煤田地震可控震源試驗資料量化分析技術(shù)

單 力，李 亮

(1.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，陜西 西安 710026；2.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

對煤田地震野外采集試驗資料進行定量分析，能夠有效地避免因人工分析經(jīng)驗等因素的缺陷，使得試驗資料分析評價結(jié)果更合理、更規(guī)范、更科學(xué)。在野外施工現(xiàn)場對采集的地震試驗記錄資料和生產(chǎn)地震單炮記錄資料，當(dāng)?shù)卣饐闻谟涗涃Y料品質(zhì)達到一定信噪比的基礎(chǔ)上再進行定量分析，最終為煤田地震勘探野外數(shù)據(jù)采集施工參數(shù)的設(shè)定提供依據(jù)，進而達到指導(dǎo)地震勘探野外數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)，保障原始地震勘探資料質(zhì)量。

1 試驗資料量化分析方法

地震勘探試驗資料的量化分析包括信噪比分析、頻率分析、頻時域分析、時頻域分析、能量分析、分頻掃描分析和自相關(guān)分析等。經(jīng)上述分析后，能夠定量、直觀地表示單炮地震記錄的頻率、能量、信噪比等量化信息，進而分析得出地震勘探資料采集的接收、激發(fā)、儀器和環(huán)境背景等因素對采集地震資料質(zhì)量的影響，最終確定最佳的地震勘探野外采集施工參數(shù)和施工方案。其分析流程如圖1所示。

圖1 試驗資料量化分析流程

2 工區(qū)概況

工區(qū)屬于新疆瑪納斯縣管轄區(qū)，勘探區(qū)與101省道之間有簡易公路，里程約5 km，交通條件較差?？碧絽^(qū)大部分區(qū)域有牧道，溝壑縱橫，地形較為陡峭，通行非常困難?？碧絽^(qū)距離瑪納斯縣直線距離約50 km，向東120 km到達烏魯木齊。工區(qū)位于天山北麓低中山區(qū)，屬于自然林區(qū)和草原，植被較為發(fā)育，地勢南高北低，西高東低，海拔高度1 733～1 900 m。

2.1 地層及構(gòu)造

勘查區(qū)內(nèi)出露地層由老至新有：第四系(Q4)現(xiàn)代沉積、頭屯河組(J2t)、西山窯組(J2x)和侏羅系下統(tǒng)三工河組(J1s)。侏羅系中統(tǒng)西山窯組為主要的含煤地層，其含煤性較好，煤層賦存較為穩(wěn)定，煤層數(shù)較多，厚度較大，且在勘探區(qū)內(nèi)全區(qū)賦存。煤層主要賦存于西山窯組，煤層有25層，其中可采煤層為13層，煤層編號為B13-B1號。全區(qū)含煤，該段煤層組合特征為4～5層厚煤層及其間7～8層薄煤層組成。煤層總厚51.06～57.35 m，平均煤層厚度為54.21 m，此段的地層平均厚度約830 m，含煤系數(shù)約6.5%。含可采煤層13層，厚度48.80～53.74 m，平均厚51.27 m，含可采煤系數(shù)為6.2%。煤層總體變化趨勢不大且間距較穩(wěn)定。地層中含煤不均勻，底砂礫巖段中不含煤；下層含煤層段含煤性最好；中層含煤層段含煤性相對略差；上層含煤層段含煤性最差，煤層多為灰分高或煤與炭質(zhì)泥巖的薄層，且沿走向上厚度不穩(wěn)定?？辈閰^(qū)整體為一近東西走向的北傾單斜構(gòu)造，淺部靠近南部急傾斜，傾角在70°～88°，近似直立局部倒轉(zhuǎn)；北部及向深部逐漸變?yōu)橐幌虮本弮A斜單斜構(gòu)造，傾角在15°～35°。淺部沿走向局部被北東和北東向的壓扭性平(推)逆斷層錯斷，規(guī)模不大，對地層形態(tài)影響不大。

