正演模拟技术课件

物探新方法技术（地震勘探）物探新方法技术（地震勘探）第七讲：地震波场正演模拟技术第七讲：地震波场正演模拟技术 物探新方法技术（地震勘探）1物探新方法技术（地震勘探）物探新方法技术（地震勘探）第七讲：地震波场正演模拟技术第七讲：地震波场正演模拟技术 一、基本概念一、基本概念 二、地震地质模型建立方法二、地震地质模型建立方法三、渐近射线追踪方法三、渐近射线追踪方法四、有限差分法正演模拟四、有限差分法正演模拟五、有限元正演模拟方法五、有限元正演模拟方法六、物理模拟技术六、物理模拟技术物探新方法技术（地震勘探）一、基本概念 2【思考题】【思考题】（1 1）正演模拟、计算模拟和物理模拟的概念。正演模拟、计算模拟和物理模拟的概念。（2 2）计算模拟与物理模拟的优缺点。计算模拟与物理模拟的优缺点。（3 3）何为古皮特模型？何为古皮特模型？(4 (4）射线追踪的步骤？射线追踪的步骤？(5)(5)何为两点射线追踪、初值问题的求解？何为两点射线追踪、初值问题的求解？(6)(6)物理模拟的两个相似性准则。物理模拟的两个相似性准则。【思考题】3一、基本概念一、基本概念 正正演演模模拟拟：指指用用物物理理模模型型和和数数学学模模型型代代替替地地下下真真实实介介质质，用用物物理理实实验验和和数数学学计计算算模模拟拟地地震震记记录录的的形形成成过过程程，以以得得到到理理论论地地震震记记录录的的各各种种方方法、技术。法、技术。在在地地震震勘勘探探中中,正正演演模模拟拟占占据据着着重重要要的的地地位位。它它不不仅仅对对于于地地震震勘勘探探基基础础理理论论的的研研究究具具有有十十分分重重要要的的意意义义，而而且且在在生生产产实实际际中中也也起起着着越越来来越越重重要要的的作作用用。例例如如，前前述述的的某某些些补补偿偿处处理理需需要要用用到到正正演演模模拟拟，人人机机联联作作解解释释中中很很重重要要的的一一部部分也是正演模拟。分也是正演模拟。一、基本概念 正演模拟：指用物理模型和数学模型代替地下真实介4 它有下列几个方面的用途：它有下列几个方面的用途：1 1野野外外采采集集方方面面：提提供供野野外外地地震震勘勘探野外数据采集的观测系统设计的参数探野外数据采集的观测系统设计的参数 2 2处处理理方方面面：为为地地震震资资料料处处理理确确定定合适的处理参数；合适的处理参数；它有下列几个方面的用途：5 3 3解释方面：解释方面：帮助地震资料的解释，判断地震剖面上的帮助地震资料的解释，判断地震剖面上的波的类型；波的类型；验证地震资料的构造及岩性解释的正确验证地震资料的构造及岩性解释的正确性，尤其验证构造高点的位置是否正确；性，尤其验证构造高点的位置是否正确；为地震资料反演构造提供理论走时；为地震资料反演构造提供理论走时；为地震资料岩性解释提供合成记录为地震资料岩性解释提供合成记录。3解释方面：6 正演模拟种类：正演模拟种类：物理模拟和计算模拟物理模拟和计算模拟 物物理理模模拟拟：是是用用一一些些已已知知参参数数的的介介质质做做成成一一定定几几何何形形态态的的模模型型来来模模拟拟地地下下地地质质结结构构采采用用超超声声波波模模拟拟地地震震波波,专专用用换换能能器器模模拟拟震震源源和和检检波波器器,将将野野外外地地震震勘勘探探过过程程在在实实验验室室内内重重现现,得得到到理理论论地地震震记记录录的的方方法法技技术术。具具有有与与实实际际情情况况更更为为接接近的优点。近的优点。计算模拟：计算模拟：是用计算计实现的正演模拟。它是用计算计实现的正演模拟。它包括一维和二、三维模拟。具有效率高，计算、包括一维和二、三维模拟。具有效率高，计算、修改参数方较方便修改参数方较方便,使用更为广泛。使用更为广泛。