专利名称：单通道地震反射轮廓数据在定量确定海床和分层底基的沉积物物理性质中的应用的制作方法
技术领域：
本发明的目的是获得单通道地震反射轮廓数据，该数据可用于定量确定海床和分层底基的沉积物的物理性质。
背景技术：
使用正入射单通道声学系统的地震反射轮廓方法广泛使用在海洋勘测中，用以提供海底以下～50-80米内的大尺度地质特征的定性概览。本案中地震数据的典型表现是地震部包括大量相邻的地震轨迹，也就是，在时间序列中，相对于双向走时绘制有振幅曲线。除了这种近乎唯一的应用外，地震轮廓还具有用来描述海底沉积物和分层底基结构的潜质。然而，将走时转化成深度进而层厚需要沉积物的声学性质——声速和衰减——的知识。虽然衰减可以根据地震脉冲和反射的走时和频率量来确定，但是声速却不能在没有进一步的知识的情况下根据单通道地震图来确定。该进一步的知识可以通过物理声音模型概念提供，该物理声音模型概念以数学方式描述了声学性质和海床沉积物的材料性质之间的定量关系。
1.2 现有理论和以前的方法 当前应用最广泛的用来从其组成要素和结构构架的几何和弹性性质的角度计算多孔介质的声学性质的的数学/物理模型是由Biot(1956a，b)描述的。该理论允许通过一套沉积物的物理参数来计算充液多孔固体中压缩波和剪切波的速度和衰减率 固体相体积密度ρr， 固体相体积模量Kr， 孔隙流体密度ρf， 孔隙流体体积模量Kf， 孔隙流体粘度η， 结构体积模量Kb， 结构剪切模量Gb， 孔隙率φ， 渗透率κ， 孔隙尺寸d， 弯曲度a。
在频域中，压缩波的速度Vp和衰减率Qp-1通过如下公式得到
其中，ω是角频率，R(k)和
是复波数k的实部和虚部，该复波数可由下面的特征方程求得 其中，m＝aρf/φ，ρ是饱和的多孔介质的密度，F是在高频状态下流动修正因子，i是虚部单位，并且 该模型在其最初的公式中只适合于固体多孔介质，但是通过引进非弹性结构概念以替换固体弹性结构后已经适用于疏松的海洋沉积物(Stoll，1974)。这种非弹性结构假定考虑到这样的事实，即在这样的松散材料中的固态相发生在松散堆积的颗粒集合体中，这种状态(1)表现出与固态材料的结构相比大大减小的刚度，(2)吸收经过的声波中的能量。在这个被称为Biot-Stoll模型的模型中，该非弹性沉积物构架分别由定常复数体积模量和剪切结构模量Kb和Gb说明，这两个模量假定用来描述在声波通过沉积物时假设的发生在颗粒接触处的颗粒和颗粒之间的摩擦。由Biot-Stoll模型引进的这两个相应的附加的输入参数是结构体积模量和剪切模量的虚部。这些都是根据经验参数假定的(比如Hamilton，1972)。
这种非弹性沉积物构架的概念在物理上是有问题的，因为在颗粒与颗粒之间摩擦的假定下，一种非线性成分被加到了原本为线性的Biot理论中。这导致对波衰减的颗粒位移的振幅的依赖(Winkler等，1978)，这在Biot-Stoll模型中是不考虑的。而且，Biot-Stoll模型不允许通过材料性质来计算这些变体积结构模量和剪切结构模量，而是通过调整这些模量来使其符合声音衰减的文献数据，该声音衰减发生在粗糙颗粒的松散的海洋沉积物中，例如沙中。另外，Biot-Stoll模型依赖声音衰减的经验值，从而在预定任意单独的海洋沉积物的声学性质时缺少数学的严格。对那些由细粒组成的松散海洋沉积物，比如粘土，进一步修正的Stoll模型(1989)为常复数结构模量引入了粘弹性成分以使其符合数据。尽管有其部分的经验性和启发性，该Biot-Stoll模型在松散海洋沉积物的建模中被广泛使用(比如Turgut和Yamamoto，1988；Holland和Brunson，1988；Turgut，2000)。美国专利5815465号公开了一种通过声学测量来确定沉积物参数的方法，其中使用了Biot方程来连接沉积物构架的常复数弹性模量。这表明那里事实上使用了Biot-Stoll模型，因为在原始的Biot理论中弹性模量是实参数。
发明目的 本发明的目的是为了能够估计底基沉积物构架的层厚以及估计声速、密度、孔隙率、渗透性，以及通过走时、衰减和由单通道地震轮廓数据确定的反射率来确定海洋松散沉积物的组成。
发明内容
相应地，本发明提供了通过至少一个正入射单通道反射声学振幅时间序列地震图来定量描述海床沉积物组成和海床分层底基结构的方法，产生合成地震图的方法，描述了海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系的前向模型，以及这样的数学模型在反演方案中的应用，正如在后面的权利要求中所展示的。
根据本发明的第一方面，本发明提供了通过至少一个正入射单通道反射声学振幅时间序列地震图来定量描述海床沉积物组成和海床分层底基结构的方法，该方法包括以下步骤 在所述地震图中，从底基界面检测多个反射； 确定每个检测到的反射的走时、极性以及反射率； 确定沉积物层在相邻反射对之间的固有衰减； 确定海床分层底基结构的声学性质、层厚和材料性质，用于作为所述检测到的反射的走时、极性和反射率以及所述沉积物层在相邻反射对之间的固有衰减的函数。
优选地，确定走时的步骤包括在对各自的地震图进行相关联处理时采用对根据预定衰减值集进行变形的震源子波的估计。
优选地，确定固有衰减的步骤包括在对各自的地震图进行相关联处理时采用对根据预定衰减值集进行变形的震源子波的估计。
优选地，确定每个检测到的反射的反射率的步骤包括确定每个反射的相应包络线的最大值，尽管可以理解，也可以使用可选的已知方法。
优选地，确定海床分层底基结构的声学性质、层厚和材料性质，用于作为所述检测到的反射的走时、极性和反射率以及所述沉积物层在相邻反射对之间的固有衰减的函数的步骤包括，前向模型的开发，该模型描述所述海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系。