2.2 地震地質(zhì)條件

勘探區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系松散黃土，該地層結(jié)構(gòu)松散，地震波傳播速度較低，對地震波的激發(fā)吸收衰減作用較強烈，對進行高分辨率地震勘探極為不利，勘查區(qū)內(nèi)局部地段有坡積物，多由碎石和黃土堆積而成，激發(fā)頻率較低；勘查區(qū)局部區(qū)域有基巖出露，當(dāng)在基巖段震源激發(fā)時，地震波傳播速度較大，有利于進行高分辨率地震勘探，當(dāng)存在基巖段對應(yīng)地表起伏不定時，震源與大地耦合條件較差。本區(qū)主采煤層發(fā)育穩(wěn)定，煤層與上下圍巖地層之間波阻抗存在較大差異，煤層頂板和底板地層為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥巖是良好的地震反射界面，理論上可形成能量較強的地震反射波，勘探區(qū)深部地震地質(zhì)條件較好。綜上所述，勘探區(qū)具備進行地震勘探的地球物理前提條件?？煽卣鹪词且环N高效、安全、經(jīng)濟、環(huán)保的地震勘探激發(fā)方式，在煤田地震勘探中進行了廣泛使用，符合當(dāng)今國家對安全和綠色勘查的要求，同時使用可控震源激發(fā)技術(shù)可有效地避免地震勘探激發(fā)成孔困難和炸藥震源對環(huán)境擾動的影響等工程施工問題。

3 試驗資料分析

本次試驗觀測系統(tǒng)采用中點激發(fā)220道接收，道距10 m，炮距10 m，110次覆蓋，共110炮。采樣率為0.5 ms，記錄長度為4.0 s，記錄格式SEG-D，記錄頻帶為全頻錄制。本次地震勘探試驗工作主要是對可控震源的驅(qū)動幅度、掃描長度、掃描頻率、掃描次數(shù)及震源臺次進行不同參數(shù)對比試驗，對獲取的地震單炮記錄進行定量分析后選擇合理、有效的可控震源激發(fā)參數(shù)，確保獲取的原始地震資料品質(zhì)，更好地完成本次勘探地質(zhì)任務(wù)。

3.1 震源驅(qū)動幅度試驗

可控震源的驅(qū)動幅度選擇要考慮震源車底板和地面的接觸耦合情況。當(dāng)震源車底板與地面的接觸耦合良好時，可適當(dāng)增加震源驅(qū)動幅度以增加激發(fā)能量。當(dāng)?shù)孛娴陌纪共黄綄?dǎo)致震源車的底板與地面的接觸耦合較差時，可以適當(dāng)?shù)亟档涂煽卣鹪吹尿?qū)動幅度，可以消除地震單炮記錄中可能會產(chǎn)生的假象。本次試驗震源驅(qū)動幅度試驗選用1臺震源，掃描長度16 s、掃描次數(shù)1次、掃描頻率4～100 Hz，驅(qū)動幅度分別采用50%、55%、60%、65%、70%、75%得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖2所示。對不同單炮地震數(shù)據(jù)進行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳驅(qū)動幅度，如圖3所示。

圖2和圖3顯示，隨著可控震源的驅(qū)動幅度的升高，能量逐漸增大，但是信噪比逐漸降低。驅(qū)動幅度分別為60%、65%、70%時，頻帶較寬，綜合分析認為70%驅(qū)動幅度參數(shù)最佳。

圖3 不同驅(qū)動幅度單炮記錄能量、信噪比、頻率分析

3.2 掃描頻率試驗

采用可控震源進行地震波激發(fā)時需要給定一定的掃描長度，可控震源輸出頻率是由低向高依次進行掃描，掃描頻率的選擇決定了頻率最低值和最高值。若頻率最低值太小時，低頻信息的振幅能量衰減較為強烈，可控震源此頻率范圍內(nèi)隨著掃描時間變長，能量會損失一部分，頻率最低值的選取有利于低頻率的干擾信號的壓制。在得出最佳驅(qū)動幅度為70%后，選用1臺震源，掃描長度16 s、掃描次數(shù)1次，掃描頻率試驗分別采用4～74 Hz、4～84 Hz、4～100 Hz、4～110 Hz得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖4所示。對不同單炮地震數(shù)據(jù)進行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳掃描頻率，如圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，掃描頻率為4～100 Hz和4～110 Hz激發(fā)時，地震資料信噪比較高；掃描頻率為4～110 Hz時，頻帶較寬。綜合分析選擇4～110 Hz掃描頻率。

