鄂爾多斯北部地震勘探可控震源激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)分析

楊曉柳，張 偉，寧媛麗，陳江源，孟 銳，趙 威，朱圣偉

(1.核工業(yè)航測遙感中心，河北石 家莊 050002；2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002；3.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

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣。據(jù)前人勘探成果顯示，區(qū)內(nèi)鈾成礦條件優(yōu)越，具有較好的鈾礦找礦前景。地震勘探作為鈾礦勘查的重要物探手段之一，已在松遼盆地取得了較好的勘探效果。地震信號的激發(fā)源主要分為炸藥震源和可控震源兩種類型，相較于炸藥震源，可控震源具有安全、環(huán)保、施工效率高、激發(fā)參數(shù)可依據(jù)研究區(qū)地表?xiàng)l件的不同進(jìn)行調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)[1]，在國內(nèi)外地震勘探領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。針對該區(qū)地勢較為平坦，地表以草場覆蓋為主，生態(tài)環(huán)境較為脆弱的狀況，選擇可控震源開展地震勘探，克服了炸藥震源對生態(tài)環(huán)境的不利影響?？煽卣鹪醇ぐl(fā)參數(shù)選取是否合理成為了決定地震數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素。因此在正式開展地震數(shù)據(jù)采集之前，需進(jìn)行可控震源激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)，優(yōu)選適合該區(qū)的最佳激發(fā)參數(shù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于伊盟隆起的次級構(gòu)造單元杭錦旗凹陷內(nèi)。基底為新太古界和古元古界變質(zhì)巖系。蓋層包括中—新生界的三疊系(T)、侏羅系(J)、下白堊統(tǒng)(K1)和第四系(Q)，其中三疊系、侏羅系和白堊系是盆地沉積蓋層主體。侏羅系(J)在盆地東部、北東部準(zhǔn)格爾旗呈三角形狀大面積出露，為鄂爾多斯盆地重要的含油、含煤地層之一，由安定組(J3a)、直羅組(J2z)、延安組(J2y)、富縣組(J1f)組成；下白堊統(tǒng)在盆地中部大部分地區(qū)分布，是盆地北部出露最廣的地層，由涇川組(K1j)、羅漢洞組(K1lh)、環(huán)河組(K1h)、洛河組(K1l)組成。其中，下白堊統(tǒng)環(huán)河組是本次研究區(qū)勘探的主要目標(biāo)層[2]。

1.2 地震地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地勢平坦，震源重錘與地面耦合性較好，為可控震源的激發(fā)提供了良好的先決條件。區(qū)內(nèi)多數(shù)地段為軟土覆蓋，局部地段出露砂巖，施工時地震波能量衰減較小，對震源施工有利。此外，研究區(qū)高壓電干擾較少，交通便利，為地震勘探奠定了良好的基礎(chǔ)。

對研究區(qū)的測井資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表1)，下白堊統(tǒng)羅漢洞組與環(huán)河組密度差為(0.3～0.5 )g/cm3，速度差為(0.4～1.3)km/s，密度和速度差異均較大；下白堊統(tǒng)環(huán)河組與洛河組密度差為(0.1～0.4)g/cm3，速度差為(0.5～1.3)km/s，速度差異較大[3]。下白堊統(tǒng)環(huán)河組與上、下地層之間的波阻抗差異較大[4]，能夠形成強(qiáng)反射界面，為研究區(qū)開展地震勘探奠定了較好的物性基礎(chǔ)。

表1 杭錦旗地區(qū)物性參數(shù)

2 可控震源工作原理

可控震源在一段相對較長的時間內(nèi)，可以通過與地表耦合良好的震源重錘連續(xù)不斷地向地下激發(fā)掃描信號，各地層反射回來的信號經(jīng)過相互疊加、干涉形成可控震源原始記錄，利用相關(guān)技術(shù)將混疊信號中的震源反射信號分離出來，形成可用于解釋的常規(guī)地震記錄[5]。

可控震源產(chǎn)生的連續(xù)掃描信號頻譜和基本特性是可以人為調(diào)整的，應(yīng)用最廣泛的掃描信號為線性升頻信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中，f1為掃描頻率的最低頻率，f2為掃描頻率的最高頻率，T為掃描長度，t為時間[6]。

