可控震源激發(fā)參數(shù)優(yōu)選及應(yīng)用效果

邱慶良，曹乃文，白燁

(1.吉林省煤田地質(zhì)局 102勘探隊(duì)，吉林 通化 135000；2.吉林省煤田地質(zhì)局 203勘探隊(duì)，吉林 四平 136000； 3.吉林省煤田地質(zhì)局 物測(cè)隊(duì)，吉林 長(zhǎng)春 130033)

0 引言

可控震源是一種機(jī)械震源，它是依靠安裝在特種汽車(chē)上的振動(dòng)器連續(xù)沖擊地面而產(chǎn)生地震波動(dòng)，被稱(chēng)為連續(xù)振動(dòng)震源，因?yàn)檎駝?dòng)的連續(xù)時(shí)間和頻率的變化范圍可以人為控制，又稱(chēng)它為可控震源[1]。隨著地震勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)今社會(huì)公共安全和綠色勘查的要求，可控震源采集技術(shù)逐漸被人們所重視。在實(shí)際地震生產(chǎn)中，可控震源不僅具有安全、高效、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，還具有掃描頻率范圍、掃描長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)電平和震動(dòng)次數(shù)等參數(shù)可控的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)具體的工區(qū)地表?xiàng)l件、深層地震地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整，因此可控震源在地震勘探中占據(jù)重要的位置[2]。目前，可控震源已在油氣勘探[3]、煤田勘探[4]、礦產(chǎn)地質(zhì)勘查[5]和城市活斷層探測(cè)[6]等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

文中結(jié)合可控震源技術(shù)在J礦區(qū)煤田地震勘探中的應(yīng)用實(shí)例，介紹了野外施工采集方法的設(shè)計(jì)，詳述了可控震源激發(fā)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)分析，獲得了較高分辨率與信噪比的原始資料，實(shí)際地震時(shí)間剖面質(zhì)量較好，為此類(lèi)地質(zhì)條件下采用可控震源技術(shù)地震勘探提供了一定的參考。

1 工區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

J礦區(qū)位于福順盆地的東北部，通過(guò)對(duì)鄰區(qū)地質(zhì)資料的分析，煤層多賦存于白堊系下統(tǒng)霍林河組(K1h)，地層厚度230～576 m之間，煤層發(fā)育特征為煤層多且薄，可分為上、下兩個(gè)含煤段，下含煤段可采煤層1層，上含煤段可采煤層5層?；袅趾咏M上覆地層為新近系大安組(N1d)，厚度100 m左右，下伏地層為白堊系下統(tǒng)白音高老組(K1by)，厚度11～645 m之間。霍林河組是本次地震勘探的目的層，埋深小于600 m。

1.2 地震地質(zhì)條件

工區(qū)屬平原地貌，地形較為平緩，地表被第四系覆蓋，大范圍存在農(nóng)耕地，由大面積旱田和水田構(gòu)成，工業(yè)電干擾少，鄉(xiāng)村土路發(fā)達(dá)，交通方便，有利于開(kāi)展地震勘探野外工作。但區(qū)內(nèi)淺地表砂礫石層沉積較厚，易造成地震激發(fā)能量散失，且應(yīng)用炸藥震源激發(fā)時(shí)成孔困難；該區(qū)屬北寒溫帶大陸性氣候，干旱多風(fēng)，隨機(jī)干擾嚴(yán)重，因此表、淺層地震地質(zhì)條件一般。

區(qū)內(nèi)煤層較薄，均小于6 m，地震波無(wú)法分辨出單一煤層的厚度，但煤層在霍林河組上、下含煤段內(nèi)沉積較為穩(wěn)定，而且含煤段與圍巖間存在較大的波阻抗差，能形成較強(qiáng)的地震反射波，可以通過(guò)圈定含煤段的范圍來(lái)達(dá)到找煤的目的。因此，中、深層地震地質(zhì)條件較好。