正演模拟技术课件7系统功能简介系统功能简介 二、地质模型的人机交互构制 渐近线法正演模拟 有限元法正演模8 1.一维和二维地震褶积记录一维和二维地震褶积记录（1）对对声声波波时时差差及及密密度度测测井井资资料料进进行合成一维地震记录行合成一维地震记录（2）模模拟拟给给定定的的二二维维地地质质模模型型的的地地震震褶褶积积记记录录如如楔楔状状模模型型、砂砂泥泥互互层层的的韵律层模型的褶积记录。韵律层模型的褶积记录。模块功能简介模块功能简介 1.一维和二维地震褶积记录（1）对声波时差及密度测井资料9射线法正演模拟模块特点射线法正演模拟模块特点 模模块块(1)(4)适适用用于于含含断断层层、岩岩性性尖尖灭灭的的复复杂杂介介质质模模型型，能能模模拟拟断断点点、岩岩性性尖尖灭灭点点上上绕绕射射波波；模模块块(1)(3)能能模模拟拟一一次次波波和和多多次次波波的的波波场场，模模块块(4)能能分分别别模模拟拟介介质质中中的的纵纵波波、转转换换横横波波、纯纯横横波波一一次次波波的的波波场场；接接收收的的记记录录分分量量有有水水平平和和垂垂直直分分量量；能能模模拟拟地地震震波波的的运运动动学学（某某个个界界面面上上的的某某类类波波的的旅旅行行时时间间）和和地地震震波波的的动动力力学学（考考虑虑波波前前扩扩散散、介介质质吸吸收收、透透射射损损失失及及界界面面曲曲率率的的影影响响）；能能计计算算整整个个模模型型的的波波场场，也也可可只只计计算算指指定定的的任任意意层层的的任任意意种种类类的的波波场场两两分分量量记录。记录。模块功能简介模块功能简介射线法正演模拟模块特点 模块(1)(4)适用于含断层、岩性113.声波方程有限元法正演模拟模块声波方程有限元法正演模拟模块 模拟共炮点记录（模拟共炮点记录（CSP）模块）模块 模拟自激自收记录（模拟自激自收记录（CDP）模块）模块 模拟垂直地震剖面（模拟垂直地震剖面（VSP）模块）模块（零偏、有偏多种观测方式）（零偏、有偏多种观测方式）模块功能简介模块功能简介3.声波方程有限元法正演模拟模块 模拟共炮点记录（CSP）模124.弹性波方程有限元法正演模块弹性波方程有限元法正演模块 模拟共炮点记录（模拟共炮点记录（CSP）模块）模块 模拟自激自收记录（模拟自激自收记录（CDP）模块）模块 模拟垂直地震剖面（模拟垂直地震剖面（VSP）模块）模块（零偏、有偏多种观测方式）（零偏、有偏多种观测方式）模块功能简介模块功能简介4.弹性波方程有限元法正演模块 模拟共炮点记录（CSP）模块13有限元法正演模拟模块特点有限元法正演模拟模块特点 模模块块能能适适用用于于含含断断层层、岩岩性性尖尖灭灭的的复复杂杂介介质质模模型型；能能模模拟拟介介质质中中所所有有波波的的波波场场（面面波波、反反射射波波、直直达达波波、绕绕射射波波）；接接收收记记录录的的分分量有位移及位移速度的水平和垂直分量。量有位移及位移速度的水平和垂直分量。模块功能简介模块功能简介有限元法正演模拟模块特点 模块能适用于含断层、岩性尖灭的复杂14 三、三、模型构制原理及算法模型构制原理及算法 模型构制是将地质模型简化为地震地模型构制是将地质模型简化为地震地质模型的过程，简化的方式必须考虑前述质模型的过程，简化的方式必须考虑前述正演公式的适应条件，同时也要尽量使模正演公式的适应条件，同时也要尽量使模型参数数量最少。地质模型可以分解成三型参数数量最少。地质模型可以分解成三部分组成：部分组成：(1)速度均匀的区域；速度均匀的区域；(2)弯曲或弯曲或不连续界面，它是两个不同速度变化区域不连续界面，它是两个不同速度变化区域的分界面；的分界面；(3)不连续点不连续点(断点和岩性尖灭点断点和岩性尖灭点)组成的绕射点。组成的绕射点。