遼西深反射地震勘探采集試驗

賈海青，姜 弢，徐學純，葛利華，楊志超

1.吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 1300262.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 1300263.吉林大學地球科學學院，長春 130061

遼西深反射地震勘探采集試驗

賈海青1，2，姜 弢1，2，徐學純3，葛利華1，2，楊志超1，2

1.吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130026
2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026
3.吉林大學地球科學學院，長春 130061

深反射地震勘探是目前研究和分析地下深部構造最有效的方法之一。為了查明遼西地區(qū)深部構造信息，在該地區(qū)布設一條16.9km的深反射地震剖面。由于該地區(qū)的地震地質資料有限，為了能夠獲取深部地層的地震反射信號，開展了遼西地區(qū)的深反射地震勘探采集參數(shù)試驗。本次地震采集參數(shù)試驗采用炸藥震源、428XL地震儀和SG-10低頻檢波器，固定采集參數(shù)為：采樣間隔1ms、道間距20m、記錄長度15s。采集參數(shù)試驗主要針對激發(fā)因素（激發(fā)深度、藥量、組合井激發(fā)）和接收因素（組合低頻檢波器）進行了較為全面的試驗工作。依據(jù)采集的地震記錄確定所研究的主要目的層為6.5s反射信號，通過對不同激發(fā)因素和接受因素單炮記錄中目的層信號能量及信噪比的比較，確定適合于該地區(qū)的最佳激發(fā)參數(shù)和接收參數(shù)為：井深15m、藥量12kg；井組合采用單井和三井組合相結合；檢波器組合采用點組合方式。研究結果表明，在遼西地區(qū)，通過增加激發(fā)深度、增加藥量、采用組合井激發(fā)和組合低頻檢波器、延長記錄時間等措施可以獲得地下更深部的反射信息。

深反射；地震勘探；采集試驗；最佳參數(shù)；遼西

0 引言

深地震反射是刻畫地殼上地幔結構最有效的方法之一。為充分認識和了解地球內部的構造，以美國20世紀70年代開始的大陸反射地震探測計劃（COCORP）［1］為標志，各國以地殼和巖石圈結構為目標的探測行動至今已經(jīng)持續(xù)40余年。據(jù)不完全統(tǒng)計資料，截至2010年，全球已完成的深地震反射剖面測量的總長度在105 000km以上，其中，美國在全球總共完成了60 000km，英國完成超過20 000 km，意大利完成了近10 000km，俄羅斯完成了10 000km［2］。

我國最早的深部探測剖面可追溯到曾融生等［3］于20世紀50年代（1958年）實施的柴達木盆地地震剖面。1983年，為了探測揚子地區(qū)儲油構造的深部環(huán)境與儲油前景，地礦部率先在華東下?lián)P子地區(qū)完成了一條長267km的深反射剖面［4］。1985年，國家地震局地球物理研究所用深地震反射方法探測了唐山地震深部構造的復雜和差異性［5］。此后我國許多地球物理工作者陸續(xù)在華北地區(qū)的邢臺震區(qū)、延慶—懷來盆地、東秦嶺及燕山褶皺帶等地開展了深反射探測［6－10］。1990年，地礦部在河南南陽盆地內實施了一條長188km的東秦嶺地區(qū)的深反射剖面，揭示了秦嶺造山帶不同時期不同構造的疊加特征［11］。1992—2006年，由中國和美國等合作共同完成了“青藏高原深部探測”INDEPTH項目，充分研究了喜馬拉雅至青藏高原的深部地質構造，發(fā)現(xiàn)了印度地殼俯沖到亞洲地殼之下的精細結構和高原地殼中廣布的流體，引起舉世矚目［12－14］。2006年，滕吉文［15］對我國東西部和世界其他典型地區(qū)的深反射資料進行了分析和研究，加深了對地球深部精細結構和物理屬性的認識。在東北地區(qū)，大慶油田分別于1992年和1996年在松遼盆地內做了1 300余km的剖面，用于揭示松遼盆地的深部構造背景［16－17］。