綜上所述，該區(qū)選擇可控震源作為激發(fā)震源，具有以下優(yōu)勢(shì)：一是可控震源在地表激發(fā)避免了使用炸藥震源成孔困難的問(wèn)題；二是可控震源采用了相關(guān)技術(shù)，對(duì)噪聲的壓制效果較好，提高了地震資料的信噪比[7]；三是工區(qū)目的層深度相對(duì)較淺，結(jié)合以往地震勘探經(jīng)驗(yàn)，采用可控震源激發(fā)易實(shí)現(xiàn)目的層對(duì)激發(fā)能量的需求，能夠取得較好的地震效果[8]。

2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)鄰區(qū)地質(zhì)資料的研究，建立了J礦區(qū)地球物理參數(shù)(表1)。根據(jù)空間采樣條件，道距Δx 必須滿(mǎn)足Δx≤λmin/2(λmin為)，結(jié)合最淺目的層橫向分辨率，道距宜小于23 m；考慮到提高空間分辨率的需求，最終選擇道距10 m。通過(guò)對(duì)模型反射系數(shù)、干擾波、視波長(zhǎng)和多次波的綜合分析，最大炮檢距選擇700 m左右可以滿(mǎn)足探測(cè)深度的要求。

表1 J礦區(qū)地球物理參數(shù)Table 1 Geophysical parameters of J mining area

地震采集方法設(shè)計(jì)如下：

1)激發(fā)因素：使用Nomad 65可控震源，該震源是Sercel公司力推的一種大噸位(28 t)可控震源[9]，激發(fā)參數(shù)待試驗(yàn)后確定。

2)儀器因素：使用428 xL數(shù)字地震儀，采樣間隔1 ms，記錄長(zhǎng)度3 s，全波段接收。

3)接收因素：使用主頻為60 Hz的檢波器接收。為達(dá)到壓制隨機(jī)干擾、提升地震資料信噪比的目的，每道采用單串6個(gè)檢波器，2個(gè)檢波器一組，線性組合方式接收(組合基距10 m，組內(nèi)距5 m)。

4)觀測(cè)系統(tǒng)：730-20-10-20-730(道距10 m，偏移距20 m，最大炮檢距730 m，接收道數(shù)144道，中間對(duì)稱(chēng)激發(fā))，炮距20 m，覆蓋次數(shù)36次。

3 可控震源激發(fā)參數(shù)優(yōu)選

可控震源激發(fā)參數(shù)的選取會(huì)直接影響到地震原始資料的分辨率與信噪比，在選擇合適的觀測(cè)系統(tǒng)與接收因素基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的可控震源激發(fā)參數(shù)實(shí)驗(yàn)尤為重要。可控震源的掃描方式應(yīng)用較多的是線性升頻信號(hào)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

X(t)=A(t)sin2π[f1+(f2-f1)t/2T]t,

式中：f1為起始低頻，f2為終止高頻，T為掃描長(zhǎng)度。其在振動(dòng)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的約束要求少，激發(fā)能量在整個(gè)頻帶內(nèi)分布均勻，可控震源激發(fā)時(shí)，在掃描長(zhǎng)度內(nèi)信號(hào)輸出由低到高進(jìn)行，參考信號(hào)如圖1所示。

結(jié)合本區(qū)的地質(zhì)條件和目的層深度，以提高分辨率和信噪比為主要目的，對(duì)可控震源的掃描頻率范圍、掃描長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)電平和震動(dòng)臺(tái)次進(jìn)行了激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)，通過(guò)以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)單炮記錄面貌定性分析和利用軟件對(duì)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)定量分析相結(jié)合的手段，選擇最佳的激發(fā)參數(shù)，保證原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖1 可控震源參考信號(hào)Fig.1 Vibroseis reference signal

