勘探技术与新一代信息通信技术的融合发展,形成节点地震仪和节点地震数据应用的开源架构和生态系统。

地幔过渡带间断面结构地震学成像研究进展

地幔过渡带位于410-km和660-km两个地震学间断面之间,是深入认识地球内部温度结构、物质组成以及动力学演化过程的关键区域.地幔过渡带的上下界面分别对应橄榄石到瓦兹利石和林伍德石到布里奇曼石和铁方镁石的矿物相变.本文总结了地幔过渡带间断面结构的主要地震学研究方法以及研究进展.这些方法包括SS和PP前驱波方法、接收函数方法、ScS多次反射波方法、P'P'前驱波方法、三重震相波形模拟方法、背景噪声体波干涉成像方法等.总体而言,地幔过渡带的厚度与地幔过渡带速度在大尺度结构上存在正相关性,表明两者都主要受控于温度结构,与橄榄石矿物相变预测一致.然而,地震学观测得到的410-km和660-km间断面的绝对深度和几何形态则缺乏相关性,可能是由于地幔过渡带上下界面处的横向温度变化特征并不一致或者由于水含量和化学成分等差异所导致.410-km和660-km间断面的强度(包括速度、密度和波阻抗跳跃值)和宽度主要受到地幔过渡带化学成分和水含量的影响.一些地震学研究还探测到了地幔过渡带内部的520-km和560-km间断面,前者被认为由瓦兹利石到林伍德石的相变所导致,而后者可能与钙-钙钛矿从超硅石榴子石中出溶有关.地幔过渡带附近的低速层可能与过渡带物质进入上下地幔发生脱水熔融存在一定联系.尽管地幔过渡带研究取得了长足进展,但仍有许多重要科学问题悬而未决.精确可靠的地幔过渡带地震学成像结果可以为这些问题提供关键信息,但同时也需要与矿物物理学、地球动力学、地球化学等学科交叉融合.本文最后对未来的地幔过渡带地震学研究方向进行了展望.

青藏高原南缘中部的地壳结构:远震P波尾波自相关的新约束

在青藏高原南缘有很多主动源和被动源地震学观测,为研究印度板块和欧亚大陆碰撞的过程和机制提供大量的地震学证据.由于印度板块的俯冲,青藏高原下方存在广泛分布的倾斜构造,对地壳结构成像带来挑战.本文基于改进的远震P波尾波自相关方法,获得了青藏高原Hi-CLIMB台阵下方清晰的P波反射率剖面.结果表明在拉萨地块下方,观察到类似于接收函数成像展示的“双Moho(doublets)”特征,反映了印度板块下地壳俯冲到青藏高原下方时可能发生了榴辉岩化;该特征向北可以追踪到31°N北侧附近,指示了印度板块下地壳的俯冲前缘.本文结果支持了印度板块向青藏高原俯冲过程中,其上地壳在雅鲁藏布江缝合带以南已被剥离,而其下地壳和岩石圈地幔继续向北俯冲并近水平地底侵到青藏高原下方.该P波反射率剖面还揭示了地壳内部的很多构造信息,例如:印度下地壳的减薄;雅鲁藏布江缝合带和班公湖—怒江缝合带的反射特征;拉萨地块和南羌塘地块的地壳内部分层特征;拉萨地块北侧和喜马拉雅北侧的中上地壳存在两个低速带.

时移电阻率法三维反演研究

时移电阻率法是监测浅地表物性参数动态变化的有效方法之一.在实际应用中,由于观测噪声随时间变化,基于不同时刻观测数据单独反演所得的电性结构变化可能存在虚假信息.这些时变噪声引起的虚假信息增加了时移电阻率法解释的难度.本文通过在传统的正则化反演目标函数中增加时移约束来调控相邻时刻同一位置的电性差异,以抑制时变噪声产生的虚假变化.在此基础上,采用有限内存拟牛顿法实现了时移电阻率法三维反演.合成数据反演结果表明,相对于不同时刻监测数据单独反演的结果,时移反演可更好的抑制噪声影响,获取更准确的电性结构及其动态变化.野外实验数据反演结果表明,时移反演能更真实刻画实验区域的电性结构变化.上述结果表明,时移反演可以更好的压制由背景噪声引起的假异常,提高反演结果的准确性和解释的可靠性.本研究为时移电阻率法监测浅地表电性结构动态变化提供了一种有效途径.

