深地震探測技術(shù)在四川盆地的應(yīng)用

劉 偉李明翼 唐 庚 朱開華 王 逵 廖建軍 劉 軍

（1.中國石油集團(tuán)東方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213；2.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川 成都 610125；3.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，四川 成都 610106）

0 引言

深地震探測技術(shù)是目前解決深部地質(zhì)問題的最有效手段，在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于研究板塊內(nèi)造山帶的構(gòu)造格局、巖石圈的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及刻畫莫霍面的位置和走向。深地震反射探測技術(shù)與石油反射勘探原理相同，利用人工震源產(chǎn)生地震波，地面接收來自地下不同物性界面產(chǎn)生的反射波同相軸來描述地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。人工震源產(chǎn)生的地震波可以穿透地球內(nèi)部深達(dá)數(shù)十公里、甚至上百公里的不同物理性質(zhì)的各個巖層，有些波返回地表被檢波器接收，根據(jù)檢波器記錄到的各個波組的走時和振幅資料，通過適當(dāng)?shù)馁Y料處理，得到地殼和上地幔的物性分界面分布圖。本次深部地震探測試驗(yàn)是針對華南地區(qū)四川盆地復(fù)雜地震地質(zhì)條件和深部物性特點(diǎn)，探測該地區(qū)的深部精細(xì)結(jié)構(gòu)與物性變化的深地震反射。深地震探測的主要目的是獲取整個地殼、莫霍面以及上地幔的反射剖面，激發(fā)子波受莫霍面上伏地層，如震旦系、寒武系、奧陶系、二疊系、三疊系以及侏羅系等地層對地震波的吸收、衰減，地震波能量非常微弱。要獲得來自地下40～60 km乃至更深的反射，地震探測對地震波的激發(fā)、接收提出了更高的要求。筆者重點(diǎn)總結(jié)了深地震探測技術(shù)觀測系統(tǒng)的確定和激發(fā)藥量的選擇，探索適合四川盆地深地震探測的采集技術(shù)方案和施工方法，對類似地區(qū)進(jìn)行深地震探測具有借鑒意義。

1 深地震探測技術(shù)

1.1 技術(shù)面臨的問題

深地震探測試驗(yàn)的地質(zhì)任務(wù)主要是探測試驗(yàn)區(qū)的巖石圈結(jié)構(gòu)和構(gòu)造性質(zhì)以及力爭獲得巖石圈底界、莫霍面、沉積蓋層底界的深層地震反射信息。地震波向下、向上傳播距離很遠(yuǎn)，在傳播過程中受各地層對能量的吸收，被地面檢波器接收到地震波能量微弱；受各地層的反射、透射和折射等因素的影響，地下反射點(diǎn)的觀測需要大偏移距。深地震探測技術(shù)面臨的主要難點(diǎn)是基于深部地震信息的觀測系統(tǒng)選擇和激發(fā)藥量的優(yōu)化。

1.2 觀測系統(tǒng)的選擇

根據(jù)理論研究，最大偏移距與所探測的目的層深度相當(dāng)［1-2］，考慮數(shù)據(jù)處理時速度精度和動校拉伸畸變的要求，最大偏移距為目的層深度的1.2～1.5倍；但目的層超過一定深度后，地面能接收到的反射范圍不會再增加，因此，雖然本次試驗(yàn)的最深目的層莫霍面埋深在40～48 km［3］，試驗(yàn)選擇最大偏移距（排列長度）只能是33.58 km。為了能同時獲得淺、中、深層反射并能較好成像，試驗(yàn)中選擇了小、中、大炮三種觀測系統(tǒng)，見表1。小炮觀測既要確保獲得淺、中層（新生界至古生界）資料，又要確保獲得足夠的空間采樣數(shù)據(jù)；中炮觀測既要確保獲得淺、中層（古生界及以上）資料，又要確保獲得來自莫霍面以上的物性分界面；大炮觀測既要確保獲得深層（莫霍面）的地震反射信息，又要確保獲得超深層（莫霍面以下的物性分界面）地震反射信息。不同觀測系統(tǒng)采集的記錄長度各不相同，最長的記錄長度是54 s，保障記錄來自莫霍面的地震反射。