所述前向模型最好包括 关于所述沉积物中的粘土部分的精细结构和由所述精细结构的规格导致的机械响应的定量模型，和 关于所述沉积物构架总体结构和由所述总体结构的规格导致的机械响应的定量模型。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种通过松散沉积物的预定分层结构生成合成地震图的方法，这种沉积物的材料性质通过一套参数来描述。该方法包括以下步骤 建立用来描述所述海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系的前向模型，该前向模型包括 所述沉积物中的粘土部分的精细结构和由所述精细结构的规格导致的机械响应的定量模型，和 所述沉积物构架的总体结构和由所述总体结构的规格导致的机械响应的定量模型；和 将所述材料性质参数集输入到所述前向模型中，从而得到合成的地震图。
优选地，该前向模型将所述沉积物的每个颗粒看作球形。优选地，该前向模型用两个颗粒尺寸来代替所述沉积物实际的颗粒尺寸分布。优选地，所述两个颗粒尺寸的尺寸比的数量级约为100。优选地，该前向模型单独地考虑了这两个颗粒尺寸的填充。
优选地，该前向模型将较小的颗粒部分的材料看做是滞弹性的两相系统，该两相系统包括散布有充液低展弦比的椭圆内含物的弹性基体，所述内含物代表在可膨胀的粘土矿物中的层间水，所述内含物沿着整个外周与总体结构的孔隙空间相连。
优选地，该前向模型将较大颗粒的剪切模量视为弹性的，并且较小颗粒的剪切模量是复数的和频率相关的。
优选地，该前向模型将所述较小颗粒的复数的和频率相关的剪切模量视为应力诱导喷射流从较小颗粒部分中的低展弦比内含物进入沉积物构架的总体结构的孔隙空间的结果。
优选地，在沉积物构架的总体结构，该前向模型在沉积物构架的总体结构中沉积物颗粒之间直接接触的区域中，将应力诱导的径向喷射流过程定量地描述为有效压力的函数(该压力不同于侧限压力和孔隙压力)。
优选地，该沉积物构架总体结构的体积模量和剪切模量是复数的和频率相关的。
优选地，该沉积物构架总体结构的复数的和频率相关的体积模量和剪切模量视为所述来自较小颗粒部分的低展弦比内含物的喷射流和在与颗粒接触的紧邻区域中的所述径向喷射流过程的结果。
优选地，该前向模型将所有压力相关的参数看成与海底下面的深度相关。
优选地，该前向模型提供了海底下面所有深度范围内孔隙率和有效压力之间的定量关系。
优选地，该前向模型提供了孔隙率和组成之间的定量关系。
优选地，该材料性质参数集只包括 a.海水密度， b.海水体积模量， c.海水粘度， d.海底沉积层厚和每层厚度， e.碳酸盐体积含量， f.小颗粒材料体积含量，和 g.可膨胀的粘土矿物体积含量。
根据本发明的另一方面，本发明以反演方案的方式提供了采用上述方法产生的数学模型的使用，其输入参数是所述走时、极性和检测到的反射的反射率以及沉积物层在相邻反射对之间的所述固有衰减，用于确定海床分层底基结构的声学性质、层厚和材料性质。
本发明进一步提供了用来描述海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系的前向模型，包括 所述沉积物中的粘土部分的精细结构和由所述精细结构的规格导致的机械响应的定量模型，和 所述沉积物构架中的总体结构和由所述总体结构的规格导致的机械响应的定量模型。
优选地，将所述沉积物的每个颗粒看作球形。优选地，由两个颗粒尺寸来代替每个沉积物实际的颗粒尺寸分布。
优选地，所述两个颗粒尺寸的尺寸比的数量级约为100。优选地，这两个颗粒尺寸的填充被单独考虑。
优选地，将较小颗粒部分的材料看做是滞弹性的两相系统，该两相系统包括散布有充液低展弦比的椭圆内含物的弹性基体，所述内含物代表在可膨胀的粘土矿物中的层间水，所述内含物沿着整个外周与总体结构的孔隙空间相连。
优选地，将较大颗粒的剪切模量视为弹性的，并且较小颗粒的剪切模量是复数的和频率相关的。
优选地，将所述较小颗粒的复数的和频率相关的剪切模量视为应力诱导喷射流从较小颗粒部分中的低展弦比内含物进入沉积物构架的总体结构的孔隙空间的结果。
优选地，将应力诱导的径向喷射流过程在沉积物构架的总体结构中沉积物颗粒之间直接接触的区域被定量地描述为有效压力的函数(该压力不同于侧限压力和孔隙压力)。
优选地，该沉积物构架总体结构的体积模量和剪切模量是复数的和频率相关的。
优选地，该沉积物构架总体结构的所述复数的和频率相关的体积模量和剪切模量视为所述来自较小颗粒部分的低展弦比内含物的所述喷射流和在与颗粒接触的紧邻区域中的所述径向喷射流过程的结果。
优选地，该前向模型将所有压力相关的参数看成与海底下面的深度相关。
优选地，该前向模型提供了海底下面所有深度范围内孔隙率和有效压力之间的定量关系。
优选地，该前向模型提供了孔隙率和组成之间的定量关系。
在本发明的一个实施方案中，一系列的地震图被用来定量描述海床沉积物的组成和跨越海床区域的海床分层底基结构。
本发明进一步提供了一种电脑可读介质，该介质具有指令，当所述指令由处理器执行时，引起处理器执行上述任意方法。
可以理解，本发明提供了关于沉积物声学的改进模型。美国专利6061300号使用了一个由Dvorkin和Nur(1993)提出的模型，该模型用于阐述固体砂岩。本发明的关键的特征是对原始Biot理论进行改进从而使其适应松散的海洋沉积物。该阐述的特点是，与原先使用的Biot-Stoll模型相比，对松散海洋沉积物的声学性质作出了更高精度的数学严格的预测。这是通过带两个组分的几何模型和机械模型实现的，它清楚的描述了由声波在柔软的沉积物中的传播引起并影响该传播的主导的物理过程。这些是通常所知的局部流体流(“喷射流”)。松散沉积物的这类处理事件早先由Stoll(1985)提出假设，但是他没有在几何模型的基础上采用数学描述。
本发明的改进的沉积物模型的三个组分是 a)海洋松散沉积物的标准模型——该模型将给定沉积物的实际颗粒尺寸分布由两个颗粒尺寸替代，一个代表沙子和粗糙泥沙，另一个代表粘土和精细泥沙，并且把颗粒看成是球形的。这种方法允许根据小颗粒和大颗粒体积部分和引用的材料性质对沉积物组分的许多输入参数进行计算，比如孔隙率(见2.2)、颗粒密度(见2.3)、渗透率、孔隙大小和弯曲度。因此，它允许减少输入参数集。