海洋辅助源宽频大地电磁方法

受空气波影响,目前常用的海洋可控源电磁探测方法在浅水区几乎是探测盲区;由于海水的吸收衰减作用,大地电磁测深信号的高频成分在水域几乎衰减殆尽。因此,这两种方法在探测深度方面均存在不足之处。针对这一问题,提出海洋辅助源宽频大地电磁方法,将可控源音频大地电磁法应用于海洋资源勘探,开展混场源电磁数据采集,即在水面布设激发场源,在海底远区布设采集站接收电磁信号,可获得海洋可控源音频大地电磁信号。对这两组数据进行拼接处理,可实现海域宽频大地电磁探测。建立空气—海水—海底三层地电模型,计算水面激发—海底接收方式下的电磁场分量,分析了不同储层模型的宽频大地电磁视电阻率曲线特征,探讨了海洋可控源音频大地电磁分量的适应性及可行性。本项研究为海洋资源勘探与深部地球科学研究提供了有效的电磁探测方法。

一种有效的适合F-J方法从背景噪声资料中提取多阶频散曲线的台阵划分方法

近年发展起来的从地震背景噪声提取多阶频散曲线的F-J方法是一种台阵分析方法,对某一特定的研究区域内台阵的划分方式直接影响成像的效果.当研究区域地下结构较简单,且台站间距比较均匀时,可以使用简单的平移式移动阵列法;然而若研究区域地下结构复杂多变,尤其是台站间距疏密不均时,就需要根据具体的地域特征灵活划分台阵.本文介绍了一种适用于地下结构复杂及台站间距不均匀区域的台阵划分方法,具有一定的普适性.我们将其应用于美国阿拉斯加及加拿大西北部,验证了相比于简单的沿经纬度移动阵列,我们的分区方法确实大大提高了结果的分辨率,为后续反演研究区域三维速度结构提供了坚实的保障.

应用残差网络的微地震事件五分类检测方法

常规的微地震事件检测方法通常需要人工选取阈值,在处理大量连续记录数据时效率较低,难以适应实时监测的需求。为此,提出一种基于残差网络的微地震事件五分类检测方法,将样本分为噪声、完整的微震事件、只含有P波、只含有S波以及多个微震事件五类。该方法只需将连续记录的波形数据等分,并通过时窗调整获得完整的微震记录。通过一系列数据增广方法实现小规模实际数据样本集的模型训练,模型精度高达99%。将该方法与二分类方法同时应用于微地震监测数据检测,并通过P波、S波到时拾取和震源定位评估检测效果。研究结果表明,基于残差网络的五分类检测方法检测到了更多数量的微震事件,且具有较高的运算效率,满足实时监测的需求。

背景噪声频率-贝塞尔变换法研究厦门岛浅层S波速度结构

为获取厦门岛浅层三维速度结构,本文使用福建省地震局于2019年布设的50个流动地震台站组成的密集台阵所记录到的垂向分量波形数据,计算背景噪声互相关,利用频率-贝塞尔变换(F-J)法提取子台阵的瑞利波相速度频散曲线进行反演,获取子台阵下方一维S波速度结构,并通过插值得到厦门岛4 km以内的三维S波速度模型.结果表明,整体上厦门岛S波速度随深度增加呈现递增趋势,在近地表处的横向不均匀性显著.0~1 km深度的S波速度大体上呈现“北高南低”的特征,与岩性分布有较好的对应关系.随着深度的递增,高低速特征分布逐渐呈现为连续性较好,近北东向展布的条带状.结合前人研究结果,本文推测这一现象与厦门岛岩层在不同时期受到挤压和拉张作用形成的褶皱和断裂相关,反映了厦门岛所经历的多次构造变动和岩浆侵入事件.垂向剖面的速度差明显区与研究区断裂带位置具有一定的对应关系.研究结果可为厦门岛的构造演化研究和地质灾害评估提供新的科学依据.

