大容量氣槍震源在陸內(nèi)反射地震探測(cè)中的應(yīng)用*

王宏偉，田曉峰，酆少英，秦晶晶，譚雅麗，魏學(xué)強(qiáng)

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

0 引言

反射地震探測(cè)技術(shù)作為地球物理學(xué)家研究地球的主要手段之一，被廣泛應(yīng)用于盆地、造山帶巖石圈的構(gòu)造演化，地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究，地震孕育和發(fā)生的深、淺構(gòu)造環(huán)境探測(cè)，地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域(酆少英等，2015；劉保金等，2017；高銳等，2006；王偉濤等，2009)。為了獲取整個(gè)地殼、Moho面乃至上地幔的反射圖像，反射地震探測(cè)通常采用炸藥震源進(jìn)行人工地震波激發(fā)，但炸藥震源對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重、信號(hào)可重復(fù)性低、人工操作危險(xiǎn)，在使用中受到越來(lái)越多的限制(顧廟元等，2016)。因此，研發(fā)可替代炸藥震源并滿(mǎn)足環(huán)保、高效、安全的新型人工震源是當(dāng)前地震勘探領(lǐng)域的迫切需求。

氣槍震源作為地震勘探震源最早應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域，主要以高壓大容量單槍為主(陳浩林等，2008)。隨著氣槍理論和陣列技術(shù)的不斷發(fā)展，氣槍震源逐漸發(fā)展成為一種重復(fù)性好、綠色環(huán)保、信號(hào)穩(wěn)定的人工激發(fā)源(楊微等，2013；王偉濤等，2017)，并在海洋油氣勘探中獲得顯著成效(吳志強(qiáng)等，2013；李緒宣等，2016)。近年來(lái)，氣槍震源激發(fā)技術(shù)逐漸被引入到陸內(nèi)區(qū)域尺度地下結(jié)構(gòu)探測(cè)領(lǐng)域，多用于減輕自然資源災(zāi)害和地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)(王寶善等，2011；Wang，2018)。陳颙等(2017)利用氣槍震源在云南賓川、新疆呼圖壁和甘肅張掖進(jìn)行地震信號(hào)激發(fā)，在5 000次信號(hào)疊加后，最遠(yuǎn)追蹤距離約1 300 km，最大探測(cè)深度達(dá)到60 km。林建民等(2008)通過(guò)分析河北上關(guān)湖大容量氣槍觀測(cè)數(shù)據(jù)，成功提取Pg、Pc和Pn信號(hào)，正演獲得探測(cè)區(qū)殼幔速度結(jié)構(gòu)。蘇金波等(2015)對(duì)北天山地區(qū)的氣槍信號(hào)振幅隨距離衰減關(guān)系和介質(zhì)衰減特征進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，與天然地震相同頻率的氣槍震源P波振幅的衰減比S波快，相同頻率下，氣槍震源擬合得出的和值均比天然地震得出的值高。邱學(xué)林等(2007)在南海北部進(jìn)行大容量氣槍震源的海陸聯(lián)測(cè)試驗(yàn)，首次利用陸上固定地震臺(tái)站記錄到遠(yuǎn)距離氣槍信號(hào)，證實(shí)了使用固定地震臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行高精度三維地殼結(jié)構(gòu)探測(cè)和研究的可能。楊微等(2016)在井下5 m深度激發(fā)氣槍震源，單次激發(fā)產(chǎn)生的能量最遠(yuǎn)傳播距離約9 km，經(jīng)過(guò)100次疊加和濾波，在25 km處可檢測(cè)到清晰氣槍信號(hào)。王寶善等(2021)利用城市光纖接收賓川氣槍震源信號(hào)，多次激發(fā)后在地震記錄中可觀測(cè)到清晰目標(biāo)信號(hào)。本文在長(zhǎng)江中下游池州—銅陵段利用大容量氣槍震源陸上流動(dòng)水體激發(fā)產(chǎn)生的反射地震波來(lái)研究地殼結(jié)構(gòu)，該研究不同于海上氣槍探測(cè)與陸內(nèi)非流動(dòng)水域探測(cè)，是一種新方法的嘗試。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及試驗(yàn)概述

