地震勘探常用震源分析

魏亮

摘 要：震源激發(fā)地震波是地震勘探過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，考慮到勘探目的、激發(fā)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益等多種因素，選擇最為合適的震源至關(guān)重要。筆者參加工作以來(lái)接觸到三種震源，即炸藥震源、可控震源和氣槍震源。因此，本文重點(diǎn)論述了三種震源的激發(fā)原理、特性、使用環(huán)境和施工管理建議等。

關(guān)鍵詞：地震勘探;炸藥震源;可控震源;氣槍震源

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）26-0140-04

Common Source Analysis of Seismic Exploration

WEI Liang

（Geophysical Exploration Center， China Earthquake Administration，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： The source-excited seismic wave is a very important part of the seismic exploration process. Considering the various factors such as the purpose of exploration， the environment and economic benefits， it is important to choose the most suitable source. Since joining the work， the author has been exposed to three sources of shock， namely the source of explosives， the vibrator and the source of the airgun. Therefore， this paper focused on the excitation principle， characteristics， use environment and construction management recommendations of the three sources.

Keywords： seismic exploration;explosive source;vibroseis;air gun source

目前，地震勘探震源分為炸藥震源和非炸藥震源兩大類(lèi)別[1-3]。炸藥作為震源用于地震勘探，起源于20世紀(jì)20年代，Karcher等人在美國(guó)俄克拉荷馬州首次使用地震法開(kāi)展找油試驗(yàn)[4]。此后，一些西方國(guó)家開(kāi)始嘗試使用炸藥作為震源進(jìn)行地震勘探，因炸藥震源激發(fā)的地震信號(hào)具有良好的脈沖性能和較高的激發(fā)能量，所以該方法一直沿用至今。隨著地震勘探技術(shù)和機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，人們?cè)?0世紀(jì)60年代探索出可控震源和氣槍震源，可控震源采用可控頻率掃描方式控制激發(fā)信號(hào)的頻率和相位，有利于通過(guò)計(jì)算改善地震資料品質(zhì)，采用相干處理對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，減小干擾，對(duì)激發(fā)點(diǎn)破壞較小。氣槍震源具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、低頻豐富和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其在地震勘探水域激發(fā)中占有重要地位[5-9]。

目前，地震勘探范圍由原來(lái)人口稀少區(qū)域逐漸深入人口密集區(qū)域，重視成本效益。近年來(lái)，國(guó)家大力提倡環(huán)境保護(hù)，地震勘探時(shí)需要根據(jù)勘探目的、震源特性、施工環(huán)境和成本效益等實(shí)際情況選擇合適的震源。

1 炸藥震源

1.1 激發(fā)原理

炸藥震源的藥柱如圖1所示。裝藥在無(wú)限介質(zhì)中封閉爆炸時(shí)，炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫高壓氣體對(duì)大地做功，從爆炸中心向外依次形成破碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)（見(jiàn)圖2），震動(dòng)區(qū)僅引起介質(zhì)發(fā)生彈性形變，產(chǎn)生彈性波，也就是地震波。

1.2 特性

炸藥震源作為地震勘探行業(yè)的傳統(tǒng)震源，其優(yōu)缺點(diǎn)都較為明顯。炸藥震源所產(chǎn)生的地震信號(hào)為持續(xù)很窄的脈沖信號(hào)，激發(fā)能量較強(qiáng)，擁有寬廣的頻譜，適于高頻（大于80Hz）、中頻（15～80Hz）、低頻（6～15Hz）的地震勘探。缺點(diǎn)表現(xiàn)在激發(fā)效果受地質(zhì)條件影響，能量不容易控制，能量利用率低，破壞性大，施工危險(xiǎn)性大等。

1.3 適用范圍及受限因素

炸藥震源適用性好，但對(duì)成孔有較高的要求，在疏松干燥的沙漠地區(qū)和疏松礫石層成孔困難的情況不宜使用炸藥震源，其他情況均可使用不同鉆具成孔，克服地質(zhì)條件的限制。由于國(guó)家對(duì)爆炸物品管控嚴(yán)格，所以炸藥震源的審批手續(xù)比較復(fù)雜，審批耗時(shí)長(zhǎng)，使用炸藥震源的人員必須持有爆破作業(yè)證。

1.4 施工管理方面的建議

一是為安全起見(jiàn)，炸藥震源激發(fā)點(diǎn)應(yīng)選在山溝、丘陵、盆地等人煙稀少的地方，并保證填塞質(zhì)量，使裝藥在無(wú)限介質(zhì)中封閉爆炸，減小對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境的破壞。同時(shí)，要遠(yuǎn)離鐵路干線、通航河流、高壓輸電線路、工礦企業(yè)和民用建筑，避免對(duì)公共設(shè)施造成損壞。