由背景噪声多阶面波反演阿拉斯加地壳三维横波速度结构

阿拉斯加由若干具有不同构造演变历史的地块构成,其南部边缘受太平洋板块向北美板块俯冲影响,整体构造运动活跃,具有很大的研究价值。本研究从美国阿拉斯加及加拿大西北部地区的310个台站共6年的背景噪声数据中提取出瑞利多阶频散曲线,最终得到研究区域地壳的三维横波速度结构。我们在阿拉斯加地下约10 km~20 km深度范围发现一广泛分布的中地壳低速层。该低速层位于阿拉斯加内陆区域,包括Seward半岛,Yukon-Koyukuk地块,Yukon-Tanana地块及阿拉斯加东南部部分区域。低速层与阿拉斯加四大地热区域中的两个(CAHSB和SEP温泉分布区)高度重合。中地壳低速层与当地地热资源的对应性一定程度上证实了我们所得速度模型的可靠性,同时对该低速层的进一步研究或许有助于阿拉斯加温泉带起源的探索。

地震波泄漏模式研究进展

地震波在层状结构中传播时会产生频散现象,基于频散曲线特征可以反演地下速度结构.利用从地震记录和背景噪声中提取的面波频散曲线进行反演已经成为研究近地表和岩石圈结构的重要方法.除面波外,近年来学者们在泄漏模式及其频散的研究和应用方面取得了重要进展.泄漏模式可以为速度结构反演提供包括纵波速度在内的约束信息,能够与面波频散反演优势互补,实现更准确、全面的速度建模.但相比于面波,地震信号和背景噪声中的泄漏模式振幅通常较弱,因此提取泄漏模式信息对观测技术具有较高要求;另一方面,研究泄漏模式需要更复杂的理论基础和数值求解技术,所以在过去几十年间泄漏模式并未受到太多关注.数十年来,泄漏模式理论已随着地震学、光学和声学的相关研究而日趋完善,并形成了有效的数值计算方法和工具,这为泄漏模式的实际应用奠定了重要基础.而随着高质量、高密度观测数据的增多以及数据处理技术的进步,学者们已成功从各类型数据(天然及人工地震、背景噪声等)中提取到了泄漏模式信息,并发展了基于泄漏模式的速度结构成像方法.目前该成像方法已成功应用于天然地震、背景噪声和勘探地震的速度建模,具有较好的应用前景.本文首先介绍了泄漏模式的理论基础和数值计算方法,并从敏感性角度阐述了泄漏模式对速度建模的意义;随后本文通过回顾代表性的研究介绍了泄漏模式观测和应用方面的重要进展,并对已提出的几种反演手段进行了比较和分析;最后,本文还对泄漏模式在地震成像中的关键问题进行了分析和讨论.

地震学衰减层析成像进展

全球和区域地震波衰减模型揭示了地球内部滞弹性的非均匀结构,为解释地球内部温度、熔体和挥发分分布、分析地球动力学过程和地震震源机制等提供了新的启示.近年来,地震学衰减层析成像在面波及背景噪声衰减成像、体波衰减成像、区域震相及尾波衰减成像、全波形衰减成像的理论与应用方面均取得了实质性进展.在此基础上本文列举了一些地震学衰减层析成像研究中正在开拓和发展的方向.