上述參數(shù)選取的是否合理，將直接影響可控震源連續(xù)掃描信號S(t)的好壞，進(jìn)而影響利用可控震源采集得到的地震資料的品質(zhì)。因此在地震數(shù)據(jù)采集之前應(yīng)先進(jìn)行可控震源激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)分析，優(yōu)選適合該研究區(qū)的最佳激發(fā)參數(shù)，以便得到反射能量強(qiáng)、信噪比和分辨率能夠滿足地質(zhì)勘探要求的原始數(shù)據(jù)。

3 激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)

3.1 震動臺次試驗(yàn)

當(dāng)可控震源作為地震信號的激發(fā)源時，多臺震源同時激發(fā)可以增加向地下激發(fā)的信號的能量，同時可避免1臺震源由于出力過大導(dǎo)致能量過多的消耗在地表破碎帶。但是隨著可控震源數(shù)量的增加，疊加能量會導(dǎo)致反射波的主頻降低，從而降低原始地震數(shù)據(jù)的分辨率[7]。此外，更多的震源臺數(shù)組合基距較大，不利于保證初至拾取的精確度[8]?？煽卣鹪磾?shù)量的選擇應(yīng)以激發(fā)的能量能夠滿足最深目標(biāo)層深度為標(biāo)準(zhǔn)。本次研究區(qū)勘探目標(biāo)層為下侏羅統(tǒng)環(huán)河組，環(huán)河組底板埋深不超過750 m，深度較淺，本次試驗(yàn)分別選取了1臺和2臺可控震源進(jìn)行試驗(yàn)。其他激發(fā)參數(shù)：震動次數(shù)4次，掃描長度16 s，掃描頻率6～100 Hz。

由試驗(yàn)單炮記錄(圖1)可知，1臺和2臺震源原始單炮記錄在淺部和中部的反射波均可見，但2臺震源原始單炮記錄的能量更強(qiáng)，連續(xù)性更好。從震動臺次試驗(yàn)對比圖(圖2)可知，2臺震源原始單炮記錄無論是能量還是信噪比均優(yōu)于1臺震源，因此本次采用2臺可控震源激發(fā)。

3.2 震動次數(shù)試驗(yàn)

可控震源激發(fā)時，增加震動次數(shù)，即增加垂直疊加次數(shù)，可加強(qiáng)有效波的能量，壓制隨機(jī)干擾，提高原始地震數(shù)據(jù)的信噪比。但是隨著震動次數(shù)的增加，與有效波頻率相近的干擾波亦會得到加強(qiáng)，從而降低信噪比。當(dāng)震動次數(shù)過多時，可能改變地震記錄的相位，降低分辨率[9]。因此，選取合適的震動次數(shù)，有利于保證原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖1 震動臺次原始單炮記錄

圖2 震動臺次試驗(yàn)對比圖

本次試驗(yàn)進(jìn)行了自3次至8次的震動次數(shù)試驗(yàn)。其他激發(fā)參數(shù)：震動臺次2臺，掃描長度16 s，掃描頻率6～100 Hz。從震動次數(shù)原始單炮記錄(圖3)可知，各震動次數(shù)情況下各深度反射波同相軸均清晰可見，且連續(xù)性較好。據(jù)能量分析圖(圖4a)可知，隨著震動次數(shù)的增加，原始單炮記錄能量逐漸增強(qiáng)。據(jù)信噪比分析圖(圖4b)可知，在高頻60 Hz部分和低頻25 Hz部分3～8次震動信噪比相差不大，在中頻35 Hz部分3～8次震動信噪比先增大后減小，以4次最高。結(jié)合地質(zhì)資料，研究區(qū)內(nèi)目標(biāo)層環(huán)河組埋深在650～750 m之間，由時頻分析可知，該深度上對應(yīng)主頻以35Hz的中頻為主，選取震動次數(shù)4次時目標(biāo)層信噪比最高。綜合考慮激發(fā)能量及資料信噪比，本次選擇4次震動次數(shù)。