2008年，“深部探測技術與實驗研究專項”（SinoProbe）的啟動，標志了我國地球科學的深部探測計劃拉開帷幕［18］。2009年，熊小松等［19］在華北地區(qū)開展了一條550km的深反射剖面，揭示了華北板塊向北俯沖匯聚、地殼伸展、巖漿入侵和逆沖推覆的地殼增生的深部過程。2012年，在深部探測技術與實驗研究項目的資助下，為研究遼西地區(qū)深部地質構造，遼西深反射地震勘探計劃在興城—葫蘆島地區(qū)展開。

由于深反射地震方法價格昂貴，為了獲得能夠用于可靠地震解釋的深反射地震資料，需要進行必要的深反射地震采集參數(shù)試驗，以獲得最佳的采集參數(shù)。1989年，楊寶俊等［20］系統(tǒng)研究和分析了深層地震資料采集中的檢波器組合效應、最大炮檢距和共反射點離散效應等問題。1994年，徐明才等［21］對深反射地震采集參數(shù)進行了討論，提出通過使用震源和檢波器組合能夠有效提高深層反射波的信噪比。2006年，盧占武等［22］對青藏高原羌塘盆地的地震采集參數(shù)進行了研究分析，確定了適合于羌塘盆地的最佳地震采集參數(shù)。遼西興城—葫蘆島地區(qū)主要位于燕山臺褶帶上［23］，由于本區(qū)的地震地質資料有限，為了獲得優(yōu)質的深部地震資料，需要在該區(qū)開展深反射地震采集參數(shù)試驗。

在本文中，筆者首先介紹了在遼西地區(qū)深反射地震勘探的測線位置及工區(qū)情況，然后介紹了采集參數(shù)試驗方案，最后根據(jù)所采集的地震記錄，通過對比分析目的層信號的能量和信噪比，確定適合該地區(qū)的最佳深反射采集參數(shù)。

1 工區(qū)情況及測線位置

興城—葫蘆島地區(qū)位于遼西山地黑山丘陵的東部邊緣。由于該區(qū)受到呂梁運動、薊縣運動、加里東運動以及印支運動的影響，地表沉積層覆蓋薄，斷層褶皺等構造大量發(fā)育。該區(qū)主要為火成巖地區(qū)，由于火成巖地區(qū)地質構造的復雜性，使得該地區(qū)少有系統(tǒng)的地震勘探工作。

針對地下淺層可利用礦產(chǎn)和油氣資源不斷減少的現(xiàn)狀，我國開展了深部探測項目［2］，旨在充分認識我國的深部地質構造，開拓第二找礦空間。為此，筆者在遼西葫蘆島東部地區(qū)布置了一條長16.9km的深反射地震測線D0（圖1）。D0測線南起興城首山附近，北至楊家杖子鎮(zhèn)東部。測線所經(jīng)地區(qū)地貌變化大，自南向北依次為平原、丘陵、山地。海拔高度一般為4～191m，相對高差50～150m，北部局部高程變化大。測線穿過的河流、山溝、懸崖和人文活動密集區(qū)等一列因素給地震勘探工作帶來了一定的難度。

2 采集試驗

本次地震數(shù)據(jù)采集的工區(qū)跨度廣、地貌變化大、地質情況復雜。由圖1中可以看出，本區(qū)大部分地區(qū)都是火成巖直接出露，沉積層位少。由于本區(qū)之前基本沒有做過系統(tǒng)的地震勘探工作，能夠借鑒的地震地質資料有限，難以確定最佳的試驗參數(shù)。因此，根據(jù)本區(qū)的地質條件，針對測線范圍內不同的地形地貌特點，需要開展一系列的地震采集參數(shù)試驗［24］，以獲取適合本區(qū)的地震勘探試驗參數(shù)。

2.1 試驗目的及方案

由于測區(qū)主要為火成巖地區(qū)，沉積層薄，因此，本次采集試驗主要是為了研究本區(qū)深部地質構造，構建本區(qū)深層的地質和地球物理模型。所以，在試驗過程中，始終要以深部反射信息為主要目標，兼顧淺層反射信息。

