可控震源和炸藥震源在松遼盆地西南部地區(qū)的適用性研究

趙 威，劉 波，魏 濱，寧媛麗，祁 程，李 毅，江超云，楊曉柳

(核工業(yè)航測遙感中心，河北省航空探測與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002)

0 引言

地震勘探方法是利用地下地層界面的波阻抗差異，通過地下界面的反射或折射原理，結(jié)合靶區(qū)地質(zhì)信息，最終推斷地下目標(biāo)層的構(gòu)造形態(tài)，是鉆探前勘測石油、天然氣資源、固體資源地質(zhì)找礦的重要手段[1]。

在陸上地震勘探開發(fā)過程中，主要激發(fā)震源為炸藥震源和可控震源兩種。其中炸藥震源從20世紀(jì)20年代開始一直作為地震勘探中的主要激發(fā)震源，但是隨著施工靶區(qū)的復(fù)雜性、施工過程的危險(xiǎn)性、環(huán)境污染等因素，可控震源隨技術(shù)開始隨之出現(xiàn)。目前使用可控震源進(jìn)行野外施工不僅能夠有效保證野外資料品質(zhì)，還能大幅提高施工效率。本文通過兩種震源在松遼盆地西南部地區(qū)的施工效果對比，分析了可控震源在該區(qū)域的適用性，為其以后的勘探開發(fā)震源選擇提供了新依據(jù)。

1 研究背景

此次研究區(qū)位于松遼盆地西南部，內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼中旗，屬低山丘陵-平原地區(qū)。地勢整體西高東低，海拔140～230 m，地形高差較小。地表覆蓋主要為耕地、林地、濕地及半沙漠等，淺地表覆蓋層厚度變化較大。施工時(shí)存在炮孔成孔坍塌、鉆機(jī)難準(zhǔn)確把握最佳震源激發(fā)層位、危爆物品管控等難題。

工區(qū)內(nèi)僅采用炸藥震源進(jìn)行施工不僅工作難度大、成本高，還會(huì)因?yàn)榧ぐl(fā)層位不到位等因素影響原始單炮記錄，因此為保證野外施工效率及數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，在該區(qū)采用新的震源方式進(jìn)行施工勢在必行。

2 兩種震源優(yōu)缺點(diǎn)分析

炸藥震源與可控震源優(yōu)缺點(diǎn)分析，見表1。

表1 炸藥震源與可控震源優(yōu)缺點(diǎn)分析Table 1 Analysis of the advantage and disadvantage of explosive source and controllable source

2.1 炸藥震源

炸藥震源在地震勘探中的應(yīng)用已有100多年的歷史，主要優(yōu)點(diǎn)是激發(fā)能量強(qiáng)，產(chǎn)生地震信號頻譜較寬；在井中爆破時(shí)能夠有效降低面波干擾，但對激發(fā)點(diǎn)周圍巖性及環(huán)境破壞大，受外界信號干擾大[2]。

從激發(fā)巖性的角度考慮，在沙土淤泥等層位爆破時(shí)，由于能量大部分會(huì)被吸收，有效爆破能量較??；且在石灰?guī)r或礫石層爆破時(shí)，雖然能夠產(chǎn)生高頻地震波，但由于大地對高頻信號的吸收衰減作用，真正傳入地下的有效波能量有限，也會(huì)造成激發(fā)的地震波能量不強(qiáng)，影響接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

在野外工作中通常應(yīng)選取潛水位或者潮濕的塑形層位作為激發(fā)層位，這類地層可使炸藥震源爆破中的絕大多數(shù)能量轉(zhuǎn)化為有效能量向地下傳遞，同時(shí)能夠最好的發(fā)揮炸藥震源的激發(fā)優(yōu)點(diǎn)[3]。

2.2 可控震源

相對于炸藥震源來說，可控震源作為地震勘探方法中的另一種新方法，具有安全環(huán)保，施工簡單等特點(diǎn)，且產(chǎn)生的地震信號頻率可以人為調(diào)節(jié)。根據(jù)淺層地表?xiàng)l件、響應(yīng)特性和勘探目標(biāo)層深度等特征，選擇合適的激發(fā)頻寬，可以顯著提高地震數(shù)據(jù)質(zhì)量[4]。

另外可控震源受外界信號干擾較小，通過相關(guān)處理可對噪音信號有較強(qiáng)的濾波作用；且其采用連續(xù)掃描信號，可以增強(qiáng)波的穿透能力，能夠有效提高反射波能量[5]。但得到的地層反射信號不能直接使用，需要經(jīng)過一系列的相關(guān)處理以后才能轉(zhuǎn)化為近似炸藥震源取得的信號，另外對施工區(qū)需要具有適宜的車輛通行能力。

3 施工效果分析

根據(jù)研究區(qū)的情況，在區(qū)內(nèi)分別選擇了兩個(gè)試驗(yàn)段展開炸藥震源與可控震源施工效果對比實(shí)驗(yàn)：一號試驗(yàn)段剖面長度4 km；二號試驗(yàn)段剖面長度3.5 km。試驗(yàn)段內(nèi)有耕地、草地、林地及半沙化地等，涵蓋了研究區(qū)內(nèi)所有的地貌條件，作為試驗(yàn)段具有代表性。

