海底浅层气的地震波场模拟与特征.pdf

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1、ISSN1009—2722CN37—1475／P海洋地质前沿MarineGeologyFrontiers第33卷第5期Vol33NO5文章编号：1009—2722(2017)05—0052—08海底浅层气的地震波场模拟与特征习建军1’2，陈雄3，曾昭发2，夏荣立4，于明国5，王彦兵5(1河北省电力勘测设计研究院，石家庄050031；2吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026；3河北地质大学勘查技术与工程学院，石家庄050031；4中国国际工程咨询公司，北京100048；5国网北京经济技术研究

2、院，北京102209)摘要：考虑海底介质的黏滞性，讨论了二维黏弹性波动方程，建立了包含密度、品质因子等物性参数的海底浅层气模型来精确描述目标，采用数值模拟的手段，正演计算了地震波在团(块)状浅层气、高压气囊、下凹气道、气底辟等4种不同海底浅层气模型中的传播响应。为了有效地压制在粗网格下差分计算产生的数值频散，将通量校正传输(FCT)算法应用于波动方程的求解中，提高了地震波场模拟的精度和运算效率。通过计算获得了不同储存层条件下海底浅层气的地震波剖面特征，得到了典型声学剖面识别标志，为海洋地质灾害勘察提

3、供了一种有效的科学研究手段。关键词：海底浅层气；黏弹性；通量校正传输算法；地震波场；海洋地质灾害中图分类号：P694文献标识码：ADOI：10．16028／j．1009—2722．2017．05007海底浅层气是一种常见而危险的海洋灾害地质因素，在世界海洋矿产开发史上，由于浅层气直接导致的灾害损失占各类灾害总损失的比例高达35％～50％[1]。它通常以层间气和沉积物中气的形式存在，沉积物中的气体改变了沉积层土质的力学性质，使其强度降低，结构变松，破坏了土质原始稳定性，减小了基底支撑力。在外载荷重下，

4、含气沉积物会发生蠕变，可能导致下陷，侧向或旋转滑动，最终失去平衡，发生倾斜倒塌一2

5、。另外，在勘探活动中，一旦钻杆或桩脚穿通浅层高压气囊，则会引起井口地基土体冲垮、气体喷逸，平台倾覆及起火燃烧，影响海上工程施工和构筑物安收稿日期：2017-0220基金项目：国家自然科学基金(41574097)；国家电网公司科技项目“海底电缆工程高精度多元数据获取及分析技术研究”作者简介：习建军(1982一)，男，博士，高级工程师，主要从事工程物探及电力勘测工作．E—mail：tiantianhappy365@126

6、．corn全。因此，提前了解浅层气的分布和产状非常重要。作为调查海洋地质灾害主要勘察手段的地震勘探技术，相对于成本高昂的海洋工程地质钻探、水下静力触探等工程地质手段具有高精度分辨率、快速高效率和成本低廉等诸多优点而被广泛应用口“]。如何将其应用于海洋地质灾害调查，查明隐伏在海底的地质灾害结构是否发育、分布位置、规模大小、形态、分布特征和参数属性等地质信息，对指导海洋工程建设和避免海洋地质灾害损失具有重要价值。数值模拟是指导地震勘探技术的基础，加强对不同地质灾害的波场特征分析，对数据合理处理与解释，以

7、及密度、孔隙比、标贯击数、承载力特征值、厚度和品质因子等海底介质属性参数的反演，都有指导意义。5’6]。针对各种地质灾害在地震剖面上的特点，如何获取相应识别特征，对于提第33卷第5期习建军，等：海底浅层气的地震波场模拟与特征53取灾害体的信息、查找评价海洋地质灾害现象，是海洋地球物理勘察的一个重要研究方向。另外，在进行海底地震波场数值模拟计算和反演成像时常假设海底介质是理想的完全弹性，但是，实际上，海底表层主要覆盖淤泥、泥沙、粉黏土等非固结地质体，具备黏弹介质的属性，当地震波在其中传播时，海底地层的

8、黏滞性会引起的吸收作用是导致地震波衰减的主要因素之一，所以进行黏弹介质的正演模拟是很有必要的，黏弹介质中的数值模拟更接近于实际[7。]。如何准确描述复杂海底目标的本征介质属性，评估地震波对于各类海洋地质灾害的探测效果、计算各种地质灾害的地震波场响应和参数估计都是海洋地震勘探理论研究有待解决的关键技术问题。本文针对影响近岸工程建设的海底浅层气这种潜在地质灾害，研究了海底黏弹介质的二维地震波场数值模拟方法，通过建模分析，获得了不同储存层条件下海底浅层气的地震波场剖面特征，为海底浅层气的地震勘探和图像解释

9、提供参考。1二维黏弹性波动方程标准线性黏弹介质中的标量方程为m”]：一老蓦cV2P，+矿1擎+芦辛瓦古窘一V2P(1)式中：t为时间，S；P为压力场，Pa；J0为密度，kg／m35刁为黏滞系数；k。、k：分别为串联与并联时的弹性模量，单位为Pa；u一~／忌，kz／[p(ki+k2)]为波速，单位为m／s；v2为拉普拉斯(Laplace)算子。式(1)是对时间和空间的三阶导数。若Vx、V。分别为X、Z方向上的速度分量，无外力时，在L个标准线性体内，黏滞声波一阶速度方程为