圖3 震動次數(shù)原始單炮記錄

從震動次數(shù)試驗(yàn)對比圖(圖4)可知，隨著震動次數(shù)的增加，單炮記錄能量逐漸增強(qiáng)，但增強(qiáng)幅度有限，且當(dāng)震動次數(shù)過多時，甚至?xí)档偷卣鹳Y料的信噪比。

圖4 震動次數(shù)試驗(yàn)對比圖

在2臺震源、震動次數(shù)4次的情況下，分別進(jìn)行了24次、36次、48次、60次覆蓋次數(shù)試驗(yàn)。其他激發(fā)參數(shù)：掃描頻率6～100 Hz，掃描長度16 s，驅(qū)動電平75%。從覆蓋次數(shù)試驗(yàn)對比圖(圖5)可知，隨著覆蓋次數(shù)的增加，地震剖面的反射波組能量增強(qiáng)，構(gòu)造特征愈發(fā)清晰，地震剖面的分辨率顯著提高，增加覆蓋次數(shù)對地震資料信噪比提升效果明顯。綜合考慮目標(biāo)層能量需求及施工效率，此次選擇48次覆蓋次數(shù)。

圖5 覆蓋次數(shù)試驗(yàn)對比圖

3.3 掃描頻率試驗(yàn)

在一定的掃描時間內(nèi)，可控震源激發(fā)的掃描信號的頻率由低到高進(jìn)行輸出，因此掃描頻率的選擇就是對最低頻率和最高頻率進(jìn)行選擇[10]。最低頻率的選擇要有助于壓制低頻干擾波，最高頻率的選擇應(yīng)不高于目標(biāo)層反射波的最高頻率，同時還要考慮可控震源的最高截止頻率，避免對可控震源的破壞[11]。

本次選取了6～80 Hz、6～90 Hz、6～100 Hz、10～80 Hz、10～90 Hz、10～100 Hz等6組頻段進(jìn)行試驗(yàn)。其他激發(fā)參數(shù)：震動臺次2臺，震動次數(shù)4次，掃描長度16 s。由試驗(yàn)單炮記錄(圖6)可知，各頻段淺部、中部反射波均較清晰且連續(xù)性較好。由不同掃描頻率的能量分析圖(圖7a)可知，在最高頻率相同時，單炮能量隨著最低頻率的變化基本不變。由不同掃描頻率的頻譜分析圖(圖7b)可知，各掃描頻段接收低頻端信息無明顯差別，而高頻端頻率越高，頻帶越寬，有助于提高地震資料的分辨率。野外施工采集數(shù)據(jù)時，在不超過震源車截止頻率的前提下，應(yīng)盡量提高掃描信號的頻率，拓寬頻帶范圍，提高地震資料的分辨率，且掃描頻寬應(yīng)大于2.5個倍頻程，同時考慮后期波阻抗反演需要較寬頻帶的地震數(shù)據(jù)。故本次選取6～100 Hz作為掃描頻率參數(shù)。

圖6 掃描頻率原始單炮記錄

圖7 掃描頻率試驗(yàn)對比圖

3.4 掃描長度試驗(yàn)

掃描長度是指可控震源在一次震動過程中，地震信號由低頻至高頻向地下傳播的時間[12]。掃描長度越長，激發(fā)的能量越強(qiáng)，信噪比越高[13]。但當(dāng)掃描長度過長，在可控震源震動的過程中，若超出彈性形變的范圍，可能在地震記錄中產(chǎn)生二次諧波虛像[14]。同時掃描長度的選擇還應(yīng)考慮目標(biāo)層反射波對能量的需求。

為了選取合適的掃描時間，本次試驗(yàn)工作選取了8 s、10 s、12 s、14 s、16 s、18 s等6組掃描長度，其他激發(fā)參數(shù)為震動臺次2臺，震動次數(shù)4次，掃描頻率6～100 Hz。由原始單炮記錄(圖8)可知，隨著掃描長度的增加，淺部能量變化不大，反射波組同相軸數(shù)量、連續(xù)性相似，但中部反射波能量有所增加，掃描長度達(dá)到10 s及以上時，中部反射波能量增加已不明顯。由掃描長度試驗(yàn)對比圖(圖9)可知，掃描長度越長振幅越強(qiáng)，但增強(qiáng)幅度有限；在資料信噪比方面，掃描長度16 s時，在目標(biāo)層主頻帶(35 Hz)內(nèi)信噪比較高，其他頻帶內(nèi)差異不大。綜上分析，選取16 s作為掃描長度參數(shù)。