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

本文研究區(qū)位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的池州—銅陵段，地處華北斷塊區(qū)、揚(yáng)子斷塊區(qū)與秦嶺—大別褶皺帶3個(gè)構(gòu)造單元交匯處，是我國(guó)重要的鐵、銅、金等金屬礦富集帶(周濤發(fā)等，2012)。該區(qū)基底為晚元古代變質(zhì)巖系，上覆巨厚中生代侏羅、白堊紀(jì)陸河湖相盆地沉積。中生代以前處于長(zhǎng)期隆起并遭受剝蝕狀態(tài)，到燕山期進(jìn)入新的地史發(fā)展階段，巖漿作用與成礦作用劇烈。根據(jù)重力資料反演計(jì)算，區(qū)域地殼厚度約為36～42 km，總體變化存在自北向南、自東向西逐漸增厚趨勢(shì)(湯井田等，2014)。目標(biāo)區(qū)地層出露較好，北部地區(qū)地表出露最老地層為志留紀(jì)，至第四紀(jì)地層均有出露。地層覆蓋除中下泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)部分缺失外，震旦系至第四系均有發(fā)育，地層層序較完整，第四紀(jì)沉積層厚度在4.5 km以上(徐曉春等，2014)。受華北斷塊與揚(yáng)子斷塊碰撞作用，區(qū)內(nèi)褶皺變形、斷裂作用和巖漿活動(dòng)頻繁(呂慶田等，2002)，主要斷裂包括NNE方向的郯廬斷裂帶和NEE向的陽(yáng)新—常州斷裂帶(圖1)。

圖1 地學(xué)“長(zhǎng)江計(jì)劃”測(cè)線(xiàn)位置圖Fig.1 Survey line of the large-capacity airgun source for seismic exploration

1.2 試驗(yàn)概述

2015年10月在安徽銅陵實(shí)施的地學(xué)“長(zhǎng)江計(jì)劃”，是一項(xiàng)針對(duì)長(zhǎng)江流域地下結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化探測(cè)的大型綜合地球科學(xué)探測(cè)。該試驗(yàn)由國(guó)內(nèi)數(shù)家科研院所和機(jī)構(gòu)以及高等院校等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合實(shí)施，中國(guó)地震局地球物理勘探中心承擔(dān)深反射探測(cè)專(zhuān)題。該試驗(yàn)選取長(zhǎng)江中下游池州—銅陵段的流動(dòng)水體(圖1)，采用大容量氣槍震源固定點(diǎn)激發(fā)和走航激發(fā)相結(jié)合的工作方式，沿岸布設(shè)反射地震儀全時(shí)段接收地震波信號(hào)。氣槍震源由4支容量為2 000 in的Bolt L型氣槍組合而成，氣槍陣列沉放水深12 m。走航激發(fā)點(diǎn)點(diǎn)距100～150 m，激發(fā)次數(shù)1次，激發(fā)線(xiàn)長(zhǎng)度59.5 km；固定激發(fā)點(diǎn)4個(gè)，激發(fā)點(diǎn)點(diǎn)距10～20 km，每點(diǎn)連續(xù)激發(fā)100～150次。地震波接收采用固有頻率為10 Hz檢波器串(每串12個(gè))，沿岸共布設(shè)1 802道全排列接收氣槍震源信號(hào)，道間距30 m。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用法國(guó)Sercel公司生產(chǎn)的428XL數(shù)字地震儀，采樣間隔4 ms。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析

