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地震数据的物理意义

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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维地震数据场的物理意义地震波勘探是目前寻找石油及天然气的主要方法,从地震波信号中人们可以识别地下岩层的地质结构,从而推断油气田的位置。三维地震数据体是地震反射波在地下岩层中传播时获取的地震波振幅数据。地下的岩石是成层分布的,层与层之间因岩石的物理性质不同而存在差异,表现为波阻抗不同,当地震波传播到这些岩层分界面时会发生波的反射和透射。在地震勘探中,人们在地表用炸药爆炸等方式产生人工地震,激发地震波,当地震波向地下传播遇到波阻抗界面时,一部分能量产生反射,一部分能量产生透射,其中反射波向上传播被安放在地表的检波器(传感器)接收,透射波则继续向下传播,当遇到另一个波阻抗界面时,又产生反射和透射,随着地震波的向下传播,人们就能接受到来自地下各个岩层的反射波,经过计算机进行数字信号处理后就得到了三维地震数据场,其中在某一个与地面垂直的二维方向上,就是地震剖面,地震勘探的原理如图 1示。图 1地震勘探原理示意图 人工震源在激发时产生的地震波为一个尖脉冲波,由于大地对地震波有吸收作用,在地震波的传播过程中,高频成分被逐渐吸收,只剩下较低频的成分,最初的脉冲波变成有一定持续时间的地震子波。某个检波器所接收到的所有反射子波叠加起来组成一道信号,称为一个地震道,经过偏移归位处理后,就是该点垂直向下的各个岩层面反射回来的地震子波按反射时间由先到后,也就是反射面由浅到深的先后顺序迭加起来的结果。来自同一层面的反射子波在相邻地震道之间由于波形相似,反射时间也比较接近,波峰(最大振幅所在位置)比较靠近,在地震剖面上能够相互叠套成串,一连串的波峰组成一条线,称为同相轴,同相意指同相位,一条线上的波峰处在同一个波动相位上,岩层面对应于子波波峰的位置。为了突出同相轴,便于观察和解释,在绘制地震剖面图时,将地震信号正半周( 振幅大于零或某个正的阈值的部分)所占区域充填成黑色。在地震剖面上,相邻道上来自同一层的反射波的黑色区域相互重叠,连接成一条明显的又黑又粗的线条,这就是同相轴,它代表反射面所在的位置。三维地震信号的采集过程中,在地表布置有很多纵横交叉的测线,其中纵测线为主测线,横测线为联络测线。若用坐标系表示,则 X 轴和 Y 轴在地表所在的水平面上,X 轴平行于主测线方向,Y 轴平行于联络测线方向, X 轴与 主测线和联络测线上每隔一定距离有一个测点,在每一个测点上放置一个检波器,每隔一段时间(一般为 1 毫秒、2 毫秒或 4 毫秒)对检波器接收到的振动信号进行一次采样,若以时间轴为 Z 轴并垂直于水平面向下,则采集到的三维地震信号组成一个三维地震数据体。该数据体有三个坐标,其中 X、Y 为空间坐标,Z 为时间坐标,用反射时间代表反射面深度,也可以通过时深转换将时间转换为深度,因而 Z 实际上也为空间坐标。因此三维地震数据体实际上就是在地表获得的地下三维空间规则网格结点上的地震振幅场,可表示为 A = f (x, y, z),其中 A 为振幅,x,y,z 为空间坐标。三维地震数据体可以看成是地下三维空间的三维振幅图象,在这种图象中仅仅在反射界面处才存在一个地震子波,界面的反射系数越大,子波的振幅也越强,子波的振幅与界面的反射系数成正比,地震子波的波峰处对应于岩层界面的位置。图 1是一个三维地震数据体的示意图。图 1三维地震数据体示意图 维数据二维解释的局限性以前由于没有合适的三维显示设备,人们只好利用一条条地震剖面(主测线和联络测线)以及水平时间切片来显示三维数据,地震剖面是一种二维图象,可表示为 A = f (x, z)或 A = f (y, z),水平切片也是一种二维图象,可表示为 A = f (x, y),地质解释人员依据这些二维图象来推测、想象地下地层的空间形态和结构。图 1新疆塔里木盆地的一条地震剖面,从图中可以清楚地看出地下岩层的起伏形态。图 1一个三维地震数据体在深度为 1464 毫秒处的水平切片,从图中可以清楚地看出一个弯曲的古河道。图 1疆塔里木盆地某测线地震剖面图 1某三维地震数据体在深度为 1464 毫秒处的水平切片对于庞大的三维数据体,即使将每一条剖面和水平切片都显示出来,一个三维体的完整信息也是分散在各个独立的二维图象中,很难综合起来进行联想,观察起来也不直观,不能从三维的角度去观察和分析地质体的空间形态。