《1 前言》

1 前言

微地震监测技术是地震学研究的前沿技术，随着油田开采科学性的增加，已经成为一个不可或缺的实用监测手段。油田微地震是指-2至-5级地震，震级小、信号弱，震源处地动位移幅度常常在微米量级。在地面能否接收到如此弱的微地震信号成为一个重要的议题。事实上，即使在黄土高原，也接收到了来自千米以下深度的微地震信号，这表明微地震信号必有一个特定的传输机制，可以在几千米外被接收到。

《2 地震信号的衰减机制》

2 地震信号的衰减机制

地震信号在传输过程中衰减，随着传输距离增加，地震信号幅度趋小。衰减有多种原因：散射衰减、辐射面积增加衰减、非弹性衰减；还有很多其他衰减原因，但对于近源深地震而言，上述衰减是信号在传输过程中趋小的主要原因。

《2.1 散射衰减》

2.1 散射衰减

地质界面、颗粒晶面均会形成反射、折射，使本来传向接收点的地震信号传向其他方向，致接收点的地震波能量趋小，减小了信号幅度。

在信号从高速层进入低速层时，反射信号弱，衰减相对较小；反之，衰减大。

界面上入射 P 波和反射、折射 P 波和 Sv 波的能量之间的关系如下[1]

式（3）的第3项是笔者研究关注的，即穿过层面部分的P波能量，图1给出了计算结果，从下向上传输，有90 %以上的P波能量可以穿过层面。

折射 Sv 波也可能对监测结果有影响，式（3）的第 4 项是穿过层面部分的 Sv 波能量，图 3 给出了计算结果，从下向上传输，有不大于30 %的转换Sv 波能量可以穿过层面。

图1和图2的计算结果使用表1的介质参数。

《图1》

图1 P波自下而上传播的透过信号

Fig. 1 P-wave propagation through a bottom-up signal

《图2》

图2 P波自下而上传播转换成S波的透过信号

Fig. 2 Bottom-up P-wave converted into S-wave propagation through the signal

《表1》

表1 图1、图2中各曲线采用的介质参数

Table 1 Medium parameters used by each curve in Fig. 1 and Fig. 2

表 1 给出不同参数反射、折射曲线的图例，表中：ρ1、ρ2，σ1、σ2，α1、α2，β1、β2分别是传播介质密度，泊松比，P波波速，S波波速；下角标1是指上层介质，下角标2是指下层介质。

从图1和图2可以看出，从下向上传输，层面散射的衰减并不大。在沉积地层，结晶颗粒相对较少，晶面散射的作用不是很强烈。

在油田地震监测领域，地震波散射形成的衰减不是信号衰减的主要原因。

《2.2 辐射面积增加衰减》

2.2 辐射面积增加衰减

微地震震源可以看做点源，辐射出的信号随着距离增加，波及面积也增加，单位面积上的辐射能量减小。面积与距离的关系可以写为

照射面积是距离的平方，辐射能量按着距离的平方减小，振幅则随着距离的一次方减小。从物理上考虑，球面波的振幅因子为r -1 是可以理解的，因为当球面波向外传播时，波前面积（球面）随 r -2 增大，因此每单位面积的能流就按r -2 减小。因为能流与振幅的平方成正比，所以球面波的振幅与r -1 成正比。

《2.3 非弹性衰减》

2.3 非弹性衰减

在浅层，地层结构主要是沉积层、土层，这些层的介质存在明显的非弹性。地震波传播过程，在路径上形成不可恢复的变形，形成能量损耗。如土层结构疏松，在很小的位移作用下就会粉末化；在很大地震的地震波作用下，有些砂体也会粉末化；被统称为砂、土液化。更大的地震，其地震波会导致房倒屋塌，形成宏观裂缝。这些均会形成能量损耗。地震波传播过程中的非弹性损耗是地震波衰减的主要原因。