表1 四川盆地深地震探測試驗(yàn)觀測系統(tǒng)表

1.3 激發(fā)藥量的優(yōu)化

進(jìn)行深地震探測，藥量的選取非常重要，地震資料既要獲得來自淺、中地層的反射，又要獲得一定信噪比來自深層（莫霍面）的反射。小藥量選取既要考慮得到高信噪比的淺層反射，又要考慮深層有一定的能量；大藥量選取既要考慮獲得來自莫霍面的地震反射，又要考慮不能對淺層反射資料造成大的破壞或干擾。資料表明，地震反射的振幅和頻率與激發(fā)藥量的大小有密切關(guān)系［4-5］，反射振幅和激發(fā)藥量成正比，反射頻率和激發(fā)藥量、爆炸破壞半徑成反比，和激發(fā)介質(zhì)的速度成正比。小藥量激發(fā)產(chǎn)生高頻率地震波，但振幅小，有利于獲得淺層資料；大藥量激發(fā)產(chǎn)生低頻率地震波，有效波能量強(qiáng)，低頻能量在傳播過程中能夠穿越物性界面，有利于獲得來自深層的資料［6］。因此單一的激發(fā)藥量不能完成同時得到高信噪比的淺層和深層資料。本次深地震探測試驗(yàn)，針對不同目的層進(jìn)行探測，筆者分別進(jìn)行了小炮、中炮、大炮的藥量優(yōu)化試驗(yàn)。

1）小炮藥量選擇。本次深地震探測技術(shù)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)低、降速層厚度在12 m以內(nèi)，借鑒區(qū)域內(nèi)成熟的常規(guī)石油地震勘探經(jīng)驗(yàn)，小炮采用單井，激發(fā)井深15 m，激發(fā)藥量4～8 kg。這樣能得到新生界至古生界高品質(zhì)的地震資料，有利于求取高精度的偏移和深度轉(zhuǎn)換的速度。

2）中炮藥量選擇。中藥量激發(fā)采用較大偏移距接收，既要滿足獲得深部物性界面的反射，又要保證獲得淺層物性界面的反射。筆者設(shè)計激發(fā)井深為25 m，兩口井組合，進(jìn)行了20 kg、30 kg、40 kg藥量試驗(yàn)。砂巖激發(fā)中炮單炮記錄見圖1，圖1a為20 kg藥量激發(fā)的單炮記錄，圖1b為30 kg藥量激發(fā)的單炮記錄，圖1c為40 kg藥量激發(fā)的單炮記錄。從圖1中可以看出，3種藥量激發(fā)的單炮在1～6 s新生界至古生界時窗內(nèi)的有效反射連續(xù)性相當(dāng)。但對于深層莫霍面的反射來看，40 kg藥量激發(fā)的單炮在12～20 s地層深部莫霍面時窗內(nèi)能見到一定的有效反射，獲得了來自地球深部物性界面的地震反射。因此，本次深地震探測試驗(yàn)在砂巖激發(fā)區(qū)，中炮采用兩口井組合，激發(fā)井深25 m，單井藥量20 kg，總藥量為40 kg。

圖1 中炮砂巖激發(fā)單炮記錄圖

3）大炮藥量選擇。大藥量激發(fā)采用超大偏移距接收，在本次深地震探測試驗(yàn)中，設(shè)計大炮的主要目的是獲取來自深層物性分界面的地震反射信息，最深目的層為莫霍面，要求震源強(qiáng)度大?？紤]炸藥爆炸安全施工，設(shè)計井深40 m，兩口井組合，在砂巖激發(fā)區(qū)進(jìn)行了50 kg、100 kg、192 kg大藥量試驗(yàn)。砂巖激發(fā)大炮單炮記錄見圖2，圖2a為50 kg藥量激發(fā)的單炮記錄，圖2b為100 kg藥量激發(fā)的單炮記錄，圖2c為192 kg藥量激發(fā)的單炮記錄。從圖2分析可知，3種藥量單炮整體呈現(xiàn)低頻的特點(diǎn)，頻寬在5～40 Hz。分析3種藥量單炮的有效反射，在1～6 s新生界至古生界時窗內(nèi)，100 kg藥量激發(fā)的單炮有效反射連續(xù)性明顯優(yōu)于50 kg藥量和192 kg藥量激發(fā)的單炮有效反射。在12～20 s地層深部莫霍面時窗內(nèi)，100 kg藥量激發(fā)的單炮有效反射也優(yōu)于50 kg藥量和192 kg藥量激發(fā)的單炮有效反射。通過信噪比定量分析可知，100 kg藥量激發(fā)的單炮信噪比在12～18 s時窗內(nèi)略高于50 kg藥量和192 kg藥量激發(fā)的單炮信噪比。分析3種藥量試驗(yàn)單炮的能量譜，192 kg藥量、100 kg藥量激發(fā)的單炮能量明顯強(qiáng)于50 kg藥量激發(fā)的單炮，但192 kg藥量和100 kg藥量激發(fā)的單炮能量在12～20 s時窗內(nèi)基本相當(dāng)。綜合考慮，本次深地震探測試驗(yàn)大炮在砂巖激發(fā)區(qū)采用井深40 m，兩口井組合，單井藥量50 kg，總藥量100 kg。

