工程地震儀震源裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉佳林 張鳳 劉福興

摘 要：分析了工程地震儀在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題，主要表現(xiàn)為單點(diǎn)疊加次數(shù)多、信號(hào)質(zhì)量差、采集時(shí)易受干擾等。針對(duì)上述問題，從震源能量、錘擊經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)干擾波著手，對(duì)震源類型、震源方案進(jìn)行了分析和選擇，改進(jìn)了震源裝置并進(jìn)行了效果檢查，經(jīng)驗(yàn)證采集信號(hào)質(zhì)量提高，探測(cè)深度由原來的60m提高至130m左右，同時(shí)節(jié)省了人力，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：淺層地震勘探；震源裝置；采集信號(hào)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.143

淺層斷裂勘察是地震安全性評(píng)價(jià)及其重要的基礎(chǔ)工作，在近場(chǎng)區(qū)斷裂構(gòu)造評(píng)價(jià)和場(chǎng)址區(qū)活斷層錯(cuò)斷地表評(píng)價(jià)中發(fā)揮著重要作用[1]。淺層地震勘探是斷裂勘察的方法之一，具有快速、經(jīng)濟(jì)、較全面地反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息特征的優(yōu)點(diǎn)[2]。淺層地震勘探工作中采用的工程地震儀，當(dāng)采用人工錘擊鐵板作為震源時(shí)，探測(cè)深度淺，采集到的信號(hào)質(zhì)量差，后期數(shù)據(jù)處理難度大。

1 淺層地震勘探存在的問題

淺層地震勘探采用的工程地震儀，一次最多可連接24道檢波器。采用12V直流外接電源供電，大錘錘擊鐵板作為震源。

目前淺層地震勘探系統(tǒng)存在的問題主要包括：

（1）人工掄錘錘擊鐵板工作強(qiáng)度大：?jiǎn)蝹€(gè)炮點(diǎn)至少需錘擊5次；（2）掄錘產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量參差不齊；（3）采集到的信號(hào)質(zhì)量差：錘擊能量小，產(chǎn)生的機(jī)械波到達(dá)離炮點(diǎn)較遠(yuǎn)的檢波器時(shí)能量基本耗盡；（4）周圍環(huán)境極易產(chǎn)生機(jī)械干擾波（交通工具、人員走動(dòng)、甚至是風(fēng)吹草動(dòng)）。

經(jīng)分析認(rèn)為影響信號(hào)質(zhì)量的因素主要包括震源能量、錘擊經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)干擾波。

2 淺層地震勘探過程分析

（1）震源能量。對(duì)于錘擊震源來說，影響震源能量的因素主要是鐵錘的大小和下落的高度。鐵錘重量越大、下落高度越大，錘擊時(shí)的沖擊力越大，錘擊產(chǎn)生的機(jī)械波強(qiáng)度越大，信號(hào)質(zhì)量越高，探測(cè)深度越深。而錘擊時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度也相應(yīng)的越大。因此需要在保證信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，選擇大小合適的鐵錘和下落高度。

（2）錘擊經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于人工掄錘和落錘法來說，錘擊方法不當(dāng)（如角度跑偏等）錘擊能量大部分以干擾波的形式傳播，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）鐵板嵌入地表土中，防止錘擊瞬間彈起；2）保證錘頭垂直砸向鐵板；3）鐵板厚度要足夠大（至少2cm），防止鐵板被砸彎。

（3）現(xiàn)場(chǎng)干擾波。現(xiàn)場(chǎng)各種類型的干擾波影響了信號(hào)的質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)注意：1）布測(cè)線時(shí)盡可能避開草叢較厚的地段，錘擊時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員保持靜止，避開交通要道；2）盡可能避開輸電線路、變電站等設(shè)施；3）盡可能避開大型機(jī)械、江河岸邊等。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

（1）震源類型的選擇。針對(duì)震源能量低，采取的首要措施是震源類型的選擇。目前淺層地震勘探用的震源主要有可控震源、炸藥震源和錘擊震源3種，對(duì)這3種震源進(jìn)行簡(jiǎn)要分析如下：

1）可控震源。可控震源產(chǎn)生的地震信號(hào)在一定范圍內(nèi)可控，不易被環(huán)境干擾，具有較高的信噪比[3]，而現(xiàn)用的工程地震儀與可控震源設(shè)備接口不匹配，無(wú)法作為有效震源。

2）炸藥震源。炸藥震源作為地震勘探的常規(guī)震源之一，在油田勘探中具有較廣泛的應(yīng)用[4]，而炸藥屬國(guó)家管制品，其來源受到一定程度的限制。

3）錘擊震源。錘擊震源能量雖小，但可控性高，操作簡(jiǎn)便，在小規(guī)模的勘探中優(yōu)勢(shì)明顯，因此選擇震源類型為錘擊震源。人工掄錘法1人操作，操作簡(jiǎn)便，但單炮能量低，工作效率低；人工落錘法單炮能量相對(duì)較高，信號(hào)質(zhì)量高，但需多人提升落錘。

（2）震源方案對(duì)比。選定震源類型為錘擊震源后，在同一炮點(diǎn)處對(duì)比了不同錘擊方式、錘子大小和錘子下落高度的單炮信號(hào)質(zhì)量如表1所示。從勞動(dòng)強(qiáng)度和操作人數(shù)指標(biāo)考察，人工掄錘法具有需求人力少、單點(diǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)勢(shì)；而從信號(hào)清晰度和單炮疊加次數(shù)指標(biāo)考察，落錘法具有單錘信號(hào)質(zhì)量高、無(wú)需多次疊加的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比了5種不同方案的單炮記錄信號(hào)，發(fā)現(xiàn)錘擊方式采用落錘法，鐵錘大小140磅，鐵錘下落高度1.5米時(shí)，反射波信號(hào)最清晰。

（3）震源裝置的改進(jìn)。在方案（四）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種與工程地震儀匹配的半自動(dòng)化錘擊震源裝置，該震源裝置包括支架、升降裝置、落錘、鐵板4部分，落錘為140磅的圓柱狀鑄鐵。將該裝置挪動(dòng)到炮點(diǎn)位置后，將支架底部的輪子通過卡緊裝置固定，落錘連接好觸發(fā)器，觸發(fā)器連接至地震信號(hào)采集儀，鐵板置于支架底部，并位于落錘的正下方，手搖轆轤至自動(dòng)抓手抓緊落錘上部的凸臺(tái)，提升落錘至自動(dòng)抓手觸碰擋板的錐形孔洞后，自動(dòng)抓手上端受力向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，下端隨之向外運(yùn)動(dòng)，迅速失去卡緊作用，落錘自由落體錘擊鐵板激發(fā)產(chǎn)生地震波。完成一個(gè)炮點(diǎn)的激發(fā)后，解鎖支架底部的輪子，將裝置整體推至下一炮點(diǎn)。

4 效果檢查

（1）信號(hào)質(zhì)量提高，探測(cè)深度增加。用方案（四）的震源與之前的掄錘法震源對(duì)比，測(cè)得的地質(zhì)剖面清晰度明顯提高，探測(cè)深度由原來的60米提高到130米左右。

（2）節(jié)省人力，提高工作效率。該震源裝置比普通落錘法節(jié)省人力，操作簡(jiǎn)便，普通落錘激發(fā)時(shí)需要4～5人提放落錘，而該震源裝置僅需1人操作，節(jié)省了大量人力。

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