更何况在实际工作中不可能对每条剖面和切片都进行观察,常常是将剖面抽稀,仅古河道反射界面对部分剖面和水平时间切片进行解释,即只利用了一小部分信息,大部分信息没得到利用,这是一种信息的巨大浪费,其结果是不可避免地会漏失或忽略大量的小油田。另外由于缺失中间过渡信息,在二维剖面的解释过程中常常会出现断层组合不合理,同相轴难以追踪和对比等情况,往往需要反复修改,解释效率很低。多年以前人们就认识到了这个问题,并指出了三维数据三维解释的出路。在计算机图形学基础上发展起来的科学计算可视化技术及虚拟现实技术,为三维地震数据的三维解释提供了技术上的支持,二十世纪九十年代以来,国外就开展了三维地震数据的可视化研究,在实践和应用中取得了明显的效果,引起了人们的极大兴趣,目前三维地震数据场的可视化技术还在继续发展之中,并已成为石油勘探中的一个研究热点。可视化技术产生的背景大型科学计算往往产生巨量的数据,这些数据只有经过分析和理解才能成为有用的信息。尽管人们可以利用超级计算机及时处理滚滚而来的大量数据,却无法用计算机来及时分析和理解这些数据。目前计算机在自动理解上还达不到人脑具有的智能,最终的分析和理解还得由人来完成,这是一件十分费时而又烦琐的工作。人们发现,复杂的数据以图形的形式表现时是最容易理解的。科学计算的目的是洞察、发现数据中隐藏的现象和规律,而不仅仅是获得数据本身,由于缺乏对大量数据及时、有效的分析手段,据估计大约有 95%的信息被浪费掉了,这严重阻碍了科学技术的发展。摆脱这种困境的最好办法就是用直观的图形输出来代替枯燥的数据输出,借助人类强大的视觉及形象思维能力,对数据进行本质上的理解,看到传统意义上不可见的现象或规律,这就是科学计算可视化。可视化是在 20 世纪 80 年代后期正式提出并发展起来的一项计算机应用分支,1987 年 2 月,美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议,与会者来自计算机图形学、图象处理以及其它领域的专家。会议认为“将图形和图象技术应用于科学计算是一个全新的领域” ,并指出“科学家们不仅要分析由计算机得出的数据,而且还要了解在计算过程中数据的变化,这些都要借助于计算机图形学及图象处理技术” 。会议将这一领域定名为“简称“。实际上,随着技术的发展科学计算可视化已扩展到工程计算可视化及测量数据的可视化。可视化技术使人们能够利用计算机在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行观察和交流,极大地提高了工作效率,使人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息,从而为加深理解、获取深层次信息提供了强有力的手段。可视化的基本算法可视化的本质是用图形和图象来表达数据,其核心是三维数据场的可视化 [1]。对于三维数据场,可视化算法可分为两大类。第一类是基于面的体绘制算法,它首先由三维空间数据场构造出中间几何图元(如曲面、平面、切片等) ,然后再由传统的计算机图形学实现面绘制。最常见的中间几何图元就是等值面,可以抽取出一个等值面,也可以抽取出多个等值面进行绘制。在三维地震数据体的面绘制中,最常用的是进行各种切片显示,这种方式只是将原始数据中的部分数据转换成平面图或曲面图,因而用这种方法构造出来的可视化图形不能反映整个原始数据场的全貌及细节,但由于可以产生比较清晰的切片图象,而且比较容易绘制,因而是一种常用的可视化算法。第二类算法并不构造中间几何图元,而是直接由三维数据场产生屏幕上的二维图象,称为体绘制(法,或直接体绘制 (法,主要包括光线投射法、足迹表法、体元投射法、子区域投射法以及频域体绘制算法等。这是近年来迅速发展起来的一种三维数据场可视化方法,这种算法能产生三维数据场的整体图象,包括每一个细节,并具有图象质量高、便于并行处理的优点,其缺点是计算量很大,计算时间较长。三维数据场可视化常用的建模方法三维数据场可分为标量场、矢量场和张量场,对于三维矢量场例如流速场的可视化,人们想了许多办法,但目前仍是一个难题,原因是大多数流体是透明的,人眼无法直接观察到它们的运动。为了观察流体,我们必须借助于一些外部介质,通过这些介质的运动来表现流速场及其变化,如风是空气的流动,本身不可见,我们是根据树枝的摇晃、吹起的砂粒来观察到风的运动,没有这些可见的实物的衬托,风是不可见的。同样用计算机实现可视化也必须借助砂粒等介质来使风可视化,这就是常用的“粒子法” ,此外还有“箭头法” 、 “矢量面法” 、 “矢量管法” 、 “纹理法”以及“特征结构法”等等。如何更完全、更直观地表现三维场及其运动是当前可视化研究中的一个热点,这不仅是一个计算问题,更是一个研究表现手法的艺术问题,可视化的表现手法需要技巧和艺术。