圖8 掃描長度原始單炮記錄

圖9 掃描長度試驗(yàn)對比圖

3.5 驅(qū)動電平

驅(qū)動電平的選擇主要考慮震源重錘與地面的耦合程度。研究區(qū)地勢平坦，多為草地覆蓋，震源重錘與地面的耦合情況良好，在地震記錄不失真的前提下，應(yīng)盡量提高驅(qū)動電平，增加向地下傳播的能量，提高原始地震數(shù)據(jù)的信噪比[15]。

理論上驅(qū)動電平越高激發(fā)能量越強(qiáng)，同時驅(qū)動電平也受到可控震源本身性能限制。本次試驗(yàn)工作選取70%、75%、80% 3個參數(shù)，其他激發(fā)參數(shù)：震動臺次2臺，震動次數(shù)4次，掃描頻率6～100 Hz，掃描長度16 s。圖10為不同驅(qū)動電平的原始單炮記錄，由圖10可知，3種驅(qū)動電平條件下，淺部反射波同相軸均能較為清晰的顯示，但在70%驅(qū)動電平下，中部同相軸連續(xù)性較差。由驅(qū)動電平試驗(yàn)對比圖(圖11)可知，隨著驅(qū)動電平的提高，能量增強(qiáng)，除驅(qū)動電平70%時整體信噪比略低外，其余參數(shù)下信噪比相似?？紤]到研究區(qū)目標(biāo)層深度對激發(fā)能量的需求及可控震源本身性能，本次驅(qū)動電平選擇75%。

圖10 驅(qū)動電平原始單炮記錄

圖11 驅(qū)動電平試驗(yàn)對比圖

4 試驗(yàn)剖面效果分析

通過對可控震源激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)單炮記錄的定性和定量分析，綜合考慮研究區(qū)的目標(biāo)層埋深、目標(biāo)層頻帶范圍等因素，確定了適合該研究區(qū)的最佳激發(fā)參數(shù)：震動臺次2臺，震動次數(shù)4次，掃描頻率 6～100 Hz，掃描長度16 s，驅(qū)動電平75%，并將該激發(fā)參數(shù)嚴(yán)格應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)采集中。圖12為該地區(qū)測線地震時間剖面，由圖12可見，目標(biāo)層反射波同相軸出現(xiàn)在590～620 ms，波組清晰，信噪比高，連續(xù)性較好，能量中等強(qiáng)度。采集結(jié)果充分說明震源激發(fā)參數(shù)選取得當(dāng)，達(dá)到了最佳激發(fā)效果，有效地提高了地震記錄的信噪比，獲得了高品質(zhì)地震資料。

圖12 試驗(yàn)段地震時間剖面

5 結(jié)論

1)可控震源具有效率高、成本低、安全環(huán)保等特點(diǎn)，滿足當(dāng)前綠色勘查的要求。在地形條件允許的情況下，可控震源是較為理想的地震信號激發(fā)源。

2)數(shù)據(jù)采集時通過增加震動次數(shù)，可壓制隨機(jī)干擾，提高地震數(shù)據(jù)的信噪比，但當(dāng)震動次數(shù)過多時，可能降低地震數(shù)據(jù)的信噪比，影響施工進(jìn)度。因此在野外數(shù)據(jù)采集時，綜合考慮施工進(jìn)度等因素，可通過適當(dāng)降低震動次數(shù)，采用多次覆蓋技術(shù)來提升原始地震數(shù)據(jù)的信噪比。

3)可控震源激發(fā)參數(shù)選取是決定原始地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過對原始單炮記錄、影響資料品質(zhì)的能量、信噪比及頻譜等進(jìn)行定量分析，綜合考慮研究區(qū)地震地質(zhì)條件、目標(biāo)層深度等情況，本次選取震動臺次2臺、震動次數(shù)4次、掃描頻率6～100 Hz、掃描長度16 s、驅(qū)動電平75%，取得了較好的應(yīng)用效果。