電火花震源在城市地質(zhì)調(diào)查三維地震勘探中的應(yīng)用

陳杰，劉金輝，曹莉蘋，何洪森，王強(qiáng)

電火花震源在城市地質(zhì)調(diào)查三維地震勘探中的應(yīng)用

陳杰1，劉金輝1，曹莉蘋2，何洪森1，王強(qiáng)1

（1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川省煤田地質(zhì)局，成都 610072）

三維地震勘探在城市地質(zhì)調(diào)查中起著重要作用，而地震震源的選擇是關(guān)鍵問題。本次選用的電火花震源具有安全經(jīng)濟(jì)環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。以實(shí)際工作為例，通過試驗(yàn)對(duì)比優(yōu)選電火花震源激發(fā)因素（激發(fā)能量，激發(fā)井深），獲得了較好的單炮地震記錄，處理后的疊加地震剖面信噪比較高、能量大、分辨率較高，可以真實(shí)反映淺層地質(zhì)特征，證實(shí)了電火花震源激發(fā)地震波的有效性。實(shí)踐表明，電火花震源在城市淺層地震勘探中具有較好的應(yīng)用前景。

電火花震源；三維地震；城市地質(zhì)

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市地質(zhì)調(diào)查工作在城市規(guī)劃建設(shè)中起著越來越重要的作用，部分城市構(gòu)建了地質(zhì)工作服務(wù)城市規(guī)劃管理的常態(tài)化機(jī)制（張茂省等，2018；程光華等，2018）。三維地震勘探可以為三維地質(zhì)建模、地上地下一體化展示提供地下地層信息、斷層信息以及特殊地質(zhì)體信息等，是城市地質(zhì)調(diào)查地下空間探測(cè)中的一項(xiàng)重要工作（趙鐠等，2017；李萬(wàn)倫等，2018；武斌等，2019）。地震波的激發(fā)效果直接影響了地震資料的品質(zhì)、是決定地震勘探效果的重要因素，在地震勘探中具有舉足輕重的作用。因此，優(yōu)選地震波的激發(fā)方式尤為重要。地震勘探震源可以分為炸藥震源和非炸藥震源兩大類。

炸藥震源產(chǎn)生的地震波頻帶較寬、能量大、旅行時(shí)長(zhǎng)，采集的單炮記錄含有的地質(zhì)信息豐富，目前炸藥震源廣泛應(yīng)用于油氣地震勘探中。但炸藥震源存在一定的安全環(huán)境問題，不適用于人口建筑密集的城鎮(zhèn)地區(qū)。

陸上非炸藥震源主要包括夯擊震源、可控震源及電火花震源等。夯擊震源激發(fā)的地震波主頻較低、能量較高，施工效率不高，一般適用于淺層地震?？煽卣鹪串a(chǎn)生的地震波具有振幅較低、能量較高的特點(diǎn)，可以控制地震波的頻率，適用于難以進(jìn)行鉆孔地區(qū)，比如松散地表，但是可控震源體積較大，使用時(shí)產(chǎn)生的噪聲較大，對(duì)地表植被會(huì)產(chǎn)生一定的影響。電火花震源最初應(yīng)用于海洋地震勘探，后來逐漸應(yīng)用于陸地地震勘探中，電火花震源具有安全經(jīng)濟(jì)環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，適用于無(wú)法使用炸藥的城鎮(zhèn)區(qū)域，是城市淺層地震勘探中的優(yōu)選震源（佟訓(xùn)乾等，2012；宋德強(qiáng)等，2018；左公寧，2003）。