2.1 單炮數(shù)據(jù)分析

圖2為大容量氣槍震源單次激發(fā)地震記錄。由圖可以看出，原始資料信噪比較低。由于受長(zhǎng)江航道船舶航行和沿岸生產(chǎn)、生活影響，地震記錄中各類(lèi)干擾波發(fā)育，包括固定源干擾、環(huán)境噪聲、面波、多次反射、折射波和隨機(jī)干擾等，噪聲頻帶寬(2～80 Hz)、能量強(qiáng)、有效信號(hào)識(shí)別困難。近炮點(diǎn)地震道初至起跳明顯，最大可識(shí)別距離約為13 km，部分記錄可分辨出局部有效反射波信號(hào)。遠(yuǎn)炮點(diǎn)地震道信號(hào)普遍較差，初至識(shí)別困難，噪音信號(hào)影響地震道整個(gè)雙程走時(shí)(TWT)。雙程走時(shí)10～11 s可識(shí)別局部同向反射波組，推測(cè)可能是Moho面在剖面上的反映。

圖2 原始單炮記錄及信噪比分析時(shí)窗Fig.2 Original single-shot record and the time window of SNR analysis

為研究垂直疊加技術(shù)在氣槍信號(hào)增強(qiáng)、噪聲干擾壓制方面的效果，試驗(yàn)在航道不同航段設(shè)計(jì)4個(gè)固定激發(fā)點(diǎn)，航船進(jìn)行拋錨定點(diǎn)重復(fù)激發(fā)。對(duì)固定點(diǎn)激發(fā)的單炮記錄進(jìn)行垂直疊加，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)疊加次數(shù)超過(guò)50次，可以有效提高資料信噪比，地震信號(hào)能量明顯增強(qiáng)，隨機(jī)干擾壓制明顯(王宏偉等，2020)，最大可識(shí)別距離約為39 km。

為精確評(píng)價(jià)原始單炮記錄信噪比在時(shí)間和空間的分布情況，本文采用信噪比定量分析技術(shù)，分析結(jié)果決定后續(xù)數(shù)據(jù)處理流程的制定及參數(shù)的選取。其基本原理為：①對(duì)時(shí)窗數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波；②基于互相關(guān)算法，相鄰兩道互相關(guān)作為有效信號(hào)，單道自相關(guān)作為總能量，噪音能量為總能量與有效信號(hào)能量差；③信噪比為有效信號(hào)與噪音信號(hào)的比值。

對(duì)同一單炮記錄相同偏移距、不同時(shí)窗(圖2紅色時(shí)窗)數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪比分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1：在淺層(2～5 s)時(shí)窗范圍內(nèi)，3個(gè)頻帶的信噪比均大于1，有效信號(hào)強(qiáng)于噪音信號(hào)；中深層(5～8 s)和深層(8～12 s)時(shí)窗范圍內(nèi)，3個(gè)頻帶的信噪比均小于1，噪音信號(hào)強(qiáng)于有效信號(hào)。以上表明在相同頻率下，淺層和深層信噪比整體高于中深層，優(yōu)勢(shì)頻帶集中在5～40 Hz。

表1 相同偏移距、不同時(shí)窗信噪比Tab.1 The SNR of the same offset and different time windows

對(duì)同一單炮記錄不同偏移距、不同時(shí)窗范圍(圖2中紫色、綠色、藍(lán)色、黃色時(shí)窗)數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪比分析，分析結(jié)果如表2所示：相同頻帶內(nèi)，隨著偏移距增大，信噪比主要表現(xiàn)為逐漸降低。頻率為10～20 Hz時(shí)，信噪比由5.0降至2.9。同一時(shí)窗下，低頻信號(hào)占主要成分，信噪比較高，高頻信號(hào)能量較弱，信噪比較差。

表2 不同偏移距、不同時(shí)窗信噪比Tab.2 The SNR of the different offsets and different time windows

