一种特殊的地球物理勘探方法-谐振

2020.11.03 中国矿业报

作者：中国地质调查局油气资源调查中心康海霞

地震勘探是指人工激发所引起的弹性波利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探是地球物理勘探中最重要、解决油气勘探问题最有效的一种方法。它是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段，在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面，也得到广泛应用。

常规的油气勘探方法存在着勘探成功率低的问题，谐振法油气检测技术，利用地震波在油气固有频率区段和油气发生谐振的原理，从地震波中直接检测到油气的位置，从而排除了油气勘探的人为因素，提高了勘探成功率。

任何物体都存在自身的固有频率。大到地球小到微电子，由于物质成分几何形状以及结构大小不同，其固有频率不同，固有频率是自然界赋予物体的自然属性。当振动作用于物体，物体要做出相应的响应，振动的频率与物体的固有频率一致时，物体将放大震动的幅度（图1）。物体发生谐振后可以造成破坏，著名的例子是美国澳柯玛大桥在风中倒塌和拿破仑士兵在桥上正步行走造成桥梁倒塌事件。自然界发生的地震也会由于某些地段第四系谐振频率与地震主频相近，造成幅度被放大从而使地面建筑物遭受更大损坏。

图1物体受振动的自激响应

在世界各地的破坏性地震中，人们观察到大部分损伤与某种频率振幅被放大的地震波场有关。对局部场地和天然地震频率效应的综合分析发展了一种技术，H / V频谱比经验方法，被应用于评估分析天然地震对局部环境的危害程度。该技术的实质是测定地下物体的谐振频率。所谓谐振也称共振，即当物体在某一特定频率激励条件下，其响应的振幅被放大。当特定的频率振动作用于地质体，会使地质体发生共振，造成该频率的地震波振幅明显加大（图2）。

图2 地震波典型共振图

长期以来，人们对上述现象已经有了很多认识但没有形成勘探理论体系，其主要原因首先是因为该技术需要从大量微弱的信号数据中挑捡出合适的波场，对数据处理的要求较高；其次自然界信号复杂，地质上有用的信号基本都是来源于地下的弱信号，需要应用长期观测和分析才能获得。因此，这些困难影响了方法技术的发展。2016年，英国地质调查局开发了一种无源微地震技术并应用于碳酸盐岩溶发育和岩相变化地区。实验证实，第四系与基岩分界、石灰岩与白云岩的分界面和裂隙发育带等信息成像清晰。

谐振是如何进行油气勘探的呢？自然界存在大量的非人为的振动场，如潮汐波动、地震活动，现代交通引起的地表振动，以及城市中人文活动引起的振动等，此类振动统称为被动源振动。为勘探目的主动进行的振动，如落重、爆炸激发、电激发以及击打等振动统称为主动源振动。统计表明，这些振动引发的振动能量多数以面波的形式，少量以体波的形式存在于地球表面。如果学者们将地球近地表层圈结构假设为板状体，这些游离于板状体下方的振动波向地面的传输应该满足波动方程。地球物理学家以此求解，可根据这样的数据解释成果判断地下地层结构、断裂以及地质目标异常体的分布（火成岩、岩丘等）。