可控沖擊震源在工程地震勘探中的應(yīng)用探索

王德福

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 南京 250101)

近年來，隨著各種非炸藥震源及淺層地震技術(shù)的發(fā)展，地震勘探在城市工程勘探中的應(yīng)用越來越多[1-2]。工程勘探中常用的非炸藥震源有電火花震源、夯擊震源、電磁式與液壓驅(qū)動(dòng)式可控震源等[3]，其中使用最多的是電火花震源，這是一種通過水環(huán)境將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的震源裝置，它以電極高壓脈沖放電，產(chǎn)生高溫高壓的電弧將周圍水體氣化，對(duì)水產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而產(chǎn)生地震波[4]。電火花震源在江河湖海等水域環(huán)境應(yīng)用很好，但因依賴水體也有局限性[5]。夯擊震源使用沖擊夯作為激震源，體積小，易攜帶，但夯擊震源因沖擊夯的自身原因存在相關(guān)干擾問題[6]。電磁式可控震源是一種由振動(dòng)器將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，并沖擊大地產(chǎn)生的地震波[7-8]，具有性價(jià)比高、分辨率高的特點(diǎn)，但存在與大地耦合困難，且難以提高震源能量等問題，常用于教學(xué)當(dāng)中[9-10]。液壓驅(qū)動(dòng)式可控震源是目前深部地震勘探最常用的可控震源[11]，常搭載于震源車上，但對(duì)施工場(chǎng)地有要求[12]。在當(dāng)下非炸藥震源中可控震源是最突出的一類，但還沒有一種機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、震源能量可控、激振頻率變化大且可控、噪聲干擾壓制好、探測(cè)距離長(zhǎng)且成熟的可控震源[3]。針對(duì)這一需求，探索研究可控沖擊震源在工程勘探中的應(yīng)用效果。

1 可控沖擊震源原理

1.1 相關(guān)疊加原理

可控震源技術(shù)是一種相關(guān)疊加技術(shù)，它通過震源信號(hào)的相關(guān)疊加實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)能量壓制噪聲的目的，并能保持信號(hào)的高頻特性，達(dá)到探測(cè)距離大、分辨率高的特點(diǎn)[13-16]。單次撞擊的震源信號(hào)為s(t)，是一個(gè)具有高頻特性的理想子波，每次沖擊重復(fù)發(fā)射?？煽卣鹪丛O(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間編碼序列p(t)，用以控制震源s(t)使之重復(fù)作用，產(chǎn)生地震波輸出。編碼信號(hào)具有偽隨機(jī)特點(diǎn)，是時(shí)間離散的單位脈沖序列。編碼時(shí)間序列p(t)滿足2個(gè)條件：1) 自相關(guān)為δ函數(shù)；2) 與干擾噪音的互相關(guān)為零。一個(gè)線性的時(shí)間編碼序列可滿足上述2個(gè)條件，表達(dá)如下：

p(t)=δ(t-ti)

(1)

線性時(shí)間編碼序列具有偽隨機(jī)特點(diǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)，就是其自相關(guān)函數(shù)ACF(P)具有δ函數(shù)的性質(zhì)，滿足下列條件，即

(2)

式中：m為編碼長(zhǎng)度，即沖擊次數(shù)。當(dāng)時(shí)間編碼序列作用于震源時(shí)，震源就會(huì)按照編碼的控制產(chǎn)生時(shí)間序列輸出振動(dòng)z(t)。

(3)

此時(shí)要求最小沖擊時(shí)間間隔大于震源信號(hào)的周期，即最高沖擊頻度要小于地震波的頻率。編碼沖擊震源的地震記錄D(t)可寫成：

Dc(t)=p(t)*s(t)+n(t)

(4)

式中：n(t)為噪聲；*為褶積算子。

按相關(guān)算法，合成的地震記錄U(t)可由沖擊記錄與沖擊時(shí)間序列的互相關(guān)獲得。

U(t)=p(t)?D(t) =

ACF{p(t)}*s(t)+p(t)?n(t)

(5)

由于編碼序列滿足偽隨機(jī)性，因此解編后的地震記錄是單次激發(fā)地震波的m倍。

AFC[p(t)]=mδ(t)p(t)?n(t)=0

U(t)=ms(t)

(6)

從式(6)可知，m次沖擊的編碼系列，得到的地震記錄的幅值是單次沖擊幅值的m倍，這就是可控震源的相關(guān)疊加原理。

1.2 可控沖擊震源工作方式和技術(shù)參數(shù)

可控沖擊震源激發(fā)地震波，地震儀與檢波器接收地震波。震源按時(shí)間序列產(chǎn)生一系列沖擊，地震儀將這些沖擊過程產(chǎn)生的所有地震波都記錄下來，經(jīng)過時(shí)間序列與地震記錄的相關(guān)處理，合成高信噪比的單炮記錄。震源工作方式如圖1、圖2所示。