圖4 不同掃描頻率試驗記錄

圖5 不同掃描頻率試驗記錄信噪比估算及頻率分析

3.3 掃描長度試驗

可控震源進行地震波激發(fā)時需要給定掃描長度，具體是指可控震源向地下發(fā)射頻段最低值增加到最高值多需要的時間長度，其控制著震源激發(fā)向地下發(fā)射的能量強弱程度，與常規(guī)地震勘探使用的炸藥震源的藥量相同。理論上講隨著掃描長度的增加所激發(fā)的能量會越強，相對應(yīng)的地震記錄信噪比就越高，但并不是掃描長度越長越好，當(dāng)震源激發(fā)掃描長度過長或大于地層彈性形變的有效范圍時，所獲取的地震單炮記錄會出現(xiàn)二次虛波造成假象而導(dǎo)致地震資料分辨率降低。在以上得出最佳驅(qū)動幅度和掃描頻率后，選用1臺震源，掃描次數(shù)1次，掃描長度試驗分別采用8 s、12 s、16 s、20 s得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖6所示。對不同單炮地震數(shù)據(jù)進行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳掃描長度，如圖7所示。

圖6 不同掃描長度試驗記錄

圖7 不同掃描長度試驗記錄能量、信噪比、頻率分析

圖6、7顯示，隨著可控震源掃描長度的變長，地震單炮記錄能量逐漸增大。在12 s和16 s時，信噪比最好，16 s和20 s時頻帶最寬。綜合以上分析認為震源激發(fā)掃描長度選擇16 s比較合適。

3.4 掃描次數(shù)試驗

可控震源的掃描次數(shù)與地震勘探理論中的疊加次數(shù)相似。從地震波能量方面講，可控震源掃描次數(shù)的增加提高了有效地震反射波的能量強度，同時提升了壓制隨即干擾波的能力。在以上得出最佳驅(qū)動幅度、掃描頻率后、掃描長度后，掃描次數(shù)試驗分別進行1次、2次、3次得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖8所示。對不同單炮地震數(shù)據(jù)進行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳掃描次數(shù)，如圖9所示。

圖8和圖9顯示，隨著可控震源掃描次數(shù)升高，對應(yīng)地震單炮記錄能量逐漸增大，頻帶逐漸變寬。2次掃描時信噪比最好，綜合分析選擇2次掃描。

圖8 不同掃描次數(shù)試驗記錄

圖9 不同掃描次數(shù)試驗記錄能量、信噪比、頻率分析

3.5 震源臺次試驗

可控震源激發(fā)可采用 1臺震源或多臺震源進行組合激發(fā)，多臺震源組合進行激發(fā)是為了增強震源向地下發(fā)射的地震波能量強度，若使用1臺震源進行激發(fā)時，會因震源發(fā)力過強將大部分能量浪費在淺薄層低速層中，最終達到壓制地表背景環(huán)境干擾波的目的。并不是施工使用震源臺次越多越好，當(dāng)使用震源臺次增多到一定程度后，地震波能量的疊加會降低有效反射波的主頻，對進行高分辨率的地震勘探方法不利。在以上得出最佳驅(qū)動幅度、掃描頻率后、掃描長度后及掃描次數(shù)后，進行震源臺次的試驗，震源臺次對比試驗分別采用1臺震源激發(fā)、2臺震源組合激發(fā)、3臺震源組合激發(fā)獲取了相對應(yīng)的原始地震單炮數(shù)據(jù)，優(yōu)選最佳震源臺次，如圖10所示。對不同震源臺次單炮記錄進行能量、信噪比、頻率的定量分析，如圖11所示。圖10和圖11顯示，隨著使用的震源臺數(shù)的增多，震源所激發(fā)的地震波能量逐漸增強，對應(yīng)有效地震波頻帶逐漸變寬。但是采用2臺震源激發(fā)時信噪比最好，綜合分析選擇2臺震源激發(fā)。

圖10 不同震源臺次試驗記錄

圖11 不同震源臺次試驗記錄能量、信噪比、頻率分析

4 結(jié)論

地震勘探的試驗地震資料品質(zhì)的決定了正式生產(chǎn)所獲取的地震原始資料的品質(zhì)，同時也決定了后續(xù)地震資料處理和解釋成果以及提交地質(zhì)成果的精度。因此，地震勘探試驗地震資料品質(zhì)的評價在整個地震勘探過程中是一項基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，極其重要。目前在煤田地震勘探工作中對地震單炮記錄品質(zhì)進行評價僅憑技術(shù)人員的經(jīng)驗進行判斷，經(jīng)驗方法僅能達到對地震資料的定性分析，采用地震資料定量分析軟件對地震勘探野外采集的單炮地震記錄進行定量分析，定量分析結(jié)果相對傳統(tǒng)經(jīng)驗方法更加直觀、合理、科學(xué)，能夠更好的指導(dǎo)煤田地震勘探資料采集施工。