本次城市地質(zhì)三維地震勘探工作區(qū)為建筑人口較為密集的城鎮(zhèn)區(qū)域，無(wú)法使用炸藥震源進(jìn)行激發(fā)，而夯擊震源施工效率較低、可控震源對(duì)周圍植被的影響較大，因此本次工作中選擇電火花震源的激發(fā)方式。前期進(jìn)行了大量試驗(yàn)工作，對(duì)電火花震源激發(fā)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終確定了最優(yōu)激發(fā)因素。獲得了品質(zhì)較高的原始地震資料，初步疊加剖面信噪比和分辨率較高，可以真實(shí)反映地下淺層地質(zhì)特征。

1 電火花震源基本原理及激發(fā)環(huán)境

1.1 基本原理

電火花震源是將脈沖電容儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械波能量的轉(zhuǎn)換裝置?；驹砣鐖D1所示。主要構(gòu)成部分有：高壓脈沖電容電源Us、充電開關(guān)S1、放點(diǎn)開關(guān)S2、高壓電容組C、放電電極。充電時(shí)，充電開關(guān)S1閉合，放電開關(guān)S2斷開，放電時(shí)充電開關(guān)S1斷開，放電開關(guān)S2閉合。放電時(shí)，高壓電容器組中的能量通過同軸電纜瞬間釋放，與此同時(shí)，和放電電纜相連接的地層以下的放電電極，在短時(shí)間內(nèi)將附近土層水氣化形成高溫高壓區(qū)，瞬間爆炸產(chǎn)生地震波（左公寧，1988）。

圖1 電火花震源原理圖

1.2 激發(fā)環(huán)境

電火花震源放電電極需要放置于水域環(huán)境中。若是在水域中激發(fā)，則直接將放電電極放置在水域中，而如果在陸域激發(fā)，則需要人工制造水環(huán)境，滿足電火花震源激發(fā)條件。

圖2 相同能量不同井深單炮記錄對(duì)比

2 電火花震源的特點(diǎn)

電火花震源是一種非炸藥震源，現(xiàn)在主要應(yīng)用的電火花震源有六種規(guī)格，按能量等級(jí)劃分為以下三類：500J和1KJ等級(jí)；20KJ和40KJ等級(jí)；200KJ和400KJ等級(jí)。

城市地質(zhì)三維地震勘探探測(cè)目標(biāo)為300m以淺的地層，使用40KJ等級(jí)的電火花震源可以滿足探測(cè)要求。在城市淺層地震中使用電火花震源具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）電火花震源適用于各種場(chǎng)地類型，不受已有構(gòu)筑物、植被農(nóng)田的限制；

2）電火花震源能量可控，可以根據(jù)探測(cè)目標(biāo)的深度調(diào)節(jié)激發(fā)能量，激發(fā)效果較好；

3）電火花震源裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶、操作便捷，施工效率高；

4）電火花震源相比傳統(tǒng)炸藥震源更加安全環(huán)保，避免了炸藥運(yùn)輸、儲(chǔ)存、埋置、使用過程中的安全隱患，同時(shí)更大程度上避免了對(duì)環(huán)境的污染；

5）電火花震源能量轉(zhuǎn)換效率高，可以提升勘探效率、減少能耗。

綜合來看，電火花震源安全經(jīng)濟(jì)高效、能量轉(zhuǎn)換效率高、激發(fā)效果好，應(yīng)用于城市淺層地震勘探具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖3 相同能量不同井深信噪比對(duì)比

3 試驗(yàn)分析

為了初步檢驗(yàn)電火花震源在城鎮(zhèn)區(qū)域的激發(fā)效果，需要在不同條件下進(jìn)行試驗(yàn)工作。試驗(yàn)工作的重點(diǎn)以激發(fā)因素為主。激發(fā)因素主要包括激發(fā)能量和激發(fā)井深，逐一進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 激發(fā)井深試驗(yàn)