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)分析

合理的觀測(cè)系統(tǒng)定義是獲得高質(zhì)量成像效果的關(guān)鍵(劉斌等，2015)。本次試驗(yàn)受地形影響，炮檢線(xiàn)呈非重合彎線(xiàn)分布，測(cè)線(xiàn)兩端彎曲度較大，方向偏轉(zhuǎn)近90°，造成炮檢中心分布不均且發(fā)散嚴(yán)重，整體呈不規(guī)則“啞鈴”狀(圖3)。激發(fā)點(diǎn)線(xiàn)與接收點(diǎn)線(xiàn)最小偏移距為0.41 km，最大偏移距為50.84 km。大炮檢距共中心點(diǎn)主要分布在激發(fā)-接收線(xiàn)的中南部區(qū)域，絕對(duì)值多大于25 km。在激發(fā)-接收線(xiàn)附近區(qū)域內(nèi)，共中心點(diǎn)的炮檢距絕對(duì)值一般小于25 km。

圖3 不同炮檢偏移距共中心點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution of common center points of different offsets

根據(jù)炮檢分布位置，分別計(jì)算深度5、10、25、30 km，反射角30°、45°、60°的共中心點(diǎn)分布，面元分布范圍隨地層深度和反射角度的增加逐漸增大(秦晶晶等，2020)。常規(guī)的二維共中心點(diǎn)疊加，采用在不同單炮記錄中選取具有共同炮檢中點(diǎn)位置的道，這些道記錄的地震波為地下同一點(diǎn)的反射信息，經(jīng)動(dòng)校正處理后將各道疊加。二維直線(xiàn)測(cè)線(xiàn)，共中心點(diǎn)連線(xiàn)與測(cè)線(xiàn)重合，即剖面輸出位置。

由于觀測(cè)系統(tǒng)為二維非縱測(cè)線(xiàn)，炮檢關(guān)系復(fù)雜，激發(fā)點(diǎn)線(xiàn)與接收點(diǎn)線(xiàn)均為曲線(xiàn)且互不重合，常規(guī)2D處理方法不再適用，因此在對(duì)實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，借鑒3D數(shù)據(jù)處理方法，采用針對(duì)銅陵試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的彎線(xiàn)面元方法作為處理基礎(chǔ)，并對(duì)不同面元網(wǎng)格設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，從疊加效果評(píng)判網(wǎng)格的優(yōu)劣。按照彎線(xiàn)面元?jiǎng)澐衷瓌t，采用不同的面元網(wǎng)格設(shè)計(jì)方案(圖4)：偏移距中點(diǎn)連線(xiàn)(MID)網(wǎng)格及最大覆蓋次數(shù)(SMA)網(wǎng)格。

(a)MID網(wǎng)格 (b)SMA網(wǎng)格圖4 不同面元網(wǎng)格設(shè)計(jì)輸出剖面位置圖Fig.4 Location of output section line by diffetent bin grids

圖4中使用不同共中心點(diǎn)面元選取方法，得到的剖面輸出位置存在一定的差異。主要差異位于測(cè)線(xiàn)中南段。在網(wǎng)格尺寸一致的前提下，SMA網(wǎng)格包含的共中心點(diǎn)更多且彎曲度較小，MID網(wǎng)格南部共中心點(diǎn)僅落入網(wǎng)格的1/2，且網(wǎng)格線(xiàn)彎曲度較大。

對(duì)根據(jù)不同輸出剖面線(xiàn)獲得的線(xiàn)性疊加效果進(jìn)行對(duì)比：在相同面元網(wǎng)格條件下，SMA輸出剖面線(xiàn)疊加結(jié)果品質(zhì)好于MID輸出剖面線(xiàn)疊加效果，目標(biāo)層段(9～11 s)SMA疊加剖面的信噪比、波組連續(xù)性和穩(wěn)定性均優(yōu)于MID疊加剖面。分析原因是由于SMA較MID方法面元網(wǎng)格中的共中心點(diǎn)數(shù)量更多，提高了道集覆蓋次數(shù)，有效信號(hào)能量增強(qiáng)，干擾信號(hào)得到壓制。為了兼顧地下不同方位角、不同深度的成像效果及疊加剖面的信噪比，最終選擇沿其中心點(diǎn)面元最大覆蓋次數(shù)方向進(jìn)行資料處理。