b)有效颗粒模型——该模型(Leurer，1997)考虑到了沉积物颗粒特殊种类的事实，也就是被称为高岭石的可膨胀粘土矿物，其以可变数量存在于海洋沉积物的粘土部分中，事实上包括矿物相和在交互层中的吸附水。该矿物种类的两相本质使得其对机械变形的抵抗的减弱，这又强烈地影响到通过的声波的传播。该原始模型产生了颗粒体积模量(见2.4)，尽管下面给出的扩展的公式也能产生颗粒剪切模量。
c)粘弹性接触模型——与原来的模型相比最重要的改进是粘弹性公式，该公式定量地描述了在颗粒之间紧接区域的喷射流过程。它们是被在沉积物中传播的声波所激发的，反过来，它们又影响波的传播行为。这个模型产生了结构体积模量和剪切模量(见2.5)。
模型成分b)和c)都是由物理合理假设的线性模型，所以可以包含在原先的Biot理论中而不需要更多的数学发展(Biot，1962)。另外，在新的公式中包含了和所有压力有关的参数与海底下面的深度之间的依存关系。这已经不是原始的Biot理论或者Biot-Stoll模型的部分。除了密度的引用值和固体组分的弹性模量外，减少的输入参数集包括 海水密度ρf， 海水体积模量κf， 海水粘度η， 沉积物层厚度e，(可选地有效压力) 碳酸盐的体积含量Ccarb， 小颗粒材料的体积含量，Cclay， 可膨胀粘土矿物的体积含量，Cmont。
这三个组分已经允许构造一个新的前向模型，该模型(1)允许通过沉积物的预定分层结构生成合成地震图，该沉积物的材料性质通过减少的参数集描述；(2)能够用在反演过程中，用于通过正入射单通道地震图来确定沉积物的声学参数、层厚和材料性质。
图1是双峰颗粒尺寸球包的模型概念的示意图。颗粒的半径差两个数量级的幅度。
图2表示来自我们的二元颗粒尺寸模型的有效孔隙率与从盒芯中测量得到的孔隙率值的比较。
图3表示来自标准沉积物模型的有效孔隙率与对自然的海洋沉积物样品压紧实验以作为有效压力的函数的测量得到的空隙率的比较。
图4是两个相同的半径为R的弹性球与接触水结合的示意图，该接触水分布在外径b和外厚度d的摆动环上，绕着半径为a的球到球接触的方向。
图5是压缩速度、吸收系数和衰减的比较。
图6表示合成地震图的例子。
图7表示计算在一半空间上有预定物理性质的沉积物层的合成地震图。
图8表示Galway Bay的Aran群岛附近的地震部分。
附图具体说明 1、标准沉积物模型 本发明采用了海洋沉积物的标准特性的概念。该标准被认为包括对声波通过海洋沉积物的传播具有十分显著的影响的物理特性，而其他特性被认为对声波的传播是可以忽略的。该模型的几何规格大大地减少了输入参数。由Marion等(1992)和Dvorkin和Gutierrez(2001)提出的相似方法缺少明确的微粒公式，也就是颗粒接触机制和它们对声波传播的结果的数学公式；而且，前面的作者完全没有提供孔隙率和限定压力之间的定量关系，后者提出了启发性的一点，其可以被认为仅仅在已经高度紧凑的含有粘土的沙岩和沙子中有效，而不覆盖海底下面所有深度的范围。
2.1 标准化 该标准化包括将任意实际的沉积物通常连续颗粒尺寸的分布替换为双峰颗粒尺寸分布，其中该沉积物颗粒被认为是球形颗粒。较小的颗粒代表粘土部分和泥沙部分的精细部，而较大颗粒代表给定沉积物的沙子部分和泥沙部分的粗糙部。较大沉积物颗粒对较小沉积物颗粒的尺寸比是100(图6)。这个条件保证了压紧过程中单个大的和小的球形部分不会显著地影响互相的填充和重新布置。(颗粒形状的这种简化类似于通过相等的球形颗粒的直径表示颗粒尺寸的通常的惯例，该球形颗粒具有相同的设定速度，如同实际上十分均匀的盘形的颗粒。) 图6是双峰颗粒尺寸球形包的模型概念的示意图。颗粒的半径相差两个数量级的幅度(灰色区域大颗粒部分；黑色小颗粒)。
用于本发明的标准沉积物模型中的最重要的沉积物物理参数是孔隙率、颗粒密度和饱和密度、颗粒材料的体积和剪切模量，以及沉积物的构架体积和剪切模量。这些参数描述在下面的部分中。
2.2 孔隙率 孔隙率限制 在实际的未压紧的海洋粘土中，最大的孔隙率可以假设为φ≈0.9(例如，Buckingham，1997)，φ＝0.93的值由McLeroy和DeLoach(1968)提出。粘土的该最大孔隙率被认为是这里提出的几何模型中的小球形包的上孔隙率极限。从而，在双峰混合物中的该最高可能有效孔隙率在大球体积含量为零时达到。
海底的双峰颗粒混合物的孔隙率(z＝0) 通过增加混合物中大球形材料的数量，非压紧海底沉积物朝向较低孔隙率的整个范围在这个模型中是可见的。这个逐渐减小的有效孔隙率，仅仅因为沉积物中相应的体积部分逐渐由固体占据，而较大球体之间的小颗粒集合体的孔隙率保持恒定。这个过程可以持续进行，直到达到海床沉积物的非压制低孔隙率极限，这在本模型中通过大球体最松散的可能填充而决定，所述大球体的孔隙充满最高孔隙率的小颗粒填充。没有考虑小颗粒尽量低地聚合以形成悬浮。
双峰颗粒混合物在压紧下的孔隙率(z>0) 机械压制与沉积物颗粒的重新布置相关，导致逐渐紧密的填充。在本模型中，在每个单独球形包中认定的最高压制的状态由相同球体聚合的可能最密填充决定，其中孔隙率假定为大约φ＝0.35。结果，在双峰颗粒混合物中的最低可能孔隙率对应所有单个部分的最高压紧状态，即，在最密大球体填充的间隙由最密小球体填充占据。该临界状态非常重要，因为它区分了两个不同的区域，当组分改变时，其中孔隙率的值向着相同球体的随机密度包中的值增加。在比这个临界状态更朝向小球体更高聚合的区域，该最高的压制以精细颗粒材料的最密填充为特征。然而，该更大球体的填充逐渐变得不太密集，从而先前由固体大球体占据的体积部分逐渐被多孔的精细颗粒材料替代，直到达到纯密集的小球体包。比该临界状态更靠近精细颗粒材料的较低聚合，最高压紧以粗糙颗粒材料的最密填充为特征，它们的间隙逐渐充满更小密集填充的精细颗粒材料。在该区域，占主要部分的大球体的填料防止了小球体的完全压紧。下面，这些区域分别被称为沙域和粘土域。