三、模型构制原理及算法 15地震地质模型示意图地震地质模型示意图 模型构制模型构制地震地质模型示意图 模型构制163.1 界面描述及参数给定界面描述及参数给定 界面由一系列界面上的离散点坐标组成，界面由一系列界面上的离散点坐标组成，离散点之间的深度由三次样条函数插值求离散点之间的深度由三次样条函数插值求得，故模型的输入参数包括界面的离散点得，故模型的输入参数包括界面的离散点坐标，该界面两侧的纵波速度值，而对应坐标，该界面两侧的纵波速度值，而对应的横波速度值及密度值可由人工给定，也的横波速度值及密度值可由人工给定，也可由经验公式换算。可由经验公式换算。模型构制模型构制3.1 界面描述及参数给定 模型构制17 模型处理是对模型构制得到的模型处理是对模型构制得到的一系列线段组成的地质分界线赋予一系列线段组成的地质分界线赋予层位地质属性。即将线段定义为分层位地质属性。即将线段定义为分界面（层位及断层面），给定分界界面（层位及断层面），给定分界面两侧的弹性参数，按一定原则对面两侧的弹性参数，按一定原则对层位进行自动排序。层位进行自动排序。模型处理模型处理 模型处理是对模型构制得到的一系列线段组成的地质分18层位自动编号及排序层位自动编号及排序 应遵循下列主要原则：应遵循下列主要原则：（1 1）编号从左至右，再从上至下；编号从左至右，再从上至下；（2 2）编编号号在在前前的的某某一一层层位位的的两两个个端端点点纵纵坐坐标标其其中中之之一一要要小小于于该该编编号号后后的的所所有层位的纵坐标。有层位的纵坐标。(3)(3)水平位置不同但深度相近的层位，水平位置不同但深度相近的层位，交平缓的层位编号在前。交平缓的层位编号在前。模型处理模型处理层位自动编号及排序模型处理19四、一维计算模拟（褶积模型）四、一维计算模拟（褶积模型）1一维计算模拟的基本假设一维计算模拟的基本假设 一维模拟包括如下基本假设一维模拟包括如下基本假设 (通常称之为古皮特模型通常称之为古皮特模型)：(1)(1)地地层层横横向向均均匀匀，纵纵向向由由一一系系列列不不同同弹弹性性性性质质的平行薄层所组成。的平行薄层所组成。(2)(2)薄薄层层假假设设为为等等时时厚厚，每每层层时时间间厚厚度度均均为为半半个个(采样间隔采样间隔)。(3)(3)地震波为平面波法线入射地震波为平面波法线入射 (4)(4)每每一一界界面面的的反反射射子子波波形形状状都都相相同同，仅仅振振幅幅和和符号依据各界面反射系数而变。符号依据各界面反射系数而变。(5)(5)忽略透射影响和多次反射。忽略透射影响和多次反射。四、一维计算模拟（褶积模型）一维模拟包括如下基本假设202 2一维计算模拟的基本公式一维计算模拟的基本公式 在在上上述述假假设设条条件件下下，反反射射地地震震记记录录x(t)x(t)可可以以看看作作是是地地震震子子波波b(t)b(t)与与反反射射函函数数R(t)(R(t)(离离散散时时为为反射系数序列反射系数序列)的褶积。即的褶积。即 此此即即一一维维计计算算模模拟拟的的基基本本公公式式。若若已已知知b(t)b(t)和和R(t)R(t)，按按上上式式可可计计算算出出理理论论地地震震记记录录，称称之之为为合合成成地地震震记记录录。因因此此一一维维模模拟拟又又称称为为合成地震记录的制作。它用于记录标定。合成地震记录的制作。它用于记录标定。2一维计算模拟的基本公式 在上述假设条件下，反射地212 2一维计算模拟的基本公式一维计算模拟的基本公式 在计算机上实现必须以离散形式进行在计算机上实现必须以离散形式进行式中，式中，x xn n=x(n)=x(n)为为x(t)x(t)在在t ttntnnn时刻的样值，其余类推，时刻的样值，其余类推，N N为子波的全为子波的全部采样个数部采样个数 ，Rn=R(n)Rn=R(n)为反射系数序为反射系数序列列 。