在三维可视化中的这些“粒子” 、 “箭头” 、 “矢量面” 、 “矢量管”等就是我们要建造的模型,通过观察这些立体模型的形态及其运动,就可以从三维空间看到三维场及其变化。这些粒子、箭头等物体是通过建模来描述的,即用数学模型构造一些“可见”的实体,没有实体的空间是看不见的真空,也就达不到可视化的目的。在风洞流速场的可视化中,人们就是通过粒子模型来表现流速场的分布。在建模中还有一个问题,如果模型造得太密,将导致图象杂乱无章,难以观察,就像把几张透明投影胶片叠在一起,其结果是什么都看见了,但什么都看不清,相当于什么都没看见。如果粒子太稀,又不能准确表现三维场的细节,精度降低,因此选择合适的模型采样密度也是可视化设计中必须要考虑的问题。维地震数据场可视化技术的发展现状二十世纪九十年代以来,国外就开始了三维地震数据的可视化研究 [2]-[6],近年来又开始研究虚拟现实在三维地震数据可视化中的应用 [7]。由于传统的二维地震剖面和水平切片的作图方法在人们的思维定势中根深蒂固,影响很深,因而大部分三维地震数据体的可视化方法不可避免地沿袭了这种作图方式,人们企图通过按空间顺序连续显示所在位置的二维剖面或切片来表现三维地质体的空间变化规律,更有甚者,不惜作出各种复杂的切片来洞察地质体的三维特征。图 1图 1是两种典型的切片图。图 1现三维地震数据体的栅状图图 1表现三维地震数据体的任意复杂切片图近年来直接体可视化技术也应用到三维地震数据体的可视化中,1999 年. ]将三维地震数据体中每一个数据采样点建立一个体素 (最小单位立方体) 模型,根据采样点的振幅给予不同的颜色和透明度,应用光线投射算法成功地得到了三维地震数据的可视化图象。图 1一条地震剖面,从图中可以看出,椭圆形区域内的同相轴弯弯曲曲、很不连续,很难看出其地质特征,应用上述的体可视化方法处理后,将各条剖面上分散的、孤立的短同相轴在三维空间联系起来,组成了一个有意义的浊积扇沉积体系。图 1经过体可视化方法处理后得到的图象,从中可以看出,海底河道、浊积扇体的各个朵叶清晰可见。维地震数据场可视化的基本观点和基本思路对于三维地震数据场,目前常用的切片式(包括由切片组成的栅状图及任意复杂切片图)可视化方法带有明显的三维数据二维解释的痕迹,所表达出来的信息是片面的、孤立的。切片和剖面本身就是片面,相邻两片之间的信息无法表现,它们之间很难建立联系、进行联想,因而难以反映原始数据的全貌,丢失了宝贵的三维细节,仍然没有摆脱二维解释方法的局限性。这种方法相当于三维数据场可视化中基于面的体可视化算法,而这些面又不是有意义的地质界面,而是人为的空间截面,本质上仍然是一种三维数据二维显示的方法,没有体现三维数据场可视化的真正含义,无法直接看到反射面的形态以及相互之间的接触关系。光线投射算法能够直接从三维数据体中看到有意义的地质现象,是一种有效的可视化方法,但它首先需要确定体素的颜色和不透明度等参数,参数的正确选取取决于数据的正确分类,目前参数的设置还带有很大的主观性,参数合适时能很好地体现地下地质体的三维图象,当参数选取不当时,三维可视化的立体图象会受到很大影响,因而操作上需要相当的技巧和经验。图 1无明显地质特征的二维地震剖面图 1上图的体可视化结果,浊积扇体系清晰可见我们认为,三维数据场可视化的真正含义是要彻底摆脱三维数据二维解释的局限性,充分发挥三维地震数据信息密度大和成像精度高的优势,利用全部的三维数据在一个完整的三维图象,而不是在一系列分散的二维图象中对三维数据进行整体的全方位观察。事实上三维地震数据体的本质是地下各个反射界面的振幅场,因此三维地震数据体可视化的第一步要将各个反射界面显示出来,根据反射面的错位和中断再将断层面显示出来,这是三维地震数据体可视化最基本的目标。看清了这些界面的起伏变化、断层面的空间形态以及它们之间相互接触的关系,也就看清了地质体的沉积和构造特征,由此可以确定油气田的位置。三维地震数据体可视化的第二步要在虚拟现实系统的支持下,将三维地震数据转换为三维场景,借助立体眼镜、数据手套等设备,让观察者走进由虚拟现实系统合成的地下空间,如同走进山洞观察地下露头一样,直观地查看由三维地震数据所反映的地下地层的立体景象,这是一种高级的可视化手段,可以获得逼真的、身临其景的观察效果。图 1在虚拟现实系统下进行三维地震数据体可视化的示意图。图 1虚拟现实系统下进行三维地震数据体可视化的示意图更进一步,若能从地震信号中反演出岩层的吸收系数、迫松比、孔隙度、渗透率等物理参数,也可以对这些参数的三维数据场进行可视化,再综合反射面及断层面的立体图象,就可以很可靠地确定隐秘油藏的位置,在油田开发中还可以确定剩余油的位置,制定最佳开发方案。
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