在我们的模型中采用这些假设和关于孔隙率极限的考虑，非压制双颗粒尺寸混合物的有效孔隙率，表示为总的固体部分中的小球体部分体积含量cs的函数，可以写为 for cs≥1-φmax，(4) 其中，φmax是小球体包的上孔隙率极限。在最大压制的深度，上述最小可能的有效孔隙率给出为 其中φRD为相同球体的随机密集包的孔隙率，所述相同球体在大和小球体包中具有相同的值。该最小孔隙率在固体相内的小球体体积含量cs假设为临界值 时达到。
在沙域中，也即对于比cs，crit更低的小球体含量，该上压制有效孔隙率极限给出为 1-φmax≤cs<cs，crit，(7) 而在粘土域中，该孔隙率极限给出为 cs>cs，crit. (8) 基于盒芯(boxcore)数据(Holler和Kassens，1989)和来自压制实验的数据(Leurer，2004)的比较，假定了深度的对数孔隙率变量。然后，任何给定的双混合物的最终有效孔隙率可以描述为精细颗粒含量和深度的函数 其中z是深度，Z0和Z1是对应于有效孔隙率极限的深度值，并且其中，用于沙域或粘土域的合适的孔隙率极限φ1(cs)(各自为等式(7)和(8))已经被替换。在小球体包中，孔隙率φs随着深度的改变可以通过 1-φmax<cs<cs，crit，(10) 和 cs≥cs，crit. (11) 计算，等式(10)表示，在沙域，小球形组分的填料从而其孔隙率依赖于固体相内的小球体的体积含量cs。这个行为的理由是，在该范围中，大球体的机械重新布置从不如此显著地允许在其间隙中形成尽可能密集的小球体包。从而该实际的小球体包孔隙率与cs成反比。
当达到临界体积含量cs，crit时，这种情形改变。在该状态和在cs的值在粘土域(等式(11))上升时，小球体包的压制不受到较大球体填料的限制，并展现孔隙率变量从z0处的最大的小球体孔隙率φmax到z1处随机密集包的孔隙率值φRD的整个范围。在该域中，是大球体具有朝向更高小球体聚合的逐渐变小的紧邻接触。该大球体包的单独孔隙率φl——在体积含量cs和深度z的整个范围内——给出为 其中在沙域，等式(10)，或者粘土域，等式(11)中，φs合适的表达必须分别替换。
模型孔隙率与测量孔隙率的比较 为检查双峰标准沉积物模型的有效性，由模型得到的孔隙率与海洋软沉积物的数据集的比较表示在本部分中。此外，数据用作校对模型的方式，该模型将测量到的连续颗粒尺寸分布分成大的和小的颗粒组分。在该计算中，在纯的小球体包中的最大孔隙率假设为在深度z0＝0.1m处为0.92，根据等式(4)，在cs＝0.08处得到最小有效孔隙率φ0＝0.49。这里认为，在单独的大和小球体密集填料中，在最大深度z1＝2000m处的最小孔隙率都假设为0.35。根据等式(5)，这导致φ＝0.1225的最小有效孔隙率，根据等式(6)，在cs＝0.26的精细颗粒体积部分。
样品材料最初来自从挪威海提取的两个盒芯，并被具体描述(Holler和Kassens，1989；Leurer，2004)。第一个样品是完整的近表面沉积物圆柱，8.72m长，提取自74059.7’N和13058.2’E，从1768m水深处，而第二个样品是来自芯的单一沉积物样品，该芯来自73003.8’N和09043.4’E，从2227m水深处。为将不同沉积物材料的连续颗粒尺寸分布转换为各自的二元分布，我们在测量得到的和计算得到的孔隙率值之间进行了最小二乘拟合。当小颗粒组分被限定为包含84％的粘土和泥沙部分，而该部分剩下的16％加上沙部分被限定为大颗粒组分时，观测到最佳拟合。
对于近表面沉积物芯，作为深度的函数的来自双峰颗粒尺寸模型的最终孔隙率值与新鲜芯处测量的孔隙率值一起表示在图7中。该双峰方法反应了在近表面区域孔隙率随着深度减小的一般趋势。注意的是，每个模型孔隙率值通过应用等式(9)得到，其中各个沉积物材料的各个值φ0和φ1来自芯分析数据。偏差的原因可能包括建立在低渗透性沉积物中的不规则孔压、粗糙颗粒的互锁、差的分选，也就是那些不能预期但是不会导致模型预期和数据之间无法忍受的差值的过程。
图7表示我们的二元颗粒尺寸模型(开符号)的有效孔隙率与从盒芯测量得到的孔隙率值(实线符号)之间的比较。
该单一沉积物样品已被用于脉冲传送实验中(Leurer，2004)，其中的有效压力达到20MPa，对应于约2km的深度，从而适于在大规模的压制中测试该双峰颗粒尺寸模型。对于该沉积物样品，除了颗粒尺寸分布之外，还对粘土部分的组分进行了分析。计算得到的和从压制实验中测量得到的孔隙率值之间的比较结果是以如图4所示的非常好的拟合为特征的。
图8表示来自标准沉积物模型的有效孔隙率(实线)与来自对天然海洋沉积物样品进行压制实验而测量得到的孔隙率值(符号)之间的比较，该测量得到的孔隙率值是有效压力的函数。
2.3 颗粒密度和湿体积密度 (石英)沙和粘土(在海洋沉积物中，主要是伊利石、绿泥石、高岭石、蒙脱石)通常不同的密度各自归属为双峰标准沉积物的大和小颗粒部分。碳酸盐颗粒在海洋沉积物中已知地具有全部的颗粒尺寸分布；相应地，它们均匀地分布在这里给出的模型中。大和小颗粒部分各自的颗粒密度给出为 ρl＝ccarbρcarb+cquartzρquartz， 其中，c为所指的体积部分，而ρ分别表示碳酸盐、石英、粘土、蒙脱石和在蒙脱石中吸收的层间水的密度。该组合颗粒材料的总密度表示为 ρg＝csρs+clρl (14) 通过孔隙率和颗粒密度，该沉积物的湿体积密度或饱和密度计算为 ρ＝φρf+(1-φ)ρg. (15) 对松散的海洋沉积物的压制受控于孔隙率的减小，这又由作用于沉积物的固体构架上的有效压力，过载压力和空隙压力之间的差随着海底以下的深度而增加引起的。沉积物层在深度n处的平均有效压力pe可以根据 pe|n＝g(ρ-ρf)z+pe|n-1，(16) 递归地计算。其中，g是重力加速度，pe|n-1是作用在所述层上面的层填料上的有效压力。有效压力的知识在计算粘弹性接触模型中(见2.5节)的沉积物颗粒之间的接触硬度时是必要的。