2一维计算模拟的基本公式 在计算机上实现必须以离散形22声测井合成地震记录声测井合成地震记录 声测井合成地震记录 235.1.2 传输方程的解传输方程的解 零零阶阶近近似似的的振振幅幅系系数数可可以以足足够够好好地地描描述述体波最重要的动力学特征，其表达式为体波最重要的动力学特征，其表达式为 模块功能简模块功能简式式中中，V V对对应应P P波波或或S S波波速速度度，是是介介质质密密度度，J J（00）和和J J（）分分别别为为时时刻刻00及及时时的雅可比值。的雅可比值。射线法模拟原理射线法模拟原理射线法模拟原理射线法模拟原理5.1.2 传输方程的解 零阶近似的振幅系数可以足够好地描24 5.2 渐近射线法地震波场正演计算过程渐近射线法地震波场正演计算过程 二二维维地地震震波波场场正正演演计计算算过过程程主主要要包包括括地地质质模模型型参参数数化化，初初值值问问题题的的求求解解和和两两点点射射线线追追踪踪及及振振幅幅系系数数的的计计算算等等部部分分，其其中中地地质质模模型型参参数数化化由由模模型型构构制制及及模模型型处处理模块来实现。理模块来实现。射线法模拟过程射线法模拟过程射线法模拟过程射线法模拟过程 5.2 渐近射线法地震波场正演计算过程 二维地震波场正演计255.2.1 初值问题的求解初值问题的求解 从从给给定定的的初初始始出出射射点点(炮炮点点)和和初初始始出出射射方方向向(出出射射角角)出出发发的的射射线线按按指指定定射射线线码码穿穿过过地地质质界界面，最终在地面出射面，最终在地面出射.即即在在参参数数连连续续变变化化的的一一层层内内部部，按按已已知知的的初初值值条条件件，计计算算该该层层内内的的射射线线的的路路径径、方方向向；在在参参数数不不连连续续的的界界面面上上，利利用用斯斯奈奈尔尔定定律律，建建立立新新的的初初值值条条件件；根根据据新新的的初初值值条条件件，再再计计算算下下一一层层内内的的射射线线的的路路径径；这这样样一一层层一一层层地地追追踪踪，直直至至射射线线按按指指定定的的射射线线码码指指示示的的经经历历过过程程最最后后与地面相交，完成一条试射射线的追踪。与地面相交，完成一条试射射线的追踪。射线法模拟过程射线法模拟过程射线法模拟过程射线法模拟过程5.2.1 初值问题的求解 从给定的初始出射点(炮点)和265.2.2两点射线追踪两点射线追踪 两两点点射射线线追追踪踪就就是是在在已已知知震震源源位位置置和和接接收收点点位位置置情情形形下下，确确定定由由震震源源发发出出的的波波经经过过地地质质模模型型，到到达达接接收收点点处处的的射射线线路路径径，也也即即确确定定震源处射线开始出射的角度。震源处射线开始出射的角度。射线法模拟过程射线法模拟过程射线法模拟过程射线法模拟过程5.2.2两点射线追踪 两点射线追踪就是在已知震源位置和接收27实现步骤实现步骤 1)1)依依据据模模型型复复杂杂程程度度及及震震源源和和检检波波点点的的位位置置，给给定定入入射射角角可可能能的的最最小小和和最最大大范范围围，在在震震源源处处以以最最小小角角度度开开始始以以相相同同角角度度增增量量为为步步长长，计计算算出出所所有有的的可可能能角角度度为为初初始始出出射射角角的的射射线线在地面出射点的坐标。在地面出射点的坐标。