選取工作區(qū)典型的地形條件作為激發(fā)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)遵循單一因素變化的原則，激發(fā)能量固定為80KJ，激發(fā)井深為0.5m、1.0m、1.5m，對(duì)比不同激發(fā)井深條件下采集的單炮地震記錄效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，如圖2所示，井深1.5m的單炮記錄目的層反射波能量最強(qiáng)，井深0.5m的單炮記錄目的層反射波能量最弱。如圖3所示，不同井深激發(fā)的單炮記錄信噪比差別不大。因此，采用電火花震源激發(fā)，工作區(qū)內(nèi)選擇激發(fā)井深1.5m為宜。

圖4 相同井深不同激發(fā)能量單炮對(duì)比

3.2 激發(fā)能量試驗(yàn)

試驗(yàn)遵循單一因素變化的原則，固定激發(fā)井深為1.5m，激發(fā)能量為30KJ、40KJ、60KJ、80KJ，對(duì)比不同激發(fā)能量條件下采集的單炮地震記錄效果。如圖4所示，30KJ的單炮地震記錄能量最弱，60KJ和80KJ的單炮地震記錄能量較強(qiáng)。如圖5所示，激發(fā)能量越大，地震反射波能量越強(qiáng)。如圖6所示，80KJ和60KJ的單炮地震記錄信噪比較高、有效頻帶范圍較寬。因此，工作區(qū)內(nèi)采用80KJ激發(fā)能量為宜，可以保證地震資料的能量與信噪比。

綜上所述，本次采用井深1.5m、80KJ能量進(jìn)行地震波激發(fā)。

4 激發(fā)效果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電火花震源的激發(fā)效果，對(duì)獲得的單炮地震記錄進(jìn)行靜校正、振幅補(bǔ)償、反褶積、速度分析、動(dòng)校正及疊加等常規(guī)處理，獲得了初步疊加剖面。如圖7所示，疊加剖面信噪比和分辨率較高、有效信號(hào)強(qiáng)、同相軸連續(xù)，地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征如斷層特征較明顯，有效反映出淺層地下地質(zhì)特征。證實(shí)了電火花震源激發(fā)地震波的有效性，可在類似區(qū)域開展電火花震源激發(fā)淺層地震勘探工作。

5 結(jié)語(yǔ)

將電火花震源應(yīng)用于城市地質(zhì)三維地震勘探中，實(shí)踐表明，采用電火花震源激發(fā)的地震波能量大、頻帶較寬，獲得的單炮地震記錄信噪比和分辨率較高，初步疊加剖面真實(shí)反映了地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，證實(shí)了電火花震源激發(fā)的有效性、適宜性。

圖5 不同激發(fā)能量目的層反射波能量對(duì)比圖

圖6 不同激發(fā)能量信噪比對(duì)比圖

圖7 現(xiàn)場(chǎng)處理初步疊加剖面

電火花震源作為一種非炸藥震源，具有安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)高效、能量轉(zhuǎn)換效率高、激發(fā)效果好等特點(diǎn)，在城市淺層地震勘探中具有較好的應(yīng)用前景。

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The Application of Electric Spark Source to the 3D Seismic Exploration of Urban Geological Survey

CHEN Jie1LIU Jin-hui1CAO Li-ping2HE Hong-sen1WANG Qiang1

(1-Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering, Chengdu 610072; 2-Sichuan Bureau of Coal Geology, Chengdu 610072)

3D seismic exploration plays an important role in urban geological survey where the selection of artificial earthquake source is the key problem. The electric spark source used in this study is safe, economical and environmental friendly and high energy efficiency. Experimental study indicates that excitation factors (excitation energy, excitation depth) of electric spark source can obtain a better single-shot seismic record. The superimposed seismic profile after processing obtained is characterized by high signal-to-noise ratio, high energy, high resolution which can really reflect the shallow geological features. The electric spark source has a good application prospect in urban shallow seismic exploration.

electric spark source; 3D seismic exploration; urban geological survey; application

2020-06-10

陳杰（1992— ），男，四川富順人，助理工程師，研究方向：地球物理勘探、城市地質(zhì)

P315.9

A

1006-0995（2021）02-0295-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.022