3.1 掃描頻率范圍

選擇掃描頻率范圍時(shí)，主要是對(duì)起始低頻(f1)與終止高頻(f2)的選擇。為提高地震資料的分辨率，應(yīng)選擇高主頻和寬頻帶寬度的頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通常情況下，f1選擇越大，對(duì)低頻成分的壓制效果越明顯，雖然該區(qū)目的層較淺，但通過(guò)對(duì)區(qū)域地質(zhì)條件的研究，目的層以下可能發(fā)育有更深的煤層，綜合考慮，f1選擇8 Hz。本次掃描頻率范圍實(shí)驗(yàn)分別對(duì)f2為80 Hz、120 Hz和152 Hz進(jìn)行了頻率分析(固定因素：掃描長(zhǎng)度16 s，驅(qū)動(dòng)電平75%，震動(dòng)臺(tái)次1臺(tái)3次)。

從圖2頻率分析中可以看出，3種實(shí)驗(yàn)參數(shù)差異較小，都具有較高的主頻與頻帶寬度，但是120 Hz和152 Hz的頻帶寬度比80 Hz相對(duì)較寬，并且在25～100 Hz頻段中，120 Hz的相對(duì)振幅要高于152 Hz。所以可控震源掃描頻率范圍選擇8～120 Hz，不僅可以獲得更好的主頻和頻帶寬度，而且相對(duì)振幅更高，可以達(dá)到提高地震資料分辨率與信噪比的目的。

圖2 頻率分析Fig.2 Frequency analysis

3.2 掃描長(zhǎng)度

可控震源向下傳播的是有一定延續(xù)時(shí)間的掃描信號(hào)，這段時(shí)間稱(chēng)為掃描長(zhǎng)度。理論上掃描長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，最大相關(guān)值迅速增加，信噪比也相應(yīng)提高，但并不是越長(zhǎng)越好。因此，選擇合適的掃描長(zhǎng)度，應(yīng)同時(shí)考慮目的層反射波的能量和避免相關(guān)虛象對(duì)記錄質(zhì)量的影響。本次實(shí)驗(yàn)分別對(duì)12、20和28 s掃描長(zhǎng)度進(jìn)行了分析(固定因素：掃描頻率范圍8～120 Hz，驅(qū)動(dòng)電平60%，震動(dòng)臺(tái)次2臺(tái)3次)。

圖3為掃描長(zhǎng)度試驗(yàn)單炮記錄對(duì)比，3種試驗(yàn)參數(shù)在400 ms以上反射波沒(méi)有明顯區(qū)別，其中400～500 ms之間的反射波在20 s和28 s的記錄上也只是稍有改善。顯而易見(jiàn)，通過(guò)以往經(jīng)驗(yàn)定性分析單炮記錄面貌的手段，并不能很好地確定哪個(gè)參數(shù)更優(yōu)，需要結(jié)合定量分析進(jìn)行選取。圖4中，對(duì)3種試驗(yàn)參數(shù)分別進(jìn)行了能量分析、信噪比分析和頻率分析。可以看出：能量分析中，隨著掃描長(zhǎng)度的增加，反射波能量增加明顯；信噪比分析中，3種試驗(yàn)參數(shù)差異較小，20 s最高，28 s反而最低，推測(cè)為該試驗(yàn)炮錄入了環(huán)境隨機(jī)干擾所致；頻率分析中，反射波主頻和頻帶寬度無(wú)明顯區(qū)別，但在主頻范圍內(nèi)20 s的相對(duì)振幅更高?？紤]到20 s也可以獲得較好的能量，所以可控震源掃描長(zhǎng)度選擇20 s。

圖3 不同掃描長(zhǎng)度試驗(yàn)單炮記錄對(duì)比Fig.3 Comparison of single shot records with different scanning length test