射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤实现步骤 1)依据模型复杂程度及震源和检波点的位置，给定入28实现步骤实现步骤 2)2)确确定定接接收收点点落落在在哪哪个个相相邻邻出出射射点点之之间间，由由该该相相邻邻点点的的射射线线的的初初始始出出射射角角内内插插计计算算到到达达接收点的射线的初始入射角，如图所示接收点的射线的初始入射角，如图所示:射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤实现步骤 2)确定接收点落在哪个相邻出射点之间，由该相邻点29实现步骤实现步骤 若若某某一一接接收收点点Xr落落在在Xi和和Xi+1之之间间，则则内内插插公公式式可可表示为表示为:射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤实现步骤 若某一接收点Xr落在Xi和Xi+1之间，则内插公式30实现步骤实现步骤 3)3)确确定定在在震震源源处处以以newnew为为初初始始入入射射角角入入射射时时射射线线出出射射地地表表的的位位置置，设设该该位位置置为为x xr r(1)(1),若若x xr r(1)(1)-x-xr r(为为射射线线出出射射点点与与接接收收点点间间的的允允许许误误差差范范围围)，则则认认为为射射线线到到达达接接收收点点，否否则则 在在 式式(4.12)(4.12)中中，以以 x xr r(1)(1)取取 代代 x xi i或或 x xi+1i+1,以以newnew取取代代ii或或i+1i+1，以以i+1-newi+1-new取取代代，重重新新计计算算新新的的试试验验初初始始入入射射角角，直直至至射线到达接收点为止。射线到达接收点为止。射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤实现步骤 3)确定在震源处以new为初始入射角入射时射线出315.2.6 正演模拟计算步骤正演模拟计算步骤 （1 1）输输入入界界面面离离散散样样点点，地地层层速速度度或或从从人人机交互模型构制产生的文件中读入机交互模型构制产生的文件中读入;（2 2）根根据据给给定定的的观观测测系系统统确确定定炮炮点点与与接接收收点的位置；点的位置；（3 3）给定入射波及要产生的波的类型；）给定入射波及要产生的波的类型；（4 4）解解初初值值问问题题，确确定定在在震震源源处处以以一一系系列列初始出射角出射的射线与地面的交点；初始出射角出射的射线与地面的交点；射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤5.2.6 正演模拟计算步骤（1）输入界面离散样点，地层速32计算步骤计算步骤(续续)（5 5）解解两两点点问问题题，确确定定从从震震源源发发出出的的波波到到达各接收点的射线路径及走时；达各接收点的射线路径及走时；（6 6）计计算算射射线线振振幅幅，并并将将同同一一接接收收点点所所有有到达的波按走时先后构成一时间振幅序列；到达的波按走时先后构成一时间振幅序列；（7 7）形形成成地地震震记记录录，即即将将震震源源子子波波与与振振幅幅时间序列相褶积得到每一道的地震记录；时间序列相褶积得到每一道的地震记录；(8)(8)不不同同地地面面位位置置处处的的地地震震记记录录按按道道号号顺顺序排列起来，就是所要制作的合成地震记录。序排列起来，就是所要制作的合成地震记录。