試驗的主要方案是：首先，通過開展表層結構調查［25］，了解表層結構特征，為激發(fā)參數(shù)設計提供參考資料；然后，開展詳盡的激發(fā)參數(shù)和接收參數(shù)試驗，確定最佳施工參數(shù)；最后，進行大炮試驗，初步了解本區(qū)更深部反射界面的信息。

圖1 測區(qū)地質簡圖及測線位置（據(jù)1∶20萬地質圖簡化① 遼寧省地質局區(qū)域地質測量隊一分隊.錦西幅1∶20萬區(qū)域地質調查報告，1967.② 遼寧省地質局區(qū)域地質測量隊一分隊.興城幅1∶20萬區(qū)域地質調查報告，1967.）Fig.1 Simplified geological map of the field and the location of the seismic line（simplified according to 1∶200 000geological map① 遼寧省地質局區(qū)域地質測量隊一分隊.錦西幅1∶20萬區(qū)域地質調查報告，1967.② 遼寧省地質局區(qū)域地質測量隊一分隊.興城幅1∶20萬區(qū)域地質調查報告，1967.）

在測線上選取了3個試驗點（圖1）：系統(tǒng)試驗點D0XT、考核試驗點D0KH、驗證試驗點D0YZ，依據(jù)前人的經(jīng)驗和其他地區(qū)的地震資料，對野外采集因素按單一因素變化方式逐步進行試驗［26］。野外采集因素主要包括激發(fā)因素和接收因素等。激發(fā)因素試驗包括井深試驗［27］、藥量試驗和井組合試驗；接收因素試驗包括檢波器組合方式試驗等，檢波器組合方式包括線性、矩形和點式組合。D0XT主要開展表層結構調查、激發(fā)因素和接收因素的系統(tǒng)試驗工作，獲取最佳的采集參數(shù)。激發(fā)因素的好壞直接決定采集質量的高低，因而針對激發(fā)因素在D0XT進行了再試驗。由于測線長，地形地貌變化大，在測線西北部的山地處D0YZ，對D0XT和D0KH處得到的最佳采集參數(shù)進行了驗證。

2.2 觀測系統(tǒng)及參數(shù)

根據(jù)其他地區(qū)的采集經(jīng)驗［22］和對本區(qū)地質資料的初步了解，D0XT觀測系統(tǒng)采用6020-40-20-40-6020（道間距20m，最小偏移距為40m，最大偏移距6 020m），中間放炮；D0KH 觀測系統(tǒng)為20-40-6020，單邊放炮；D0YZ觀測系統(tǒng)為20-40-6020，單邊放炮。地震數(shù)據(jù)采集使用428XL地震儀，SG-10檢波器，前放增益12dB，采樣間隔1ms，記錄長度15s。

圖2 干擾波調查單炮記錄Fig.2 Shot record of interference wave investigation

3 干擾波及表層結構調查

3.1 干擾波調查

為了保證地震采集資料的質量，需要開展詳細的干擾波調查試驗［28－29］，干擾波調查記錄如圖2所示。結果表明，該區(qū)有7種主要干擾波：初至折射波、2組面波、聲波、單頻干擾、低頻干擾、外源噪聲［30］和其他環(huán)境隨機噪聲［31］。其中：初至折射波、2組面波、聲波屬于規(guī)則噪聲；單頻干擾、低頻干擾、外源噪聲和其他環(huán)境隨機噪聲屬于不規(guī)則噪聲。

經(jīng)分析可知：單炮記錄中折射波表現(xiàn)為線性、強振幅，視速度約為5 300m/s，主頻為25～31Hz，頻帶寬度0～46Hz；2組面波表現(xiàn)為低頻、強振幅、掃帚狀，面波1的視速度約為2 750m/s，主頻為10～25Hz，面波2的視速度約為2 200m/s，主頻為8 Hz左右；單頻干擾是由高壓線路、通訊線等引起的，表現(xiàn)為強振幅的正余弦形式，其主頻有38、43、48、50、53、57Hz；外源噪聲表現(xiàn)為雙曲線形、局部能量強；低頻干擾表現(xiàn)為主頻低、雜亂分布、干擾強。