2.4 复频率相关的颗粒模量——有效颗粒模型 有效颗粒模型的公式(Leurer，1997)基于这样的假设，即如果沉积物具有显著的粘土部分和如果存在可膨胀粘土矿物(主要表现为蒙脱石)，对颗粒材料由定常实数体积模量表示是不充分的，该可膨胀粘土矿物实质上指的是所有含有粘土的海洋沉积物的情形。作为可膨胀粘土矿物膨胀，也就是片状蒙脱石微晶的矿物层之间的水层的吸收的结果，整个粘土部分可以认为是两相系统。
在该有效颗粒模型中，该膨胀的蒙脱石的水间层被认为是均匀地并各向同性地分布在小颗粒部分的整个弹性矿物相中的平椭圆体的内含物。小颗粒部分的该颗粒材料通过对应力波的滞弹性反应被处理为有效的介质。相关的松弛机构包括层间水进入空隙空间的应力诱导运动和延迟重新进入微晶的层间空间，所以能够被认为是“喷射流”过程(Mavko和Nur，1975)。该过程分别由复频率相关的体积和剪切模量，Kg和Gg描述，对于小颗粒部分的颗粒材料，给出为 对于体积模量，其中，Kr和Gr是矿物体积和剪切模量，C是纵横比率分布中的第m纵横比率αm的体积聚合，从而 其中，θ是纵横比率的2n离散阶再分的连续分布。该分布以这种方式选择，用于反应蒙脱石的颗粒尺寸分布。如果蒙脱石的实际颗粒尺寸不能获得，取自Vogt和
(1978)的几个蒙脱石样品的平均颗粒尺寸分布产生θ(αm)≈0.45+0.046·ln(αm)。参数Tiijj是Wu的张量公式(1966)的标量元素，其于两相介质中的压缩负载相关，并且 Kads(ω)＝Kads+iωg 和 (20) 对于剪切模量，其中Tiijj是用于切向负载的相应的张量元素(Wu，1966)，并且 Gads＝iωη，(21) 其中，η是层间水的粘度。
2.5 复频率相关的结构模量——黏弹性接触模型 先前的接触模型概念(Leurer和Dvorkin，2000；2006)假设颗粒材料由相同的弹性球体组成，并认为没有压力上的依赖。这里的模型是先前方法的变形，以适合上面提出的二元结构，并包括有效颗粒模型。通常的假设是，形成各自尺寸类的颗粒材料的成分的材料性质可以根据在它们的类内的那些成分的体积部分而称量。在相同的方法中，整个双峰球体包的有效性质将根据小和大球体的体积部分而称量。另外一个显著的假设是，颗粒接触的紧邻区域内的空隙水部分可以认作固体结构的一部分，根据Stoll(1985)，从而变成为两相系统。该二元结构假设为宏观均匀和各向同性的。
干球体包的结构模量 传统的用于获得球体包的体积和剪切模量的Hertz-Mindlin方法包括各自找到单个两相组合的法向和切向接触硬度Sn和St，其中硬度定义为施加的法向或切向力相对于接触平面对于球体中心的各自的最终位移的比率。两相组合的这些法向和切向硬度可以用于计算孔隙率φ的相同弹性球体的随机包的结构体积和剪切模量，(Walton，1987) 其中，N是每个球体具有的与其最邻近的接触的数目(配位数)，而R是球体的半径。对于干球体包的情形，这些模量可以被看作是结构模量。根据Mindlin(1949)，所述硬度是 其中，G和v分别是球体材料的剪切模量和泊松比，而a是形成在压缩球体之间的圆形接触平面的半径。该接触半径给出为(Hertz，1882) 其中，FH是两个颗粒之间的Hertzian法向接触力，其可以从作用于相同球体的随机包上的有效压力pe计算得到 湿球体包的复结构模量 Leurer和Dvorkin(2000)已经表明，在颗粒接触处的粘性流体的少量，也即少许百分比的空隙空间(图4)能够显著地改变非压制两球体组合的法向接触硬度。
对于在和谐的应力场中的压制球体来说，在围绕直接的球体-球体接触的摆动环中分布的流体被迫进行摆动的径向流动，以恢复压力平衡。这个过程导致频率相关的复法向接触硬度，而对切向硬度仅仅具有较小的影响并可以忽略不计。Leurer和Dvorkin(2006)求解了支配的积分-微分方程，并找到了Cole-Cole形式(Cole和Cole，1941)非常精确的现象上的近似，用于为复法向接触硬度找到它们严格数字解，其实部和虚部可以写为
其中，Kω为流体的体积模量。弛豫时间τ、分布参数β为 β＝0.12·ln(sc)+0.92，(27) 其中pe和p0分别是有效压力和大气压力，η是接触水的粘度，而α是由接触水占据的空间的外厚度d与外半径b的比率(图9)。对于a为干的直接球体-球体半径，各个松弛和非松弛的法向硬度S0和S∞表示为 和Sn来自等式(23)，且 (29) 图9是两个半径为R的相同的弹性球体组合的示意图(接触几何图形被大大放大)，其中接触水分布在围绕半径为a的直接的球体-球体接触的、外半径为b和外厚度为d的摆动环中。
采用来自等式(26)的复法向接触硬度
并保留来自等式(23)的定常和实切向接触硬度St，我们得到此后的相同球体的随机包的两相轮廓结构的复体积和剪切模量(比较等式(22))， 由于颗粒尺寸部分都采用它们各自独立的接触硬度、配位数和部分孔隙率，以这种方式分别确定了结构体积和剪切模量，二元球体包的复有效结构体积和剪切模量计算为各自模量的同张力(Voigt)和同应力(Reuss)平均值的算术平均，根据(Mavko等，1998) 其中，体积和剪切模量的Voigt平均值为 而各自的Reuss平均值为 其中 (34) 其中下标s和l表示用于小的和大的球体包各自的数量。
为表明这里提出的新沉积物模型对原先的Biot理论的松散海洋沉积物的改进的适应性，图10表示了作为频率函数的理论上的响应(例子淤泥)。来自Wood和Weston(1964)的数据的比较表明了与标准沉积物模型的良好拟合，而Biot-Stoll模型和原先的Biot理论不能解释这些数据。
图10是计算自这里给出的模型(红色)、原先的Biot理论(黑色)和Biot-Stoll模型(蓝色)关于Wood和Weston(1964)的海洋淤泥数据(黑圆环)的压缩速度(顶部)、吸收系数(中部)和衰减(底部)的比较。
3 合成地震波 这里提供的标准沉积物模型可以用于前向模型，以根据预定的底基分层沉积物构架生成合成地震图，其中的材料性质 海水密度ρf， 海水体积模量Kf， 海水粘度η， 沉积物层厚度e，(可选地有效压力) 碳酸盐的体积含量Ccarb， 小颗粒材料的体积含量，Cclay， 可膨胀粘土矿物的体积含量，Cmont。