射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤射线法模拟步骤计算步骤(续)射线法模拟步骤335.3 5.3 射线法模拟示意图射线法模拟示意图 一次反射波共炮点记录 最大炮间距对应的各界面上的一次反射波射线路径图 按指定的多次反射波射线码传播的多次反射波共炮点记录 最大炮间距对应的各界面上的多次反射波射线路径图 5.3 射线法模拟示意图 一次反射波共炮点记录 最大炮间距对34射线法模拟程序可靠性验证射线法模拟程序可靠性验证 一次及多次反射波共炮点记录 某一共中心点道集内各界面上的一次反射波射线路径图 某一共中心点处的一次反射波共中心点道集记录 射线法模拟程序可靠性验证 一次及多次反射波共炮点记录 某一共35射线法模拟射线法模拟CSP记录记录 右端放炮 中间放炮 左边放炮 射线法模拟CSP记录 右端放炮 中间放炮 左边放炮 36射线法模拟射线法模拟CSP记录记录(特殊波特殊波)绕射波 多次波 射线法模拟CSP记录(特殊波)绕射波 多次波 37射线法模拟射线法模拟CDP记录记录 射线法模拟CDP记录 38射线法模拟射线法模拟CMP记录记录 射线法模拟CMP记录 39射线法模拟射线法模拟CMP记录记录 射线法模拟CMP记录 40射线法模拟射线法模拟VSP记录记录 左边放炮 射线法模拟VSP记录 左边放炮 41射线法模拟射线法模拟VSP记录记录 一次反射横波 射线法模拟VSP记录 一次反射横波 42七、七、物理模拟物理模拟 物理模拟，是用一些已知参数的介质做成一物理模拟，是用一些已知参数的介质做成一定几何形态的模型来模拟地下地质结构采用定几何形态的模型来模拟地下地质结构采用超声波模拟地震波超声波模拟地震波,专用换能器模拟震源和检专用换能器模拟震源和检波器波器,将野外地震勘探过程在实验室内重现将野外地震勘探过程在实验室内重现,得到理论地震记录的方法技术。得到理论地震记录的方法技术。七、物理模拟 物理模拟，是用一些已知参数的介质做成一定几何43七、七、物理模拟物理模拟 物理模拟与计算模拟的优缺点：物理模拟与计算模拟的优缺点：计计算算模模拟拟：它它的的效效率率高高，计计算算、修修改改参参数数较较方方便便,使使用用更更为为广广泛泛。但但任任何何一一种种计计算算模模拟拟方方法法都都要要作作一一定定的的数数学学抽抽象象，故故其其结结果果理理论论记记录录总总是是与与实实际际记记录录有有较较大大差差异异，不不能能完完全全包包括括实实际际记记录过程中所出现的所有现象。录过程中所出现的所有现象。物理模拟：物理模拟：它没引入任何数学抽象，只是将大它没引入任何数学抽象，只是将大范围的实验范围的实验(野外工作野外工作)在小范围中重现，故结在小范围中重现，故结果更接近实际，更为可靠，更有可比性。但，果更接近实际，更为可靠，更有可比性。但，它的缺点是不灵活，改变参数困难，模型的制它的缺点是不灵活，改变参数困难，模型的制作不容易等。作不容易等。七、物理模拟 物理模拟与计算模拟的优缺点：44七、七、物理模拟物理模拟 为为了了使使物物理理模模拟拟观观测测到到的的波波场场特特征征与与野野外外观观测测到到的的波波场场特特征征一一致致，物物理理模模型型必必须须在在几几何何关关系系上上，运运动动学学上上和和动动力力学学上上与与被被模模拟拟的的系系统统相相似似。后后二二者者又又称称为为物物理理关关系系。因因此此，物物理理模模拟拟的的关关键是二个相似法准则键是二个相似法准则:1 1几何相似性几何相似性 2 2物理相似性物理相似性七、物理模拟 为了使物理模拟观测到的波场特征与野外观测到的45七、七、物理模拟物理模拟 1 1几何相似性几何相似性 几何相似性要求模型的角度等于系统的角度，几何相似性要求模型的角度等于系统的角度，且对应的长度要成比例关系。若长度比为且对应的长度要成比例关系。若长度比为d,d,则则面积的比要与面积的比要与d d2 2成比例，体积比要与成比例，体积比要与d d3 3成比例。成比例。关键是长度比关键是长度比d d，一般用波长对它进行度量。因，一般用波长对它进行度量。因为超声波的波长要比地震波的波长小许多为超声波的波长要比地震波的波长小许多,故有故有可能将实际地下地质结构缩小到实验室中。