3.2 表層結構調查

據(jù)近地表的介質確定激發(fā)方式［32］和接收方式，需要對近地表介質的地質及地球物理特征進行初步調查，本次試驗在D0XT采用微測井的方法進行表層調查［33］。表層結構調查采用井中激發(fā)、地面接收的微測井方法［34］，D0XT微測井解釋結果如圖3所示。由圖3可知，D0XT表層可分為2層：低降速層速度v1為792m/s，厚度h1為7.29m；高速層速度v2為3 977m/s。實際打井過程中在深度大約8m出現(xiàn)鉆井轉速減慢，噴出的巖屑為顆粒狀花崗巖，充分證明了約8m的深度就已經(jīng)進入高速層。

4 試驗及分析

4.1 井深試驗

根據(jù)微測井結果（高速層頂界面埋深7.29m），在 D0XT處分別進行13、14、15、16、17m 的井深試驗。單井激發(fā)、激發(fā)藥量8kg。從單炮記錄（圖4）上看，所有記錄上6.5s處都發(fā)育了比較強的連續(xù)反射波，而在6.5s以上或以下的反射信號較弱，難以分辨。因此，本次試驗以6.5s的反射同相軸為目的層進行分析。由圖5可見，在井深為15m和17m時目的層反射同相軸連續(xù)性較好。對時窗為6.3～6.7s內的目的層進行分析，其能量和信噪比的分析結果如圖6所示。由圖6可知，15m井深目的層信號的能量和信噪比都比其他井深高。同時考慮該地區(qū)潛水面在9m左右，最終選擇在潛水面下、高速層激發(fā)的15m井深為最佳激發(fā)井深。

圖3 D0XT微測井解釋結果Fig.3 Explanation of the uphole method in D0XT

圖4 D0XT井深試驗單炮記錄Fig.4 Shot record of the hole depth test in D0XT

4.2 藥量試驗

利用上述最佳激發(fā)井深（即15m），分別使用6、8、10、12和16kg進行藥量試驗。從單炮記錄（圖7）上看：8kg以上藥量的單炮記錄在6.5s處都發(fā)育了比較強的連續(xù)反射波；6kg藥量的單炮記錄中的6.5s反射信號弱且連續(xù)性差。通過對單炮記錄能量、信噪比的分析（圖8）可知：16kg藥量的能量最強；6kg藥量的能量最弱，8、10和12kg藥量的能量差別??；信噪比方面，6kg藥量的信噪比最弱，10kg藥量的信噪比次之，8、12和16kg藥量的信噪比差別不大。同時從安全性方面考慮，最終選擇了12kg藥量作為最佳激發(fā)藥量。

4.3 檢波器組合試驗

采用合理的檢波器組合方式，能夠有效壓制干擾波，提高信噪比。本次試驗中檢波器接收組合采用3種組合方式：正方形組合，組內距4m，組合基距8m；線性組合，組內距1m，組合基距8m。點組合。具體排列方式如圖9所示。

3種組合的單炮記錄如圖10所示。從單炮記錄上看，3種組合方式在6.5s處都發(fā)育了較強的同相軸，正方形組合的反射波同相軸比線性組合和點組合方式更清晰，連續(xù)性更好。根據(jù)能量和信噪比的分析（圖11）可知：點組合的能量最高；線組合的信噪比最低，正方形組合和點組合的信噪比相差不大。

由于正方形組合和線組合所覆蓋的范圍大，而測區(qū)有部分測線位于山地，山地起伏大，難以滿足檢波器埋置要求。綜合以上考慮，選擇點組合方式為最佳檢波器組合接受方式。

4.4 井組合試驗

圖5 D0XT井深試驗單炮記錄區(qū)域放大Fig.5 Shot record of the hole depth test in D0XT（partial enlarged）