基于F⁃J法微动探测的表层结构调查

三维地震勘探常常处于城镇、道路等无法实施微测井等静校正方法的区域,近期人们尝试利用微动调查替代现有的静校正方法,取得了一定效果。现今微动调查在石油勘探的应用中主要通过提取面波频散曲线反演地层速度结构。该方法在石油勘探领域仍处于起步阶段,作为核心技术的频散成像方法种类繁多,其中2019年提出的频率—贝塞尔变换法(Frequency‑Bessel,F‑J)受到人们的广泛关注。相比空间自相关方法(SPAC),F‑J方法在利用背景噪声高阶模式面波成像上具有巨大优势。为了更好地研究F‑J方法的适用性,首先利用合成数据分析了不同观测系统和采集参数对F‑J成像的影响;然后利用四川某地实际噪声数据分析了不同观测系统、采集时间对F‑J频散成像的影响。实际应用中采用分段择优叠加得到的频散谱,可有效提高频散谱成像质量,为准确提取频散曲线提供了数据基础。进一步对比测井数据,发现利用基阶、高阶模式频散曲线进行多模式联合反演可精确地反演地层结构,使经济、高效地获得表层结构成为可能。

海洋可控源电磁法三维模拟电性模型研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)是实现海洋油气圈闭评价和精确勘探的有效手段。目前,关于准确、高效、稳定的MCSEM数据三维正演模拟研究已取得长足进步。文中针对MCSEM正演的三维精确建模,从海洋地层岩石分类特征出发,细化三维网格电性表征,建立基于孔隙度和岩石物性特征的网格单元函数,给出了海洋可控源电磁回路中包括铜棒电极的网格单元和海水层、海底沉积层、油气储层及其盖层等五种类型介质的电阻率表征,同时通过对上述五类介质的频散测试数据进行复电阻率等效模型拟合,进一步获得其复电阻率最优表征。考虑储层岩石孔隙度及海水分层特征、充分利用已知信息的建模方法能够提高三维模拟精度,为直接反演储层含油饱和度提供了一种思路,这必将推动MCSEM在油气勘探领域更广泛的应用。

带约束的一维时频电磁联合反演研究

利用时频电磁资料可同时获取时间域及频率域电磁信息。相比单一时间域或频率域电磁信号,综合利用时频电磁信息可明显提高电性反演精度。为获得精细地电模型,基于正则化反演方法,融合数据约束、模型约束及步长约束,提出一种一维自适应时频电磁联合反演算法。该算法对时间域和频率域数据平衡因子及正则化因子采用自适应调整方案,同时将模型参数搜索范围约束与WOLFE准则相结合,在限制参数搜索范围的同时约束迭代步长,确保反演的稳定性和精度。使用经典层状模型、含噪声的页岩气地电模型及实测数据对该反演方法进行测试与分析,结果表明带约束的时频电磁联合反演方法可有效提高复杂模型电阻率反演的分辨率,对提高时频电磁方法油气藏识别精度具有实际意义。

贝叶斯有限断层破裂分布模型反演研究进展

精确的有限断层破裂分布模型对于研究震源物理机制、评估地震灾害等具有重要意义.目前,有限断层反演通常采用线性最小二乘方法,但该方法存在一定局限性:(1)不易评估完全的参数空间,因而不利于评估非高斯分布的参数不确定性;(2)为了提高反演稳定性,在反演中通常施加断层滑移平滑约束(正则化),但平滑强度的确定具有一定主观性;(3)断层几何设置不同使得反演结果不尽相同;(4)难以顾及地球速度模型不确定等.与之对应,通过确定参数概率密度分布,贝叶斯反演提供了所有参数总体最优解,同时刻画不同参数之间协方差大小,可以有效克服上述问题.特别是过去十余年间,随着计算机算力飞速提升,贝叶斯反演得到了越来越多应用.通过阐释贝叶斯有限断层反演理论与技术,本文试图梳理近年来贝叶斯有限断层反演成果,最后展望贝叶斯有限断层反演发展趋势.