圖2 大炮砂巖激發(fā)單炮記錄圖

2 應(yīng)用實(shí)例及效果

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

本次深部地震探測技術(shù)試驗(yàn)區(qū)位于四川盆地川中平緩構(gòu)造區(qū)中部至西北部，向北延伸至龍門山山前帶。海拔為200～750 m，地形相對高差較大。試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)人煙稠密，民房較多，對井位的選擇有一定影響，大藥量激發(fā)對安全施工提出了更高的要求。

2.2 地震地質(zhì)條件

試驗(yàn)測線地表地層主要出露侏羅系和白堊系地層，局部出露第四系礫石，地表地震地質(zhì)條件相對較好，有利于地震波的激發(fā)和接收。四川盆地經(jīng)歷了桐灣、加里東、東吳、印支、燕山、喜山等幾次主要大的構(gòu)造運(yùn)動。震旦紀(jì)以后，歷次構(gòu)造運(yùn)動在試驗(yàn)區(qū)域地震剖面上都有清楚的反映。但歷次構(gòu)造運(yùn)動均以升降運(yùn)動為主，在漫長的地史發(fā)展中存在兩次大的沉積間斷并造成地層缺失，以這兩個侵蝕面（假整合面）為界，在縱向上可將沉積層劃分為震旦系—下古生界（z—s），二疊系—三疊系中、下統(tǒng)（P—T2l），上三疊統(tǒng)—侏羅系（T3x—J）三大構(gòu)造層，各層構(gòu)造形態(tài)有較大的相似性和繼承性。試驗(yàn)內(nèi)地腹地震地質(zhì)條件相對較好，地腹地層傾角變化平緩，總體上從南到北、由東向西呈逐漸下傾的構(gòu)造形態(tài)，地震波波場不復(fù)雜，有利于獲取信噪比較高的地震反射資料。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

四川盆地深地震探測試驗(yàn)測線的疊加剖面見圖3，從圖3可以看出，新生界至古生界（剖面時間6 s以上）的各巖層分界面地震反射波組特征清楚，同相軸連續(xù)性好，反射層次豐富，信噪比高，反射成像好。目的層莫霍面（12～20 s）的地震響應(yīng)是一組明顯的強(qiáng)能量反射波組，在縱向上表現(xiàn)為不同物性阻抗突變帶的波組，整個莫霍面的反射清楚，能客觀反映莫霍面的構(gòu)造形態(tài)。四川盆地深地震探測試驗(yàn)測線的偏移剖面見圖4，從圖4可以看出，經(jīng)過偏移各繞射點(diǎn)準(zhǔn)確歸位，目的層莫霍面各反射都能很好的歸位，莫霍面反射同相軸連續(xù)性更好，能夠連續(xù)追蹤解釋。四川盆地深地震探測試驗(yàn)測線的深度剖面見圖5，從圖5可以清楚地看到華南地區(qū)四川盆地莫霍面表現(xiàn)為呈西北向東南方向下傾，深度為40～50 km。

圖3 四川盆地深地震探測試驗(yàn)測線疊加剖面圖

圖4 四川盆地深地震探測試驗(yàn)測線偏移剖面圖

圖5 四川盆地深地震探測試驗(yàn)測線深度剖面圖

3 結(jié)論與認(rèn)識

1）本次試驗(yàn)獲得了來自莫霍面高信噪比的地震反射資料，試驗(yàn)剖面精細(xì)刻畫了華南地區(qū)四川盆地莫霍面的空間展布形態(tài)。

2）深地震探測技術(shù)采用小、中、大藥量激發(fā)核心技術(shù)，靈活的觀測系統(tǒng)配套技術(shù)是解決探測莫霍面行之有效的手段，可以在類似地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3）莫霍面埋深一般在20～70 km，地震波經(jīng)過幾十千米下傳至莫霍反射面能量就很弱了，再從莫霍反射面回傳至地面就更微弱了，只考慮地震波激發(fā)能量是不夠的，探索一種高靈敏接收技術(shù)是非常必要的。