圖6 D0XT激發(fā)井深試驗資料分析Fig.6 Analysis of the hole depth test in D0XT

根據(jù)試驗確定的最佳井深（15m）、藥量（12 kg），以及檢波器組合方式（點組合），進行井組合試驗。井組合方式有4種（圖12）：單井，藥量12kg；雙井，每井藥量6kg；三井，每井藥量4kg；四井，每井藥量3kg。由于炸藥爆炸時將產(chǎn)生一個非彈性區(qū)（破碎帶加塑性帶），組合爆炸的經(jīng)驗表明，相鄰兩炮點間的距離應大于兩震源非彈性區(qū)半徑之和。非彈性區(qū)半徑可由經(jīng)驗公式［24］r＝1.5確定（Q為藥量，kg；r為半徑，m）。由此，雙井、三井和四井的非彈性區(qū)半徑為2.8、2.4和2.2m。根據(jù)經(jīng)驗，為了充分保證激發(fā)效果，將組合基距擴大至10m。

由井組合試驗單炮記錄（圖13）可知，雙井組合6.5s的反射信號最弱，同相軸連續(xù)性差，單井和三井的反射同相軸連續(xù)性最好。對其進行能量和信噪比的分析結果（圖14）表明，三井組合的能量和信噪比最大，其他井組合方式的能量和信噪比相差不大。因此，確定三井組合方式為最佳井組合方式。

4.5 大炮試驗

根據(jù)試驗點單炮記錄獲得的最深反射信號在6.5s處，可以估算該反射層位在13.0～19.5km，對應的估算速度為4 000～6 000m/s［19］；該反射層不是莫霍面。因此，為了解該地區(qū)更深部的地質構造信息，獲取莫霍面的有效信號，采用加大藥量和井深的方法，在點D0YZ，海拔高程約為117.18m處，設置了25m井深、24kg藥量的激發(fā)井，預計莫霍面反射信號到時應大于9s。

圖7 D0XT藥量試驗單炮記錄Fig.7 Shot record of the charge test in D0XT

圖8 D0XT單井激發(fā)藥量試驗資料分析Fig.8 Analysis of the charge test in D0XT

圖9 檢波器組合示意圖Fig.9 Geophone array diagram

圖10 D0XT檢波器組合方式試驗單炮記錄Fig.10 Shot record of the geophone array test in D0XT

圖11 D0XT檢波器組合方式試驗資料分析Fig.11 Analysis of the geophone array test in D0XT

圖12 井組合示意圖Fig.12 Schematic diagram of combined hole

為了觀測到更深層的信號，將觀測系統(tǒng)調整為400-0-20-20-11200，單 支 最 大 炮 檢 距 560 道 接 收。大炮試驗結果表明，在單炮記錄（圖15）上，6.5s和10.5s左右都看到了反射波。推算10.5s的反射波深度為30km左右，與鄰區(qū)莫霍面的深度［35］相當，其主頻約為18Hz，頻帶寬度5～46Hz。

4.6 D0KH和D0YZ點其他試驗

由于測線穿過的地貌特征變化大，依據(jù)D0XT點（平原）處獲得的最佳井深和藥量，為檢驗該激發(fā)因素在測線其他區(qū)域是否合適，在測線的中部D0KH（丘陵）處，又開展了井深和藥量試驗，同時，在D0YZ處的溝里進行了反方向的驗證。結果表明，D0XT點處獲得的最佳采集參數(shù)適合于整條測線的地震采集。

圖13 D0XT井組合試驗單炮記錄Fig.13 Shot record of the combined hole test in D0XT

圖14 D0XT井組合試驗資料分析Fig.14 Analysis of the combined hole test in D0XT

通過以上各項試驗分析，最終確定本區(qū)的生產(chǎn)采集參數(shù)為：觀測系統(tǒng)，6020-40-20-40-6020；井深15m；藥量12kg；采樣間隔1ms；記錄長度15s；井組合，三井組合；檢波器組合，點組合。

5 結論和討論

由于本區(qū)第四紀覆蓋層薄、基巖深度淺，使得地震波傳播速度非常高，有利于能量向深部傳播，對深部莫霍面的探測提供了天然的優(yōu)勢。通過在本區(qū)開展表層結構調查、干擾波調查、井深、藥量、組合井數(shù)、檢波器組合等試驗，準確、有效地分析了適合于本區(qū)的地震勘探采集參數(shù)，總結得出以下幾點認識：