多方法多信息电磁联合约束反演方法研究进展

电磁法在油气勘探、深部矿产资源调查、地热地下水勘查、地球深部结构成像以及水下军事目标侦察等方面都发挥着重要作用。文中系统地总结了多种信息和多方法的电磁联合约束反演研究进展,从方法应用的角度介绍了研究现状,着重分析了不同电磁联合约束反演方法目标函数的构建形式及存在的问题和技术难点。在地震数据等已知信息较多的地区,利用先验信息构建不同类型约束函数,通过约束反演提高盐岩、火成岩发育区构造成像精度,降低反演的非唯一性。在已采集天然源大地电磁(MT)数据和人工源电磁(CSEM)数据的地区,可利用这两类方法各自的优势开展联合反演,发展顺序约束的联合反演及基于统一目标函数的多方法联合反演。CSEM法与MT法在反演深度上具有互补性,覆盖整个研究深度,同时可提高目标反演精度,减少反演的非唯一性。文中针对这一类联合反演的目标函数和权重因子的选择进行讨论。根据实际应用效果分析,目前最重要、最有潜力的联合反演是电磁数据与地震数据的联合反演,这种联合反演方式经历了从地震约束电磁反演到基于物理模型的联合反演和基于交叉梯度方法的联合反演。文中分析了速度与电阻率模型之间难以构建合理联系这一难点,说明目标函数中交叉梯度项和物理模型约束项的权重因子设置是目前开展地震—电磁联合约束反演的关键和难点。最后,笔者提出:将电磁联合反演与人工智能算法、三维可视化分析相结合;采用大规模并行计算等新方法、新技术的发展方向;发展联合采集系统,为多物理场联合反演提供更有效的数据体。

强台风激发多阶面波信号的频率-贝塞尔变换成像研究

近年来,频率-贝塞尔(Frequency-Bessel,F-J)变换台阵技术在多阶面波成像领域取得了显著进展,对地壳及上地幔剪切波速度(V_(S))模型提供了精确的约束.目前,F-J技术主要集中在利用噪声互相关提取台站间传播的面波信号.值得注意的是,尽管强台风能产生丰富的面波信号,如何利用这些面波信号来精准成像地下结构一直是学界关注的研究课题.本文旨在探讨利用强台风激发的地脉动进行F-J技术成像的潜在可行性与应用前景.通过分析在强台风期间蒙古国境内的宽频带台阵记录的地脉动数据,本文观测到清晰的多阶面波信号,其激发源方位与台风轨迹高度一致,证明这些多阶面波信号主要由强台风激发;运用F-J技术成功地提取了多阶频散曲线,并反演了台阵下方VS结构;此外,还从该台阵两年期间的噪声记录中提取了多阶频散曲线,用来反演VS结构;通过对比强台风期间和两年噪声数据获得的0~140km深度范围内的VS模型,发现两者之间的差异极小.因此,本研究揭示了强台风产生的地脉动在精确探测地壳及上地幔VS结构方面所具有的潜在价值.

基于物性分析建模的时频电磁反演及储层评价——以准北缘石北构造带为例

时频电磁法(TFEM)在油气勘探中发挥着重要作用,数据反演中模型精度对反演精度影响很大,充分利用已知资料精确建模可有效降低反演的非唯一性、提高反演精度。基于准北探区实际资料,对研究区电测井数据进行高斯分布统计分析,获得各地层的电阻率均值、离差等特征数据,据此提出对研究区上、下构造层及不同地层进行分层电性建模的方法;通过火成岩储层岩石频散测试分析,获得探区不同油气饱和度火成岩的频散特性,同时依据该地区时频电磁油气检测结果与钻井含油气信息建立油气电磁属性识别模板。示例展示了通过分层建模和反演获得的电阻率和极化率剖面,以及剖面的分析、解释结果,指出了含油气有利目标。文中的建模方法和油气目标解释思路可为类似地区的油气储层评价提供有价值参考。