二是實(shí)施地震勘探爆破的有關(guān)人員應(yīng)堅(jiān)持規(guī)范上崗，嚴(yán)格執(zhí)行定崗、定責(zé)的規(guī)定。

三是制作起爆藥柱時(shí)應(yīng)選擇相對(duì)安全的地方，設(shè)置半徑大于15m的警戒區(qū)，并遠(yuǎn)離炸藥車(chē)15m以上，遠(yuǎn)離無(wú)線電設(shè)備30m以上。

四是往炮井中安放震源藥柱時(shí)，應(yīng)由專(zhuān)人負(fù)責(zé)，確保震源藥柱下到井底并沒(méi)有上浮后，方可用細(xì)土、細(xì)砂埋井，且埋井時(shí)不得摻有石塊、磚塊、凍土塊和鐵片等硬物，要保證整個(gè)填塞段完全填實(shí)，絕不允許貪圖省工省料造成中間留空不堵;嚴(yán)禁使用鉆桿等機(jī)械強(qiáng)行大力度往井下壓震源藥柱。

五是《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）規(guī)定，起爆站距炮井的距離不應(yīng)小于以下標(biāo)準(zhǔn)：砂土、黏土層，30m;巖石、凍土層，60m;井深小于5m（或坑炮），100m;特殊情況應(yīng)按爆炸方式、使用藥量經(jīng)計(jì)算確定[10]。

六是震源藥柱起爆后，檢查人員應(yīng)等待5min后再進(jìn)入爆區(qū)檢查，如不能確定是否有盲炮、是否完全起爆，應(yīng)等待15min后再進(jìn)入爆區(qū)檢查。

七是委派專(zhuān)人負(fù)責(zé)對(duì)爆炸破壞的地方進(jìn)行修復(fù)[11]。

2 可控震源

2.1 激發(fā)原理

可控震源是安裝在車(chē)輛上的機(jī)械裝置[12]。所需的掃描頻率信號(hào)由計(jì)算機(jī)中的固定程序產(chǎn)生。其通過(guò)對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的控制，推動(dòng)振動(dòng)器發(fā)出周期性的振動(dòng)信號(hào)，作為震動(dòng)源產(chǎn)生地震波?？煽卣鹪窜?chē)如圖3所示。

2.2 特性

一是可控震源產(chǎn)生的地震信號(hào)的頻率可以人為調(diào)節(jié)，根據(jù)地表?xiàng)l件、淺層介質(zhì)條件、響應(yīng)特性和勘探目標(biāo)層深度選擇合適的激發(fā)頻寬，有利于提高地震數(shù)據(jù)質(zhì)量。二是數(shù)據(jù)的信噪比比較高，可控震源是垂直向下振動(dòng)，其輸出方向垂直向下，絕大多數(shù)能量向下傳遞，減少了反射和表面波;連續(xù)震動(dòng)信號(hào)的地震勘探法應(yīng)用了相關(guān)技術(shù)，經(jīng)過(guò)多次疊加消除隨機(jī)干擾，避免了某些環(huán)境噪音的影響。三是提高了反射波能量，可控震源采用連續(xù)掃描信號(hào)，增強(qiáng)了波的穿透能力。

2.3 適用范圍及受限因素

可控震源激發(fā)地震波要求震動(dòng)板與地面之間具有良好的耦合，而對(duì)于崎嶇堅(jiān)硬的巖層耦合程度較差，所以選擇平坦的地方進(jìn)行激發(fā)可以獲得較好的激發(fā)效果。當(dāng)?shù)乇韮A角大于30°時(shí)，可控震源車(chē)容易發(fā)生翻車(chē)現(xiàn)象。在松散的表淺層，有效下傳信號(hào)會(huì)大幅度衰減。

2.4 施工管理方面的建議

可控震源體積比較大，占地面積大，噪聲大、連續(xù)震動(dòng)、震感強(qiáng)烈，在人口密集地區(qū)，很容易對(duì)當(dāng)?shù)厝说纳钤斐捎绊?，需要工作人員向當(dāng)?shù)厝诉M(jìn)行解釋、做工作。由于震源車(chē)對(duì)激發(fā)位置的平整度、行進(jìn)路況有要求，所以施工前一定要做好勘察，采取“誰(shuí)勘察，誰(shuí)修路，誰(shuí)帶點(diǎn)”的工作模式比較合理。