《3 微地震信号的弱衰减传输》

3 微地震信号的弱衰减传输

所有固体介质，均有一定的强度，在弱外力作用下表现出一些弹性。被传递的信号如果很弱，传播介质受到的外力作用始终在弹性范围内，就会表现为低衰减传播。

图3、表2是泥岩的压缩实验，可以看出，在几兆帕压力作用下，应变也表现为线性[2] 。

《图3》

图3 泥岩应力、应变实验

Fig. 3 Mudstone stress and strain experiment

《表2》

表2 土层力学实验结果

Table 2 The results of soil mechanics experiment

黄土实验表明，即使是黄土，低压力下，应力、应变曲线表现为线性，也表现出很弱的弹性[3] 。从表2可见，试验点砂质黄土的水平向变形模量E0H和垂直变形模量E0V，分别为

实验已经证明，弱结构介质的变形模量是压力的函数，随着压力变小而增大。图4是来自珠江三角洲不同工程的土层加压实验结果，可以看到，在很小的压力下，土层仍有较大的变形模量。随着压力升高，模量显著减小。

《图4》

图4 由载荷实验成果所得到的 p-E0 关系

Fig. 4 p-E0 curves gathered by bearing test

软土的非线性特性主要表现为土体的应力-应变关系为非线性函数。图 4 为根据珠江三角洲内 3个典型工程的载荷实验成果，采用公式（7）得到的压力p 与变形模量E0 的关系。

式（7）中：d 为压板直径。

图4表明，由载荷实验确定的变形模量随着压力的增大而呈非线性减小。在很小的作用力作用下，即使土层也表现出足够大的模量，表现出弹性。

微地震信号在发震点位移幅度在毫米量级，在接收点远小于微米量级。在整个传播途径中，扰动强度均会在传播介质的弹性范围内，不会形成永久变形，没有或很少有非弹性衰减，出现微地震信号弱衰减效应。

《4 微地震信号弱衰减实例》

4 微地震信号弱衰减实例

图5是根据圣费尔南多大地震作出的不同距离的加速度反应谱，可以看出，随着距离增加，谱线间的间距变小，衰减趋小。量出1周、0.05周在不同距离的幅度（见表3），作出其随距离的衰减曲线，可以看出，随着距离增加，衰减趋势变小。0.05周已经近于仪器工作频率的下限，可以作为微地震研究、弱信号传播衰减研究的依据[4] 。

《图5》

图5 圣费尔南多地震不同距离处加速度反应谱

Fig. 5 San fernando earthquake acceleration response spectrum at different distances

《表3》

表3 统计出的圣费尔南多地震不同距离处的加速度幅值

Table 3 San Fernando earthquake acceleration amplitude at different distances

图 6 中，蓝色线是 1 周加速度幅值随距离的衰减曲线；粉色线是0.05周加速度幅值随距离的衰减曲线。随着距离增加，曲线变得平缓，衰减趋势急剧变小。对于指定周期的地震信号，传播过程变化的就是信号强度，该图表明，随着地震信号的趋弱，衰减也急剧变小。这使微地震衰减不同于大地震，可以出现弱衰减传播效应。

《图6》

图6 不同距离的幅度衰减图

Fig. 6 Amplitude attenuation figure at different distances

《5 在黄土覆盖区记到微震》

5 在黄土覆盖区记到微震

在镇泾油田进行压裂裂缝监测，该油田位于黄土高原，覆盖厚层黄土，通常地震勘探效果较差，厚黄土层严重影响地震信号质量。在红河371井压裂时，笔者监测到可以分辨的微地震波形。证明了弱信号衰减系数应该远小于大震信号，黄土层也存在弱弹性。极小的微地震信号不能打破脆弱的黄土层结构，微地震信号传播形成的振动限制在土层的弹性范围内，信号很少衰减[5] 。在镇泾油田监测到的微地震波形见图7。

《图7》

图7 在镇泾油田监测到的微地震波形

Fig. 7 Micro-seismic waveform monitored in zhenjing oilfields

研究结果表明，只要传输信号振动幅度足够小，在土层中仍然会在传播介质弹性范围内传输，表现出弱信号低衰减的传输特性。