圖1 震源工作原理示意

圖2 震源連接示意

有2個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)保證震源與地震儀兩者的協(xié)調(diào)工作：一是時(shí)間序列的掌控，地震儀要早于震源開始記錄，并晚于震源結(jié)束；二是將震源每次激震的時(shí)間序列記錄到地震記錄中。具體步驟如下：1) 使用震源自帶的編碼線，將震源沖擊時(shí)間信號(hào)連接到地震電纜上，同步記錄到地震記錄中，占用一個(gè)通道；2) 可在震源附近地面插一個(gè)檢波器，用以記錄震源子波，代替編碼信號(hào)進(jìn)行相關(guān)疊加。目前北京某公司生產(chǎn)的TDIS系列可控沖擊震源，可與國(guó)內(nèi)外各種地震儀匹配，其中TDIS-1800用于隧道超前預(yù)報(bào)，TDIS-2800用于路面、巖溶等工程勘探，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 TDIS-2800型可控沖擊震源技術(shù)參數(shù)

2 可控沖擊震源的工程應(yīng)用

(a) 單次沖擊震源子波

(b) 震源子波匯總

(c) 時(shí)間-重復(fù)頻率曲線

2.1 隧道超前預(yù)報(bào)

目前炸藥管控越來越嚴(yán)，開展非炸藥震源隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究重要且必要。在大羅山隧道采用可控震源與炸藥震源，以TST方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)布置采用TST常規(guī)布置方案，陣列式觀測(cè)排列，道間距2 m，炮間距8 m，如圖4所示。二者只是震源布置方式不同：炸藥震源采用打孔預(yù)埋方式，可控沖擊震源采用在圍巖表面直接激振的方式。第1次預(yù)報(bào)里程為K1+62～K1+162，采用炸藥震源，用縱波做預(yù)報(bào)，第2次預(yù)報(bào)里程為K1+134～K1+234，采用可控沖擊震源，2次預(yù)報(bào)中間重疊路段為28 m，據(jù)文獻(xiàn)[16]可控震源原理，采用橫波做預(yù)報(bào)更適宜。

單位：m

預(yù)報(bào)成果主要由地質(zhì)界面偏移成像圖和圍巖波速分布圖組成，偏移圖像給出了地質(zhì)界面的位置，波速圖給出了圍巖的真實(shí)波速[17-18]，結(jié)果如圖5所示。在重疊段K1+134～K1+162，縱波波速4 000 m/s，橫波波速3 100 m/s，偏移圖像都是細(xì)碎密集小條紋組合，說明存在眾多小反射界面，可解讀為節(jié)理裂隙發(fā)育，2次預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致。試驗(yàn)表明，在良好圍巖地質(zhì)條件下(支護(hù)等級(jí)為Ⅲ級(jí)及以上)，可控沖擊震源可替代炸藥震源進(jìn)行長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。但當(dāng)隧道圍巖情況較差，可控沖擊震源激振效果不佳。由震源工作原理可知，當(dāng)圍巖較差時(shí)，地震波能量衰減較快。在隧道超前預(yù)報(bào)工作中發(fā)現(xiàn)，使用可控沖擊震源激振過程中，直接在圍巖表面激振效果優(yōu)于在初期支護(hù)表面激振，尤其是當(dāng)初期支護(hù)噴涂不密實(shí)，存在空洞時(shí)，可控沖擊震源激振效果很差，激發(fā)能量很弱。

(a) 炸藥震源反演結(jié)果

(b) 可控沖擊震源反演結(jié)果

2.2 電塔地基巖溶探測(cè)

可控沖擊震源在工程領(lǐng)域另一個(gè)重要應(yīng)用就是作為場(chǎng)地地震勘探的震源。某地電力局架高壓線電塔，因?yàn)榈靥幓規(guī)r地區(qū)，在預(yù)設(shè)電塔中心位置打鉆孔后發(fā)現(xiàn)存在巖溶發(fā)育，會(huì)對(duì)電塔地基產(chǎn)生影響，隨即開展震源勘探，對(duì)巖溶發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)。受測(cè)區(qū)環(huán)境限制，觀測(cè)排列方案采用32道插地檢波器，道間距0.5 m，檢波器固定位置，炮點(diǎn)每次前進(jìn)1 m?？煽貨_激震源每炮點(diǎn)激振100 s，重復(fù)頻率2 Hz～8 Hz，典型單炮記錄如圖6所示。