用作输入参数。已知沉积物层的厚度和各自的饱和密度(等式(15))，并采用等式(1)、(2)和(3)计算压缩速度和衰减，合成的地震图可以通过已知的源子波与一系列的峰值的卷积积分计算得到，所述峰值的幅度对应于沉积物层的反射率。合成地震图的一个例子表示在图11中。图11表示从预定的沉积物构架到合成地震波。
3 具有人工神经网络的地震反射数据的反演 前向模型是从测量到的地震反射轮廓数据来预测沉积物物理参数的基本要求。这里提供的该模型成功地应用于神经网络(NN)方案的初步测试，该方案用于对Galway湾的地震反射数据进行反演。
用NN对地震反射轮廓数据的反演要求从测量得到的地震图中确定几个关键参数。它们是来自层边界的反射的走时、衰减和反射率。在与各自的地震图的相关过程中(源子波建模)，走时和衰减通过采用对源子波的估计而同时被确定(基于海床反射)，根据预定的衰减值集变形。反射率，即几何扩展校正的反射系数，取决于反射各自包络线的最大值(它们的Hilbert变形的绝对值)。
NN反演要求训练过程。前向模型用于通过使用在各自可能的变化范围内随机挑选的沉积物参数产生多个(约2000)合成地震图。该NN能够在一组输入参数和期望的输出参数之间发现定量关系，在本例中为沉积物性质。如果它能够为不属于训练组的任意合成地震图预测输出参数的话，该NN可以认为是充分训练过的。良好训练的NN为三层示例，即水柱、第一沉积物层和下层的半空间预测沉积物参数的能力的例子，如图12所示。
图12表示在半空间之上(顶部)的预定物理性质下，计算从沉积物层的合成地震图(振幅为时间(msec)的函数)。预定性质的值和那些从地震图预知的值各自表示在第二和第三列中。预知的值典型地在理论值的约1％内，除了蒙脱石(约10％)。
在预先测试非过程地震波(图13)中，该NN在测量来自Galway湾的地震反射轮廓数据中的应用获得了对于第一沉积物层的下面的参数(表1)。该参数集的值强烈地指示为沙子，与抓取样品的颗粒尺寸分析相符，该样品已经确定为区域中的精细沙子(O’Connor，1991)。
图13表示Galway湾的Aran群岛附近的地震部分。采用初步的神经网络反演方案，从地震图获得了对第一沉积物层的厚度和物理性质的成功估计(除了散数字2、6、12、15-17)。地震数据在13m海水中采用3.5kHz的剖面仪收集。
参考本发明，“包括/包含”和“具有/包括”在这里使用时，用作明确说明存在的状态特征、整数、步骤或组分，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、组分或组在其中的存在或附加。
可以理解的是，为了清楚表示，本发明描述在各个实施例的上下文中的一些特征，可能在单个实施例中提供有结合。相反地，为了简短，本发明描述在单一实施例上下文中的不同特征，也可能分别地或以任何合适的子结合的形式提供。
参考文献 美国专利5815465号，1998年9月29日，海洋沉积物分类方法和装置(Altan Turgut) 美国专利6061300号，2000年5月9日，沉积物中渗透性和流体含量结构的成像方法(Tokuo Yamamoto) Biot，M.A.，1956a，关于弹性波在流体饱和多孔固体中传播的理论，I，低频范围，J.Acoust.Soc.Am.，28，168-178。
Biot，M.A.，1956b，关于弹性波在流体饱和多孔固体中传播的理论，II，高频范围，J.Acoust.Soc.Am.，28，179-191。
Biot，M.A.，1962，在多孔介质中的变形和声学传播机制J.Appl.Physics，33，1482-1498。
Buckingham，M.J.，1997，在包括海洋沉积物在内的松散颗粒材料中声学衰减、散布和脉冲传播的理论，J.Acoust.Soc.Am.，102，2579-2596。
Cole，K.S.，和Cole，R.H.，1941，电介质中的散布与吸收，J.Chem.Phys.，9，341-351。
Dvorkin，J.和M.A.Gutierrez，2001，弹性速度上的组织分类效果，第II部分双峰颗粒混合物的弹性，第71SEG年度会议，San Antonio，扩展的摘要，1764-1767。
Dvorkin，J.，和Nur，A.，1993，动态空隙弹性喷射和Biot机构的统一模型，地球物理学，58，524-533。
Hamilton，E.L.，1972，海洋沉积物中的压缩波衰减，地球物理学，37，620-646。
Hertz，H.R.，1882，
die Berührung fester elastischer
Z.Reine Angew.Math.，92，156-171。
Holland，C.W.，和Brunson，B.A.，1988，Biot-Stoll模型及实验评估，J.Acoust.Soc.Am.，84，1437-1443。
Holler，P.，和Kassens，H.，1989，SedimentphysikalischeEigenschaften aus dem
Nordmeer(DatenreportF.S.Meteor，Reise 7).Ber.Sonderforschungsbereich 313，University ofKiel，15，1-61。
Leurer，K.C.，1997，在精细颗粒海洋沉积物中的衰减通过“有效颗粒模型”(EGM)对Biot-Stoll模型的延伸，地理物理学，62，1465-1479。
Leurer，K.C.，2004，在实验压制过程中深海沉积物的压缩和剪切波速度和衰减，J.Acoust，Soc.Am.，116，2023-2030。
Leurer，K.C.和J.Dvorkin，2000，沙子中的内颗粒喷射流带粘性粘合剂的颗粒，International Journal of Solids andStructures，37，1133-1144。
Leurer，K.C.和J.Dvorkin，2006，带粘性粘合剂的松散沙子的粘弹性，地理物理学，71，出版中。