长可能将实际地下地质结构缩小到实验室中。长度比要求度比要求 七、物理模拟 1几何相似性 46七、七、物理模拟物理模拟 例如，某工区野外记录上某一界面地震反射例如，某工区野外记录上某一界面地震反射波频率约为波频率约为25Hz25Hz，平均速度以，平均速度以3000m/s3000m/s计计 算，算，则地震波波长约为则地震波波长约为120m120m。室内超声波频率约。室内超声波频率约为为100KHz100KHz，模型材料速度为，模型材料速度为1200m/s1200m/s，故，故 超超声波波长约为声波波长约为1.2cm1.2cm。相似比达。相似比达104104数量级，数量级，即可用即可用10cm10cm大小的模型表示地下大小的模型表示地下1km1km大小的大小的 介质。当然，不同地层的相似比可能不同，介质。当然，不同地层的相似比可能不同，应分别计算。应分别计算。七、物理模拟 例如，某工区野外记录上某一界面地震反射波频率472 2物理相似性物理相似性 物物理理相相似似性性要要求求模模型型材材料料与与地地层层介介质质的的物物性性参参数数具具有有相相似似性性,以以便便获获得得与与野野外外记记录录相相似似的运动学特征和动力学特征。的运动学特征和动力学特征。地震勘探中最主要的物性参数是速度和密度，地震勘探中最主要的物性参数是速度和密度，只需要求各层之间的速度比和密度比相似即只需要求各层之间的速度比和密度比相似即可。即可。即 2物理相似性48根据野外工作实际情况，按相似性原则选择根据野外工作实际情况，按相似性原则选择模型材料制作出模型之后，就可以进行物理模型材料制作出模型之后，就可以进行物理模拟实验。利用专门的发射接收机、换能器模拟实验。利用专门的发射接收机、换能器(探头探头)、波形记录器等装置发射超声波，将、波形记录器等装置发射超声波，将经过模型作用后的各种波形接收下来并进行经过模型作用后的各种波形接收下来并进行数字采样，输入到计算机中以便作各种处理，数字采样，输入到计算机中以便作各种处理，得到需要的理论地震记录。得到需要的理论地震记录。根据野外工作实际情况，按相似性原则选择模型材料制作出模型之后49【思考题参考答案】【思考题参考答案】1 1、正演模拟、计算模拟和物理模拟的概念、正演模拟、计算模拟和物理模拟的概念 正正演演模模拟拟：指指用用物物理理模模型型和和数数学学模模型型代代替替地地下下真真实实介介质质，用用物物理理实实验验和和数数学学计计算算模模拟拟地地震震记记录录的的形形成成过过程程，以以得到理论地震记录的各种方法、技术。得到理论地震记录的各种方法、技术。物物理理模模拟拟：是是用用一一些些已已知知参参数数的的介介质质做做成成一一定定几几何何形形态态的的模模型型来来模模拟拟地地下下地地质质结结构构采采用用超超声声波波模模拟拟地地震震波波,专专用用换换能能器器模模拟拟震震源源和和检检波波器器,将将野野外外地地震震勘勘探探过过程程在在实验室内重现实验室内重现,得到理论地震记录的方法技术。得到理论地震记录的方法技术。计计算算模模拟拟：是是用用计计算算计计实实现现的的正正演演模模拟拟，它它包包括括一一维和二、三维模拟。维和二、三维模拟。【思考题参考答案】正演模拟：指用物理模型和数学模型50【思考题参考答案】【思考题参考答案】2 2、计算模拟与物理模拟的优缺点？、计算模拟与物理模拟的优缺点？物理模拟：物理模拟：具有与实际情况更为接近的优点。具有与实际情况更为接近的优点。模型设计较困难，模型参数修改不方便。模型设计较困难，模型参数修改不方便。计算模拟：计算模拟：具有效率高，计算、修改参数方具有效率高，计算、修改参数方较方便较方便,使用更为广泛；但模型较难接近实际。使用更为广泛；但模型较难接近实际。