圖4 掃描長(zhǎng)度試驗(yàn)參數(shù)分析Fig.4 Parameter analysis of scanning length test

3.3 驅(qū)動(dòng)電平

所謂的驅(qū)動(dòng)電平，就是震源出力的選擇，震源出力越大，激發(fā)能量越高。但出力增加到一定程度時(shí)，不一定能增加掃描信號(hào)的下傳能量，而是增加了諧波成分[10]。驅(qū)動(dòng)電平的選擇，應(yīng)主要考慮震源底板與地表的耦合情況。當(dāng)震源底板與地表耦合較好時(shí)，一般選擇較大的出力，以增加激發(fā)能量，有利于改善地震記錄品質(zhì)。當(dāng)震源底板與地表耦合較差時(shí)(凹凸地表、公路和基巖出露等)，可適當(dāng)降低震源出力，防止脫耦現(xiàn)象的產(chǎn)生，以避免地震記錄中可能產(chǎn)生的假象[11-12]。

工區(qū)地表主要被第四系覆蓋，地形較為平緩，且無(wú)基巖出露，但農(nóng)耕地較多，破壞了地表平整度，對(duì)震源平板與地表的耦合效果有一定的影響。本次試驗(yàn)分別對(duì)70%、60%、50%和40%出力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，4種試驗(yàn)參數(shù)均可以獲得較好的地震記錄。所以可控震源驅(qū)動(dòng)電平選擇為60%，測(cè)線進(jìn)入村屯，在民房附近激發(fā)時(shí)，可適當(dāng)降低震源出力，以免造成環(huán)境破壞，引起民事糾紛。

3.4 震動(dòng)臺(tái)次

3.4.1 震源臺(tái)數(shù)

震源臺(tái)數(shù)越多，激發(fā)能量越大，多臺(tái)震源組合激發(fā)不僅可以達(dá)到壓制干擾的目的，同時(shí)可以避免單臺(tái)震源出力過(guò)大使能量過(guò)多損耗在地表破碎帶中。該區(qū)目的層深度小于600 m，相對(duì)較淺，對(duì)能量的需求不是很高。本次試驗(yàn)分別對(duì)1臺(tái)和2臺(tái)震源進(jìn)行了分析(固定因素：掃描頻率范圍8～120 Hz，掃描長(zhǎng)度20 s，驅(qū)動(dòng)電平60%，震動(dòng)次數(shù)1次)。

圖5為1臺(tái)震源與2臺(tái)震源單炮記錄對(duì)比，可以看到，使用2臺(tái)震源組合激發(fā)的單炮記錄面貌明顯強(qiáng)于1臺(tái)震源激發(fā)，尤其淺部地震反射波連續(xù)性得到了極好的改善，所以可控震源臺(tái)數(shù)選擇2臺(tái)。

圖5 1臺(tái)震源(a)與2臺(tái)震源(b)單炮記錄對(duì)比Fig.5 Comparison of single shot records between one source(a) and two sources(b)

3.4.2 震動(dòng)次數(shù)

圖6為震動(dòng)次數(shù)試驗(yàn)參數(shù)分析。能量分析中，隨著震動(dòng)次數(shù)的增加，反射波能量增加明顯；信噪比分析中，4種實(shí)驗(yàn)參數(shù)基本相同，3次震動(dòng)相對(duì)于其他參數(shù)略高；頻率分析中，反射波主頻和頻帶寬度無(wú)明顯區(qū)別，但在主頻范圍內(nèi)，震動(dòng)次數(shù)越多，相對(duì)振幅越大。由于本區(qū)采用掃描長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以可控震源震動(dòng)次數(shù)選擇3次，既可以保證有足夠的能量，又具有較高的信噪比。

圖6 震動(dòng)次數(shù)試驗(yàn)參數(shù)分析Fig.6 Parameter analysis of vibration frequency test

最終確定可控震源激發(fā)參數(shù)為：①掃描頻率范圍：8～120 Hz；②掃描長(zhǎng)度：20 s；③驅(qū)動(dòng)電平：60%；④震動(dòng)臺(tái)次：2臺(tái)3次。