Marion，D.，Nur，A.，Yin，H.，和Han，D.，1992，沙-粘土混合物中的压缩速度和孔隙率，地理物理学，57，554-563。
Mavko，G.，和Nur，A.，1975，Melt squirt in the asthenophere，J.Geophy.Res.，80，1444-1448。
Mavko，G.，Mukerji，T.和Dvorkin，J.，1998，岩石物理手册，剑桥大学出版社。
McLeroy，E.C.，和DeLoach，A.，1968，从15到1500kHz，在天然海底沉积物中测得的声速和衰减，J.Acoust.Soc.Am.，44，1148-1150。
Mindlin，R.D.，1949，弹性体接触中的柔量，J.AppliedMech.，16，259-268。
O’Connor，B.，1991，The use of hydrodynamic mathematicalmodels in predicting types of subtidal macro-faunal communities，在Modelling the benthos，ReportCOST 647“沿海深海底生态学“，Yerseke，荷兰，125-136。
Stoll，R.D.，1974，饱和沉积物中的声波，在海洋沉积物中的声音物理学，L.Hampton(ed.)，纽约Plenum出版社。
Stoll，R.D.，1985，海洋沉积物声学，J.Acoust.Soc.Am.，77，1789-1799。
Stoll，R.D.，1989，沉积物声学，在Bhattacharji.S.Friedman，G.M.，Neugebauer，H.J.，和Seilacher，A.(Eds.)Lecture Notes in Earth Sciences，第26卷，纽约Springer。
Turgut.A.，和Yamamoto，T.，1988，用于海洋沉积物的合成地震图及孔隙率和渗透性的确定，地理物理学，53，1056-1067。
Turgut.A.，2000，海洋沉积物中粘性衰减的近似描述关于Biot的“临界”和“峰值”频率，J.Acoust.Soc.Am.，108，513-518。
Walton，K.，1987，球体随机包的有效弹性模量，J.Mech.和Phys.Solids，35，213-216。
Winkler，K.，Nur，A.，和Gladwin，M.，1978，“岩石中的摩擦和地震衰减”，Nature，277，528-531。
Wood，A.B.，和Weston，D.E.，1964，声音在淤泥中的传播，Acustica，14，156-162。
Wu，T.T.，1966，内含物形状对两相材料弹性模量的影响，International Journal of Solids and Structures，2，1-8。
权利要求
1、一种从至少一个正入射单通道反射声学振幅时间序列地震图中定量描述海床沉积物组成和海床分层底基结构的方法，该方法包括以下步骤
在所述地震图中，从底基界面检测多个反射；
确定每个检测到的反射的走时、极性以及反射率；
确定沉积物层在相邻反射对之间的固有衰减；
确定海床分层底基结构的声学性质、层厚和材料性质，所述声学性质、层厚和材料性质作为所述检测到的反射的所述走时、极性和反射率以及所述沉积物层在相邻反射对之间的固有衰减的函数。
2、根据权利要求1所述的方法，其中确定走时的所述步骤包括在对相应的地震图进行互相关联处理时采用对根据预定衰减值集进行变形的震源子波的估计。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其中确定固有衰减的所述步骤包括在对相应的地震图进行互相关联处理时采用对根据预定衰减值集进行变形的震源子波的估计。
4、根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中确定每个检测到的反射的反射率的所述步骤包括确定每个反射的相应包络线的最大值。
5、根据权利要求1所述的方法，其中确定海床分层底基结构的声学性质、层厚和材料性质的所述步骤包括前向模型的开发，所述前向模型描述所述海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系，其中所述声学性质、层厚和材料性质作为所述检测到的反射的所述走时、极性和反射率以及所述沉积物层在相邻反射对之间的所述固有衰减的函数。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述前向模型包括
沉积物中的粘土部分的精细结构和由所述精细结构的规格导致的机械响应的定量模型，和
所述沉积物构架的总体结构和由所述总体结构的规格导致的机械响应的定量模型。
7、一种从松散沉积物的预定分层结构中生成合成地震图的方法，这种沉积物的材料性质通过参数集来描述，所述方法包括以下步骤
建立描述所述海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系的前向模型，所述前向模型包括
所述沉积物中的粘土部分的精细结构和由所述精细结构的规格导致的机械响应的定量模型，和
所述沉积物构架的总体结构和由所述总体结构的规格导致的机械响应的定量模型；和
将所述材料性质参数集输入到所述前向模型中，以便得到合成的地震图。
8、根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其中所述前向模型将所述沉积物的每个颗粒看作球形。
9、根据权利要求5-8中任一项所述的方法，其中所述前向模型由两个颗粒尺寸来代替所述沉积物实际的颗粒尺寸分布。
10、根据权利要求9所述的方法，其中所述两个颗粒尺寸的尺寸比的数量级约为100。
11、根据权利要求9或10所述的方法，其中所述前向模型单独考虑所述两个颗粒尺寸的填充。