本次數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為中間激發(fā)、雙邊接收的反射波法觀測系統(tǒng)(圖1)。道間距10 m，炮間距40 m，20次覆蓋，160道接收，0.5 ms采樣率，記錄長度2 s，60 Hz檢波器。炸藥震源采用12 m的生產(chǎn)井深、3 kg的激發(fā)藥量、0 m偏移距進(jìn)行生產(chǎn)[6]。

圖2和圖3分別為一號試驗(yàn)段內(nèi)兩個(gè)典型炸藥震源單炮記錄，對于低信噪比記錄而言，導(dǎo)致其產(chǎn)生的主要原因是激發(fā)層位不準(zhǔn)或炸藥藥量不到位，淺水面上低速層激發(fā)，整體能量吸收嚴(yán)重，同時(shí)又被強(qiáng)反射界面向上反射，致使原始單炮記錄信噪比較低；其中淺部、中部反射波同相軸被面波掩蓋，只有深部出現(xiàn)反射同相軸等情況，整體面波干擾較大，對后期數(shù)據(jù)處理要求較高，有時(shí)甚至得進(jìn)行返工處理。

圖2 炸藥震源高信噪比原始單炮記錄Fig.2 Original single shot record with high signal-to-noise ratio for the explosive source

圖3 炸藥震源低信噪比原始單炮記錄Fig.3 Original single shot record with low signal-to-noise ratio for the explosive source

可控震源采用如下激發(fā)參數(shù)：震動(dòng)臺次1臺×3次，掃描頻率8～96 Hz，升頻掃描，掃描長度12 s，驅(qū)動(dòng)電平75%。

圖4為一號試驗(yàn)段內(nèi)可控震源原始單炮記錄，由圖4可見其淺、中、深部均有反射波同相軸出現(xiàn)，但在淺部不同程度地存在一些隨機(jī)干擾和面波干擾，致使淺部反射波受到一定壓制；此類情況可根據(jù)實(shí)際激發(fā)點(diǎn)(如沙丘、松散覆蓋區(qū)等激發(fā)條件較差地段)，采取增加垂直疊加次數(shù)(3～6次)、增大掃描時(shí)間(12～15 s)等措施來改善激發(fā)效果，進(jìn)而提高資料的信噪比[7]。

4 疊后資料對比

圖5和圖6為一號試驗(yàn)段炸藥震源和可控震源的疊加時(shí)間剖面。由兩條疊加剖面可以看出炸藥震源和可控震源在剖面反射波組形態(tài)上相近，主要區(qū)別在于淺部，炸藥震源淺部同相軸的連續(xù)性、頻率均高于可控震源[8]。分析其原因主要有兩個(gè)：一是可控震源自身局限性所致，地表震源產(chǎn)生的地滾波較強(qiáng)，勢必影響淺部資料的信噪比；二是試驗(yàn)段震動(dòng)次數(shù)為2～3次，在激發(fā)條件較差地段疊加次數(shù)不足，壓制淺部噪聲，效果欠佳。

圖5 一號試驗(yàn)段炸藥震源激發(fā)疊加時(shí)間剖面Fig.5 Time profile of explosive source excitation superposition in the test section No.1

圖6 一號試驗(yàn)段可控震源激發(fā)疊加時(shí)間剖面Fig.6 Time profile of controllable source excitation superposition in the test section No.1

針對在一號試驗(yàn)段施工時(shí)激發(fā)能量稍有不足的問題，在二號試驗(yàn)段將震動(dòng)次數(shù)增加至5次，掃描時(shí)間延長至14 s，激發(fā)能量得到增強(qiáng)，隨機(jī)干擾及噪聲信號得到較好的壓制；同時(shí)將掃描頻帶擴(kuò)寬為10～110Hz，使得接收到的反射波信息更為豐富，整體信號分辨率得到提高。圖7和圖8為二號試驗(yàn)段炸藥震源與可控震源的疊加時(shí)間剖面，由兩條疊加剖面可以看出兩者反射波組形態(tài)一致，數(shù)量一致，在連續(xù)性上可控震源激發(fā)剖面優(yōu)于炸藥激發(fā)剖面。從剖面整體上看，兩者數(shù)據(jù)信噪比均較好，但可控震源所成剖面圖清晰，分辨率更高[9]。

圖7 二號試驗(yàn)段炸藥震源激發(fā)疊加時(shí)間剖面Fig.7 Time profile of explosive source excitation superposition in the test section No.2

圖8 二號試驗(yàn)段可控震源激發(fā)疊加時(shí)間剖面Fig.8 Time profile of controllable source excitation superposition in the test section No.2

5 結(jié)論與認(rèn)識

通過對炸藥震源和可控震源的優(yōu)缺點(diǎn)分析，以及松遼盆地西南部地區(qū)野外地震資料對比分析可知：

1)在松遼盆地西南部地區(qū)使用可控震源代替炸藥震源進(jìn)行施工是切實(shí)可行的，且相比炸藥震源可控震源更加安全環(huán)保；

2)在此類地區(qū)，與炸藥震源相比可控震源相受外界信號干擾較小，施工簡單，且可以根據(jù)不同地震地質(zhì)條件隨時(shí)調(diào)整激發(fā)參數(shù)用來提高野外數(shù)據(jù)的質(zhì)量；

3)本文的研究為后期可控震源在該類地區(qū)的使用奠定了基礎(chǔ)，相比于炸藥震源而言優(yōu)，先選用可控震源來進(jìn)行野外施工是未來野外工作發(fā)展的方向與趨勢。