3 氣槍震源

3.1 激發(fā)原理

以BOLT的梭閥槍為例，空氣壓縮機(jī)將高壓空氣從氣槍左上進(jìn)氣管壓入上氣室，向下推動(dòng)往復(fù)閥。往復(fù)式閥中心有一個(gè)孔，高壓空氣從上氣室進(jìn)入下氣室。雖然上、下氣室的壓力是一樣的，但是往復(fù)閥在上氣室的頂面大于往復(fù)閥在下氣室的底面，所以作用在往復(fù)閥上的靜壓力是向下的，使往復(fù)閥向下運(yùn)動(dòng)，直到往復(fù)閥被底座拖住[13，14]。此時(shí)，下氣室處于密閉狀態(tài)，只能進(jìn)氣不能出氣，壓力逐漸升高到設(shè)計(jì)數(shù)值。氣槍被觸發(fā)時(shí)，電磁閥打開(kāi)，往復(fù)閥以極高的速度向上滑動(dòng)。當(dāng)往復(fù)閥下端的活塞滑過(guò)排氣孔時(shí)，儲(chǔ)存在下氣室的高壓空氣將迅速?lài)娙胨校a(chǎn)生高壓氣泡，完成一次點(diǎn)火激發(fā)。之后，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，往復(fù)閥落下，重復(fù)以上過(guò)程，等待下一次點(diǎn)火激發(fā)，如圖4所示。氣泡在水中呈現(xiàn)擴(kuò)張與壓縮的阻尼性反復(fù)震蕩，如圖5所示，形成向外傳播的壓力波。

2014年11月，福建省地震局在三明市尤溪縣街面水庫(kù)開(kāi)展了移動(dòng)水庫(kù)氣槍震源綜合試驗(yàn)研究，取得以下成果。一是氣槍子波包含兩部分，即高頻主脈沖和低頻氣泡脈沖。主脈沖持續(xù)時(shí)間短，頻帶寬，可用于淺層高精度探測(cè)。氣泡脈沖富含10Hz以下的低頻能量，可用于深部探測(cè)。二是氣槍屬于小當(dāng)量地震勘探震源。試驗(yàn)中，單桿氣槍的激發(fā)能相當(dāng)于0.23級(jí)地震，四桿氣槍組成的槍陣的組合激發(fā)能相當(dāng)于0.48級(jí)地震。三是四桿氣槍組成的槍陣進(jìn)行組合激發(fā)，測(cè)得大壩振動(dòng)峰值加速度為0.45gal，不會(huì)對(duì)大壩及周邊環(huán)境造成破壞。

四是氣槍信號(hào)重復(fù)性高，岸上首臺(tái)速度記錄相關(guān)數(shù)峰值大于0.95的占93.26%。五是氣槍下沉越深，氣泡振蕩能量越大，氣泡周期越小。在進(jìn)行深部勘探時(shí)，應(yīng)根據(jù)低頻和能量需求選擇合適的下沉深度。六是氣泡能量和氣泡周期隨著工作壓力的增大而增大。七是氣槍陣列激發(fā)的能量隨氣槍數(shù)量的增加而增加，激發(fā)的主頻率受每支氣槍的容量影響。八是當(dāng)氣槍陣列的尺寸大于氣泡半徑的5倍時(shí)，氣泡之間的相互作用很小。氣槍陣列的子波近似于各個(gè)氣槍子波的線性疊加，此時(shí)氣槍陣列尺寸的變化對(duì)激發(fā)效果的影響很小。九是下沉深度為水深的一半時(shí)，氣泡能量和氣泡周期較大，獲得的震動(dòng)效果較好。

3.2 適用范圍及受限因素

氣槍震源適用于過(guò)渡帶、內(nèi)陸湖泊、海上OBC以及深海拖纜等大多數(shù)水域地震勘探中。氣槍陣列的主流壓力為13.79MPa，容量一般分為兩類(lèi)。一是適合極淺海過(guò)渡帶和內(nèi)陸湖泊勘探，容量大多在16 400～49 200cm3。二是適合深海拖纜地震勘探，容量大多在49 200～82 000cm3（根據(jù)目前世界范圍內(nèi)使用的氣槍陣列的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比這三種震源的激發(fā)原理、特性、適用范圍及受限因素，三種震源的特點(diǎn)比較明顯，炸藥震源的適用性好，激發(fā)能量強(qiáng)，傳播距離遠(yuǎn)，有著豐富的頻譜，但其破壞性大，審批手續(xù)復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)高，有效信號(hào)容易受到外界干擾?？煽卣鹪吹妮敵瞿芰渴强烧{(diào)的，震動(dòng)是連續(xù)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)激發(fā)工作面的破壞小，淺部區(qū)域可控震源獲得的時(shí)間剖面反射波連續(xù)性好且能量強(qiáng)?？煽卣鹪粗荒茉诘乇砑ぐl(fā)，對(duì)地面的平整度有要求，需要震動(dòng)板與地面較好的耦合。氣槍震源作為水域地球物理勘探主要的綠色環(huán)保性震源，具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、低頻豐富等特點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)的重視。所以，選擇震源時(shí)要綜合考慮地震勘探的目的要求、施工條件、環(huán)保因素、成本效益和安全問(wèn)題等方面的因素。

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