12、根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述前向模型将较小的颗粒部分的材料看作是滞弹性的两相系统，所述两相系统由散布有充液低展弦比的椭圆形内含物的弹性基体组成，所述内含物代表在可膨胀的粘土矿物中的层间水，所述内含物沿着整个外周与总体结构的孔隙空间相连。
13、根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中所述前向模型将所述较大颗粒的剪切模量视为弹性的，并且较小颗粒的剪切模量是复数的和频率相关的。
14、根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其中所述前向模型将所述较小颗粒的复数的和频率相关的剪切模量视为应力诱导的喷射流从较小颗粒部分中的低展弦比内含物进入沉积物构架的总体结构的孔隙空间中的结果。
15、根据权利要求4-11中任一项所述的方法，其中所述前向模型在沉积物构架的总体结构内、沉积物颗粒之间直接接触的区域中，将应力诱导的径向喷射流过程定量地描述为有效压力的函数。
16、根据权利要求15所述的方法，其中所述沉积物构架的总体结构的体积模量和剪切模量是复数的和频率相关的。
17、根据权利要求16所述的方法，其中所述沉积物构架的总体结构的所述复数的和频率相关的体积模量和剪切模量视为所述来自较小颗粒部分的低展弦比内含物的所述喷射流和在与颗粒接触的紧邻区域中的所述径向喷射流过程的结果。
18、根据权利要求5-17中任一项所述的方法，其中所述前向模型将所有压力相关的参数看成与海底下面的深度相关。
19、根据权利要求5-18中任一项所述的方法，其中所述前向模型提供海底下面整个深度范围上孔隙率和有效压力之间的定量关系。
20、根据权利要求5-19中任一项所述的方法，其中所述前向模型提供孔隙率和组成之间的定量关系。
21、根据权利要求5-20中任一项所述的方法，其中所述材料性质参数集只包括
h.海水密度，
i.海水体积模量，
j.海水粘度，
k.沉积物层厚和每层厚度，
l.碳酸盐体积含量，
m.小颗粒材料体积含量，和
n.可膨胀的粘土矿物体积含量。
22、一种利用上述权利要求6-20中任一项所述的方法产生的数学模型在反演方案中的使用，用于确定海床分层底基结构的声学性质、层厚和材料性质，所述反演方案的输入参数是所述检测到的反射的所述走时、极性和反射率以及沉积物层在相邻反射对之间的所述固有衰减。
23、一种描述海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系的前向模型，包括
所述沉积物中的粘土部分的精细结构和由所述精细结构的规格导致的机械响应的定量模型，和
所述沉积物构架的总体结构和由所述总体结构的规格导致的机械响应的定量模型。
24、根据权利要求23所述的前向模型，其中将所述沉积物的每个颗粒看作球形。
25、根据权利要求23或24所述的前向模型，其中每个沉积物的实际颗粒尺寸分布由两个颗粒尺寸代替。
26、根据权利要求25所述的前向模型，其中所述两个颗粒尺寸的尺寸比的数量级约为100。
27、根据权利要求25或26所述的前向模型，其中所述两个颗粒尺寸的填充是单独考虑的。
28、根据权利要求25-27中任一项所述的前向模型，其中所述较小颗粒部分的材料看做是滞弹性的两相系统，所述两相系统包括散布有充液低展弦比的椭圆形内含物的弹性基体，所述内含物代表在可膨胀的粘土矿物中的层间水，所述内含物沿着其整个外周与总体结构的孔隙空间相连。
29、根据权利要求25-28中任一项所述的前向模型，其中所述较大颗粒的剪切模量视为弹性的，并且较小颗粒的剪切模量是复数的和频率相关的。
30、根据权利要求25-29中任一项所述的前向模型，其中所述较小颗粒的复数的和频率相关的剪切模量视为应力诱导的喷射流从较小颗粒部分中的低展弦比内含物进入沉积物构架的总体结构的孔隙空间的结果。
31、根据权利要求23-30中任一项所述的前向模型，其中所述应力诱导的径向喷射流过程在沉积物构架的总体结构内、沉积物颗粒之间直接接触的区域中定量地描述为有效压力的函数。
32、根据权利要求23-31中任一项所述的前向模型，其中所述沉积物构架的总体结构的体积模量和剪切模量是复数的和频率相关的。
33、根据权利要求23-32中任一项所述的前向模型，其中所述沉积物构架的总体结构的所述复数的和频率相关的体积模量和剪切模量视为来自所述较小颗粒部分的低展弦比内含物的所述喷射流和在颗粒接触的紧邻区域中的所述径向喷射流过程的结果。
34、根据权利要求23-33中任一项所述的前向模型，其中考虑了所有压力相关的参数对海底下面的深度的依赖。
35、根据权利要求23-34中任一项所述的前向模型，其中提供了海底下面整个深度范围上孔隙率和有效压力之间的定量关系。
36、根据权利要求23-35中任一项所述的前向模型，其中提供了孔隙率和组成之间的定量关系。
37、根据权利要求1所述的方法，其中一系列的地震图被用来定量描述海床沉积物的组成和跨越海床区域的海床分层底基结构。
38、一种电脑可读介质，所述介质具有指令，当所述指令由处理器执行时，引起处理器执行根据权利要求1-22中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明公开了一种从至少一个正入射单通道反射声学振幅时间序列地震图中定量描述海床沉积物组成和海床分层底基结构的方法，该方法在所述地震图中，从底基界面检测多个反射，确定每个检测到的反射的走时、极性以及反射率，确定沉积物层在相邻反射对之间的固有衰减，并确定海床分层底基结构的声学性质、层厚和材料性质，用于作为所述检测到的反射的走时、极性和反射率以及所述沉积物层在相邻反射对之间的固有衰减的函数。本发明还公开了描述海床沉积物的材料性质和声学性质之间的物理关系的前向模型。
文档编号G01V1/30GK101535841SQ200780013646
公开日2009年9月16日 申请日期2007年2月21日 优先权日2006年2月24日
发明者K·C·洛伊雷尔, C·布朗 申请人:高尔韦爱尔兰国立大学