4 工程實(shí)例分析

采用以上施工參數(shù)，經(jīng)過(guò)精細(xì)的資料處理，得到了較好的地震成果剖面(圖7)。該區(qū)由淺至深，共解釋了4組特征明顯的反射波，分別為T(mén)0、T1、T2和T3，解釋斷層1個(gè)，命名為FD，正斷層性質(zhì)。

通過(guò)標(biāo)定，T0反射波對(duì)應(yīng)新近系大安組(N1d)底界面反射層，T1反射波對(duì)應(yīng)白堊系下統(tǒng)霍林河組上部泥巖段(K1h2+n)界面反射層，T2反射波對(duì)應(yīng)白堊系下統(tǒng)霍林河組上含煤段(K1h2+M)界面反射層，T3反射波對(duì)應(yīng)白堊系下統(tǒng)霍林河組(K1h)底界面反射層。煤系底為白堊系下統(tǒng)白音高老組(K1by)。

T2和T3為主要反射波，T2反射波能量強(qiáng)，連續(xù)性好，信噪比較高，一般表現(xiàn)為兩個(gè)強(qiáng)相位特征，可連續(xù)追蹤解釋?zhuān)籘3反射波能量較強(qiáng)，連續(xù)性較好，信噪比較高，一般表現(xiàn)為兩個(gè)強(qiáng)相位特征，基本可連續(xù)追蹤解釋。

圖7 J礦區(qū)地震時(shí)間剖面Fig.7 Seismic time profile of mining area J

經(jīng)鉆探驗(yàn)證，地震解釋成果與鉆探揭露成果基本吻合(表2)，地震解釋滿(mǎn)足規(guī)范要求[15]。煤層基本賦存于T1和T2反射波之間，ZK1在278～337 m鉆遇6層煤，煤層厚度0.3～1.1 m，ZK2在266～314 m鉆遇8層煤，煤層厚度0.3～1.4 m。全區(qū)鉆孔揭示，盆地內(nèi)沉積煤層較多，較厚煤層4～5層，最厚煤層5.6 m。

通過(guò)對(duì)沉積相與地震相的分析，J礦區(qū)內(nèi)僅發(fā)育有上含煤段，并未發(fā)現(xiàn)明顯的下含煤段地震反射波特征與地層特征。說(shuō)明受地質(zhì)構(gòu)造影響，下含煤段在J礦區(qū)中沉積缺失，但該構(gòu)造在J礦區(qū)內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)，初步推測(cè)應(yīng)存在于鄰區(qū)或鄰區(qū)與J礦區(qū)之間。

表2 鉆探驗(yàn)證情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Drilling verification Statistics

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)通過(guò)定性分析地震記錄面貌和定量分析地震記錄的頻率、能量以及信噪比相結(jié)合，能夠選取更優(yōu)的采集參數(shù)，進(jìn)而獲得質(zhì)量較高的地震原始資料。

2)掃描頻率范圍的選取應(yīng)以頻率分析為主，通過(guò)對(duì)比地震反射波的主頻、頻帶寬度以及振幅，最終確定合理的掃描低頻和掃描高頻。

3)通過(guò)增加掃描長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)電平和震動(dòng)臺(tái)次的方式，均可以達(dá)到增加地震反射波能量的目的，進(jìn)而提升地震資料的信噪比。

4)驅(qū)動(dòng)電平的選擇更多地要考慮工區(qū)地表?xiàng)l件，以震源平板與地表的耦合情況為主，耦合較好時(shí)，可以適當(dāng)選擇大出力來(lái)增加激發(fā)能量，但耦合較差地區(qū)，應(yīng)適當(dāng)減小出力，避免在震動(dòng)過(guò)程中發(fā)生脫耦導(dǎo)致的地震記錄中可能產(chǎn)生的假象。

5)與炸藥震源對(duì)比，利用可控震源施工組織更加簡(jiǎn)單，大大降低了成本投入，節(jié)省社會(huì)資源，同時(shí)在生產(chǎn)安全方面也具有一定的優(yōu)勢(shì)。