1）在地震試驗前，進行表層結構調查，確定低速層厚度有助于估計最小激發(fā)深度。

2）檢波器組合和井組合試驗表明，采用合適的檢波器和激發(fā)井組合方式可以有效提高采集質量，在可能的情況下，應當進行更多檢波器組合和激發(fā)井組合方式的試驗工作。

3）根據(jù)其他沉積層覆蓋厚地區(qū)的地震資料可知，藥量為8kg、激發(fā)深度為12m的激發(fā)參數(shù)［36］能夠獲得有效信號的最大時間一般在1s左右，而在本區(qū)能夠獲得的有效信號的時間長度可以達到6.5 s左右，說明在火成巖地區(qū)，采用相對小的藥量和井深可以獲得更深部的反射信息。因此，在火成巖地區(qū)開展地震勘探工作時，記錄時間應適當加長。

4）大炮試驗結果表明，該區(qū)深層主要有2個反射層：6.5s和10.5s。初步認為10.5s反射界面為莫霍面。

圖15 D0莫霍面調查試驗點單炮記錄Fig.15 Shot record of the Moho survey test point in D0

5）由于本區(qū)測線的覆蓋范圍廣、地形復雜、激發(fā)深度不同，為了保證激發(fā)質量，應配備山地鉆、普通鉆和大功率鉆井等。

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Field Test on Deep Seismic Reflection Acquisition in the West of Liaoning Province

Jia Haiqing1，2，Jiang Tao1，2，Xu Xuechun3，Ge Lihua1，2，Yang Zhichao1，2

1.KeyLaboratoryofGeo-ExplorationInstrumentationofMinistryofEducation，JilinUniversity，Changchun130026，China
2.CollegeofInstrumentationandElectricalEngineering，JilinUniversity，Changchun130026，China
3.CollegeofEarthSciences，JilinUniversity，Changchun130061，China

Seismic exploration is one of the most effective method on the research and analysis of underground structures.In order to find out the deep structural information of the west of Liaoning Provience，we emplaced a deep reflection seismic profile of 16.9km in the region.As the region’s seismic and geological data is limited，we carried out a test on the parameters of deep reflection seismic acquisition for the obtaining of seismic reflection signals from the deep strata.This test uses dynamite source，428XL seismograph and SG-10low-frequency detectors，fixing acquisition parameters as sampling interval 1ms，channel spacing 20m，and record length 15s.A more comprehensive experimental work on the acquisition parameters of motivating factors（excitation depth，explosive dose，combination of well excitation）and receiving elements（combined low frequency geophone）is launched.Based on the seismic records，the authors treat 6.5sreflected signal as the main reflection layers.By comparing and analyzing the signal energy and the SNR of the target layers，we obtain the optimal excitation and receive parameters as depth 15m，dose 12kg；combination of single well and Mitsui；geophone array using dot combinations.The results of the research show that we are able to obtain deeper reflect information by increasing the exciting depth，the charge，employing combination of well and low-frequency detector and extend recording time etc.

deep reflection；seismic exploration；acquisition test；optimal parameter；the west of Liaoning province

10.13278/j.cnki.jjuese.201404304

P631.4

A

賈海青，姜弢，徐學純，等.遼西深反射地震勘探采集試驗.吉林大學學報：地球科學版，2014，44（4）：1357-1368.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404304.

Jia Haiqing，Jiang Tao，Xu Xuechun，et al.Field Test on Deep Seismic Reflection Acquisition in the West of Liaoning Province.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1357-1368.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404304.

2013-11-20

國家深部探測技術與實驗研究專項（SinoProbe-09-06 201011083，201311197）；高等學校博士學科點專項科研基金項目（20110061110053）

賈海青（1987—，男，博士研究生，主要從事可控震源技術及地震信號處理研究，E-mail：jiahq13＠m(xù)ails.jlu.edu.cn

姜弢（1969—，女，教授，博士生導師，主要從事地震儀器及信號處理研究，E-mail：jiang＿t＠jlu.edu.cn。