從圖6(a)可控沖擊震源原始記錄可見，地震波同相軸清晰、連貫，對(duì)干擾壓制良好，無明顯低頻或高頻干擾。由于震源激發(fā)地震波的頻率與震源的作用時(shí)間、地基剛度及檢波器的頻率特性有關(guān)，當(dāng)作用時(shí)間短、地基剛性強(qiáng)時(shí)，激發(fā)的地震波頻率高。由于地震波傳播過程中高頻衰減快，近場(chǎng)接收時(shí)頻帶寬，遠(yuǎn)場(chǎng)接收時(shí)頻率低。本次勘探的場(chǎng)地為灰?guī)r區(qū)，沖擊震源激發(fā)的地震波頻帶為10 Hz～500 Hz，如圖6(b)在巖溶勘探中具有一定的代表性。在可控震源地震勘探中，巖溶發(fā)育區(qū)受入射波的激勵(lì)會(huì)對(duì)外發(fā)出散射波，這是巖溶區(qū)探測(cè)的基礎(chǔ)。但因巖溶散射的地震波能量較弱，可能被其他干擾波掩蓋，為此，可通過提高震源能量的方式，增強(qiáng)散射波?？碧街邪l(fā)現(xiàn)，可通過延長(zhǎng)可控沖擊震源的激振時(shí)長(zhǎng)來增強(qiáng)能量，對(duì)震源采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的波速圖像和地質(zhì)偏移圖像，如圖7所示。

(a) 可控沖擊震源原始單炮記錄

(b) 記錄頻譜

巖溶發(fā)育處不僅在波速圖像中呈低波速異常區(qū)域，如圖7(a)所示，還在偏移圖像中存在先負(fù)反射界面后正反射界面結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示。上界面波阻抗變低，為負(fù)反射界面；下界面波阻抗升高，為正反射界面。對(duì)圖中巖溶位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，鉆孔數(shù)據(jù)如表2所示，在鉆孔中發(fā)現(xiàn)溶洞，證實(shí)勘探結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

(a) 波速圖像

(b) 偏移圖像

表2 鉆孔數(shù)據(jù)

2.3 路面空洞探測(cè)

某地發(fā)生局部道路塌陷，現(xiàn)進(jìn)行地震勘探對(duì)整段路進(jìn)行脫空區(qū)排查。為協(xié)調(diào)工作效率與數(shù)據(jù)質(zhì)量，開展錘擊震源與可控沖擊震源對(duì)比試驗(yàn)，為后續(xù)此類勘探工作的開展提供參考。采用23磅大錘與可控沖擊震源進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，震源參數(shù)設(shè)置為沖擊時(shí)長(zhǎng)50 s，重復(fù)頻率1 Hz～6 Hz，單炮沖擊175次。現(xiàn)場(chǎng)為瀝青路面，觀測(cè)排列采用32道1 m間距的檢波器串進(jìn)行接收，偏移距1 m，炮間距1 m。地震記錄如圖8所示。

(a) 23磅大錘震源的共炮點(diǎn)道集

(b) 可控沖擊震源共炮點(diǎn)道集

從圖8中可知，在未對(duì)原始記錄進(jìn)行濾波處理時(shí)，可控沖擊震源對(duì)過往車輛等隨機(jī)噪聲壓制效果更好，幾乎沒有低頻干擾，反射、散射波明顯，同相軸清晰，一目了然；而圖8(a)錘擊記錄地震信號(hào)與背景噪聲混雜，信噪比低，反射波不明顯，且錘擊能量較弱，在瀝青路面環(huán)境下衰減較快，遠(yuǎn)端直達(dá)波較弱信號(hào)不甚清晰。

對(duì)震源采集得到的數(shù)據(jù)使用SSP地震散射軟件進(jìn)行波速掃描，如圖9所示。結(jié)果表明，由于可控沖擊震源沖擊疊加的工作方式，對(duì)干擾波壓制效果理想，速度掃描能量團(tuán)疊加較為集中，最深極值點(diǎn)出現(xiàn)在180 m(最大勘探深度)。

圖9 可控沖擊震源共炮點(diǎn)道集速度掃描

3 結(jié)束語

1) 在巖溶探測(cè)中，采用可控沖激震源可增強(qiáng)散射波能量，提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。

2) 對(duì)比錘擊震源，可控沖擊震源的能量更大，且對(duì)干擾波的壓制效果良好。

3) 采用可控沖擊震源后，地震勘探探測(cè)深度會(huì)隨激振時(shí)長(zhǎng)的增大而增大，在采用激振50 s，重復(fù)頻率1 Hz～6 Hz的情況下，勘探深度可達(dá)180 m。

4) 采用可控沖擊震源進(jìn)行長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是可行的，但可控沖擊震源在隧道內(nèi)的使用受到圍巖破碎情況的制約，且必須直接在圍巖表面激振。本文研究未涉及面波法等其他淺層地震勘探應(yīng)用，可作進(jìn)一步的研究。