【思考题参考答案】51【思考题参考答案】【思考题参考答案】3 3、何为古皮特模型？何为古皮特模型？包括如下基本假设的一维模拟称为古皮特模型，即包括如下基本假设的一维模拟称为古皮特模型，即 (1)(1)地地层层横横向向均均匀匀，纵纵向向由由一一系系列列不不同同弹弹性性性性质质的平行薄层所组成。的平行薄层所组成。(2)(2)薄薄层层假假设设为为等等时时厚厚，每每层层时时间间厚厚度度均均为为半半个个(采样间隔采样间隔)。(3)(3)地震波为平面波法线入射地震波为平面波法线入射 (4)(4)每每一一界界面面的的反反射射子子波波形形状状都都相相同同，仅仅振振幅幅和和符号依据各界面反射系数而变。符号依据各界面反射系数而变。(5)(5)忽略透射影响和多次反射。忽略透射影响和多次反射。【思考题参考答案】包括如下基本假设的一维模拟称为古皮特模型，52【思考题参考答案】【思考题参考答案】4 4、射线追踪的步骤？、射线追踪的步骤？（1 1）输输入入界界面面离离散散样样点点，地地层层速速度度或或从从人人机交互模型构制产生的文件中读入机交互模型构制产生的文件中读入;（2 2）根根据据给给定定的的观观测测系系统统确确定定炮炮点点与与接接收收点的位置；点的位置；（3 3）给定入射波及要产生的波的类型；）给定入射波及要产生的波的类型；（4 4）解解初初值值问问题题，确确定定在在震震源源处处以以一一系系列列初始出射角出射的射线与地面的交点；初始出射角出射的射线与地面的交点；【思考题参考答案】（1）输入界面离散样点，地层速度或从人机53计算步骤计算步骤(续续)（5 5）解解两两点点问问题题，确确定定从从震震源源发发出出的的波波到到达达各接收点的射线路径及走时；各接收点的射线路径及走时；（6 6）计计算算射射线线振振幅幅，并并将将同同一一接接收收点点所所有有到到达的波按走时先后构成一时间振幅序列；达的波按走时先后构成一时间振幅序列；（7 7）形形成成地地震震记记录录，即即将将震震源源子子波波与与振振幅幅时时间序列相褶积得到每一道的地震记录；间序列相褶积得到每一道的地震记录；(8)(8)不不同同地地面面位位置置处处的的地地震震记记录录按按道道号号顺顺序序排列起来，就是所要制作的合成地震记录。排列起来，就是所要制作的合成地震记录。计算步骤(续)（5）解两点问题，确定从震源发出的波到达各接收54【思考题参考答案】【思考题参考答案】5 5、何何为为两两点点射射线线追追踪踪、初初值值问问题题的的求求解解？两两点点射射线线追追踪踪就就是是在在已已知知震震源源位位置置和和接接收收点点位位置置情情形形下下，确确定定由由震震源源发发出出的的波波经经过过地地质质模模型型，到到达达接接收收点点处处的的射射线线路路径径，也也即即确确定震源处射线开始出射的角度。定震源处射线开始出射的角度。初初值值问问题题的的求求解解：从从给给定定的的初初始始出出射射点点(炮炮点点)和和初初始始出出射射方方向向(出出射射角角)出出发发的的射射线线按按指指定定射射线线码码穿过地质界面，最终在地面出射穿过地质界面，最终在地面出射 。【思考题参考答案】两点射线追踪就是在已知震源位置和接收55【思考题】【思考题】6 6、物理模拟的两个相似性准则。、物理模拟的两个相似性准则。（1 1）几何相似性几何相似性：要求模型的角度等要求模型的角度等于系统的角度，且对应的长度要成比于系统的角度，且对应的长度要成比例关系。例关系。（2 2）物物理理相相似似性性：要要求求模模型型材材料料与与地地层层介介质质的的物物性性参参数数具具有有相相似似性性,以以便便获获得得与与野野外外记记录录相相似似的的运运动动学学特特征征和和动动力学特征。力学特征。【思考题】（1）几何相似性：要求模型的角度等于系统的角度，且56