2.3 疊加剖面分析

圖5為利用最大覆蓋次數(shù)網(wǎng)格得到的疊加剖面及解釋圖。由圖可見(jiàn)：淺部信息在測(cè)線(xiàn)兩端炮檢距較小部位有部分顯示，在測(cè)線(xiàn)中北部，由于炮檢距較大，導(dǎo)致剖面15～45 km存在不同程度缺失，最大缺失位置在31 km處，缺失范圍為雙程走時(shí)TWT 1.5 s內(nèi)淺地層信息；3～5 s存在一個(gè)反射能量強(qiáng)、可連續(xù)追蹤的反射波組界面C，界面形態(tài)在剖面SW段表現(xiàn)為下凹，NE段表現(xiàn)為上隆。5.5～6.5 s存在一個(gè)明顯波阻抗界面T，T界面表現(xiàn)為近水平形態(tài)。10～12 s存在一組強(qiáng)反射波組條帶，由2～3個(gè)反射同向軸組成，在剖面上可連續(xù)追蹤，整體呈SW向傾斜，時(shí)間從11.5 s抬升到約10.0 s，總體抬升約1.5 s。T反射波界面在樁號(hào)約27 km處出現(xiàn)波組不連續(xù)，兩側(cè)波阻抗界面存在垂向位移。樁號(hào)約24 km處，T反射界面也出現(xiàn)一定程度的錯(cuò)斷，由此可推斷在T與T界面上存在一個(gè)傾向SW的正斷層。

圖5 反射疊加時(shí)間剖面及解釋結(jié)果Fig.5 The stacked time section of reflection and its interpretation

已有探測(cè)資料顯示，該地區(qū)上、下地殼分界位于TWT 6.0 s附近(呂慶田等，2015)，對(duì)應(yīng)剖面中T界面。上地殼反射層密集、同相軸彎曲，顯示地層褶皺、形變復(fù)雜。下地殼反射震相相對(duì)簡(jiǎn)單，多為反射能量較弱、連續(xù)性較差的同相軸線(xiàn)段。T界面表現(xiàn)為一個(gè)波阻抗明顯的條帶，介于上下地殼之間。長(zhǎng)江中下游地區(qū)Moho面深度變化較大，在華北斷塊深度約34～35 km，向南逐漸變淺，進(jìn)入揚(yáng)子斷塊，Moho面深度約32～34 km(呂慶田等，2003)，對(duì)應(yīng)剖面中T界面。通過(guò)對(duì)比，無(wú)論是地殼結(jié)構(gòu)劃分或Moho面形態(tài)及埋藏深度，試驗(yàn)探測(cè)結(jié)果與前人獲得的結(jié)論基本一致。

3 討論與結(jié)論

本文利用大容量氣槍震源陸上流動(dòng)水體激發(fā)產(chǎn)生的反射地震波來(lái)研究地殼結(jié)構(gòu)，該研究不同于海上氣槍探測(cè)與陸內(nèi)非流動(dòng)水域探測(cè)(王寶善等，2016)，是一種新方法的嘗試。大容量氣槍作為人工震源，進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)反射地震探測(cè)，探測(cè)結(jié)果不僅與氣槍容量、組合形式、沉放深度密切相關(guān)(李緒宣等，2012)，同時(shí)受觀測(cè)系統(tǒng)、處理方法共同約束。研究采用的氣槍震源為4支容量為2 000 in的Bolt L型大容量氣槍?zhuān)练潘?2 m。受氣槍能量限制及河道周邊噪聲環(huán)境影響，單次激發(fā)產(chǎn)生的地震記錄信噪比普遍偏低，大偏移距與中、深層的信噪通常在1.0以下。初至信號(hào)最大傳播距離約為13 km，經(jīng)多次垂直疊加，能夠有效壓制隨機(jī)干擾，有效信號(hào)最大接收距離明顯提高(Wang，2010)，初至波傳播距離提高至39 km，最大探測(cè)深度達(dá)到36 km(酆少英等，2020)。

