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油气之光——地震勘探:照亮地下的明灯

2015-11-4 10:11:31 来源:中国矿业报 作者:张立勤

谈起地震,人们往往会想到地震灾害。历史上,地震作为一种自然现象,给人类造成过巨大的伤害。然而,除了灾害,地震还有其鲜为人知的一面,它为我们带来了丰富的地球内部信息。地震勘探如一盏明灯,照亮了地下的世界。

地震勘探的基本原理

“地震”就是“地动”的意思,是地球内部发生运动而引起的地壳震动。地震勘探则是通过人工的方法引起地壳震动,利用地下介质弹性和密度的差异,观测和分析大地对人工激发地震波的响应,推断地下岩层的性质和形态,是一种地球物理勘探方法。

地震勘探的原理在于:在地表通过人工方式激发产生地震波,地震波向地下传播时,遇到介质性质不同的岩层分界面,将会发生反射与折射,在地表或井中布置检波器对地震波进行接收,收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置和地震波所经历的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释,可以推断地下岩层的性质、构造形态等一系列有用信息。地震勘探的深度范围一般从数十米到数十千米,从分层的详细程度和勘查的精度上讲,地震勘探都优于其他地球物理勘探方法。因此,地震勘探是钻探前勘测石油、天然气、固体矿产的重要手段,在煤田和工程勘察、区域地质研究和地壳研究等方面也有着广泛的应用。

地震勘探的三种方法

地震勘探方法可以分为以下三种:反射法、折射法和地震测井。

一、反射法

反射法即利用反射波的波形记录进行地震勘探的方法。地震波在其传播过程中遇到介质性质不同的岩层界面时,一部分能量被反射,另一部分能量透过界面继续传播。地下介质中的地层面、不整合面、断层面等都能产生反射波,通过反射波可以查明地下岩层的分层结构及其构造形态,根据反射波到达时间与反射面深度的关系,可以预测出地层的埋藏深度和起伏形状。此外,反射波振幅还与反射系数有关,这对于推算地下波阻抗的变化、预测地层岩性有重要的帮助。

二、折射法

折射法是基于以临界角入射的地震波,在下覆地层波速大于上覆地层波速的界面上所形成的折射波进行地震勘探的方法。一般而言,只要上下地层的介质性质差别较大,折射波是容易获得的。因此,折射波法在野外和室内工作较为简便,勘探效率和精度在一定条件下都较高,在建设堤坝、桥梁、路基、水(核)电站及其他大型建筑物时,具有重要的应用价值。

三、地震测井

地震测井是直接测定地震波速度的方法。震源位于井口附近,检波器沉放于钻孔内,通过井深及时间差,计算出地层平均速度及某一深度区间的层速度。由地震测井获得的速度数据可用于反射法或折射法的数据处理与解释。在地震测井的条件下亦可记录反射波,这类工作方法称为垂直地震剖面(VSP)测量。VSP不仅能够准确测定速度数据,还能对钻孔附近的地质构造情况进行精确的勘探。

地震勘探的应用成果

20世纪以来,勘探地球物理学得到了迅猛发展,地震勘探被广泛应用于地质、石油、工程、建筑、防灾等各个方面,并取得了一系列闪耀的成果。

一、地球内部圈层划分

我们关于地球内部的大部分知识都来源于地震勘探的研究,科学家通过记录和“倾听”来自地球内部振动的声音“地震波”,来判断地球内部的结构和状态。

1909年,奥地利地震学家莫霍洛维奇在研究一次地震时发现,地震波在到达欧洲大陆地下35千米处时,传播速度突然加快,说明该深度处的上下物质在成分或状态上有改变,这个深度就是上下两种物质的分界面,即不连续面。根据分析,1910年莫霍洛维奇提出地球有内外层之分,即我们所说的地幔和地壳,而地壳与地幔的分界面也就是后来所称的“莫霍洛维奇不连续面”(莫霍面)。1914年,德国地震学家古登堡根据地震纵波的“影区”确认了地核的存在,并测定了地幔和地核之间的不连续面,即后来所称的“古登堡不连续面”(古堡面),其深度约为2900千米。这个数值相当准确,直到现在也改进不多。

二、石油、天然气等的勘探开发

由于地震勘探具有其他地球物理勘探方法无法达到的精度和分辨率,所以在石油、天然气等矿产资源的勘探中,用地震波进行勘探是最主要和最有效的方法之一。

各种矿产资源在构造上都会具有某种特征,如石油、天然气只有在一定封闭的构造中才能形成和保存。地震波在穿过这些构造时会产生反射和折射,通过分析在地表接收到的信号,就可以对地下岩层的结构、深度、形态等做出推断,从而为钻探工作提供准确定位。我国的很多大油田,如大庆、胜利、辽河、塔里木油田等,都是利用地震勘探发现的。此外,我国在南海发现可燃冰及亿吨级海上大气田,也是靠人工地震勘探的办法得出的。

三、其他方面的应用

在工程上,地震勘探被广泛应用于工程地质结构的精细探查、矿床构造的精细探查和工程质量与灾害检测三个方面,例如我国的三峡工程,对其库区地震灾害的研究就是工程可行性论证的重要内容之一。此外,地震勘探方法在预测火山喷发上取得了很大进步,对进行地下水开发、考古、矿山监测等有着十分重要的意义。

随着计算机技术的飞速发展、地震勘探仪器的不断精细,地震勘探技术这盏明灯将为我们带来更加明亮的地下世界。□

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

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