受航道及堤岸形態(tài)的限制，本次采集觀測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，造成共中心點(diǎn)發(fā)散嚴(yán)重。數(shù)據(jù)處理中，采用多種彎線(xiàn)輸出剖面線(xiàn)的方法，根據(jù)共中心點(diǎn)的分布范圍和炮檢距大小的分布，設(shè)計(jì)不同面元網(wǎng)格。通過(guò)試驗(yàn)剖面對(duì)比，最終采用最大覆蓋次數(shù)網(wǎng)格作為輸出剖面線(xiàn)，提高面元疊加次數(shù)，限制低信噪比的大炮檢距波場(chǎng)參與疊加，改善彎線(xiàn)面元共中心點(diǎn)離散度，能夠獲得較好成像結(jié)果。

疊加剖面分層明顯，存在3個(gè)明顯反射波組界面，各界面形態(tài)各異，且界面兩側(cè)反射波組特征差異較大。TWT 3～5 s位置存在一個(gè)明顯波阻抗界面C表現(xiàn)為南凹北隆形態(tài)，TWT 5.5～6.5 s位置為上下地殼分界面T，T界面表現(xiàn)為近水平形態(tài)分布，TWT 10～12 s位置為莫霍面，表現(xiàn)為向北逐漸變淺趨勢(shì)，與已有探測(cè)結(jié)果基本吻合。

根據(jù)以上研究結(jié)果本文主要獲得以下結(jié)論：

(1)本文研究通過(guò)大容量氣槍震源激發(fā)得到了反映測(cè)線(xiàn)經(jīng)過(guò)地區(qū)的反射地震疊加剖面，剖面反射信息豐富，地殼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)造特征明顯，莫霍面反射圖像清晰，達(dá)到探測(cè)目的。野外施工中，氣槍震源相較于炸藥震源具有安全、可靠、重復(fù)性好、無(wú)污染的特性，充分說(shuō)明利用大容量氣槍震源進(jìn)行陸內(nèi)反射地震探測(cè)的可行性。

(2)氣槍震源被用于陸內(nèi)流動(dòng)水體激發(fā)時(shí)，應(yīng)選擇噪聲干擾小的河段施工。若干擾信號(hào)無(wú)法避免，則通過(guò)多次垂直疊加，能夠改善地震記錄信噪比，提高氣槍震源探測(cè)距離和探測(cè)深度。

(3)氣槍震源陸內(nèi)流動(dòng)水域激發(fā)、陸上探測(cè)方法，在設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)測(cè)線(xiàn)覆蓋范圍及次數(shù)進(jìn)行論證，在保證勘探目標(biāo)的前提下，測(cè)線(xiàn)優(yōu)先選取彎曲度小、炮檢距小位置。受航道影響造成中心點(diǎn)發(fā)散的，數(shù)據(jù)處理無(wú)法按常規(guī)的2D共中心點(diǎn)疊加方法，按照共中心點(diǎn)面元定義，取一定范圍內(nèi)共中心點(diǎn)道集疊加為該點(diǎn)反射信號(hào)參與數(shù)據(jù)處理，能夠提高剖面質(zhì)量。

項(xiàng)目野外地震數(shù)據(jù)采集由中國(guó)地震局地球物理勘探中心和中石化石油工程有限公司華北分公司共同完成；數(shù)據(jù)處理得到長(zhǎng)安大學(xué)孫淵教授的幫助；兩位匿名審稿專(zhuān)家為本文提出寶貴意見(jiàn)，在此一并表示感謝。