可控震源地震采集技術(shù)在H探區(qū)煤炭勘查中的實(shí)驗(yàn)

孫 海 川

(甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣境內(nèi)的北山地區(qū)吐魯—駝馬灘盆地內(nèi)，具有煤層厚度較大、埋藏淺、資源量大，礦區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件較簡單等特點(diǎn)，屬低瓦斯煤層。該區(qū)煤炭資源的勘查及開采將極大地緩解酒泉地區(qū)的煤炭供需矛盾，具有良好的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

地震勘探作為找煤勘查的手段之一已在該區(qū)取得了較好的勘查效果。但該區(qū)為大陸性氣候，干燥多風(fēng)，植被不發(fā)育，屬典型的沙漠戈壁區(qū)，生態(tài)條件極為脆弱，淺層第四系分布廣泛，以砂礫石、亞沙土層覆蓋，厚度大，潛水位深，給地震勘探帶來極大的困難。針對(duì)該區(qū)表淺層地震地質(zhì)條件復(fù)雜的狀況，選擇合理的地震激發(fā)技術(shù)，提高地震資料信噪比、降低環(huán)境破壞成為該區(qū)地震勘探需要解決的問題。筆者以H探區(qū)為研究區(qū)，將可控震源技術(shù)應(yīng)用到該地區(qū)，克服了以往炸藥震源對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，降低了施工成本。在采用可控震源技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合采集參數(shù)試驗(yàn)分析，獲得了信噪比較高的原始資料，取得了較好的地質(zhì)效果，為類似地區(qū)可控震源地震勘探提供了有參考價(jià)值的范例。

1 探區(qū)概況

1.1 地層及構(gòu)造

H探區(qū)位于吐魯—駝馬灘盆地東北部，屬陸相沉積地層，基本構(gòu)造形態(tài)為地層向盆地中心傾伏的向斜構(gòu)造，斷層不發(fā)育。區(qū)內(nèi)地層自下而上有：志留系(為變質(zhì)巖基底)、白堊系下統(tǒng)老樹窩群、新近系上新統(tǒng)苦泉組及第四系。其中白堊系下統(tǒng)老樹窩群為主要含煤地層。

1.2 地震地質(zhì)條件

H探區(qū)地貌屬戈壁平原，地形較為平緩，地表被第四系覆蓋，植被稀疏。區(qū)內(nèi)工電干擾少且車輛通行較為方便，有利于地震勘探野外工作。本區(qū)為典型大陸性氣候，干燥少雨多風(fēng)，春冬為風(fēng)季，年平均風(fēng)速4.4～5.0 m/s，最大風(fēng)速達(dá)23 m/s，隨機(jī)干擾嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)表層普遍存在的砂礫石使得地震成孔困難，應(yīng)用傳統(tǒng)的炸藥震源激發(fā)能量散失嚴(yán)重，次生干擾強(qiáng)[1]；淺層第四系分布廣泛，以砂礫石、亞沙土層覆蓋，厚度大，多透水而不含水，且潛水位深。因此，探區(qū)表淺層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。

H探區(qū)含煤地層為白堊系下統(tǒng)陸相碎屑含煤建造，可采煤層厚度最大31 m，煤層埋深一般在400 m左右，層位穩(wěn)定，全區(qū)發(fā)育。地層傾角不大，煤層與頂?shù)装鍑鷰r速度差異較大，存在較大的波阻抗差，能形成較強(qiáng)的煤層反射波，具備地震勘探的前提。

利用可控震源技術(shù)可以有效避開地震激發(fā)孔成孔困難及使用炸藥震源對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)等問題，改善地震激發(fā)、接收條件，提高施工效率，降低勘探成本，改善該區(qū)地震勘探效果[2]。

2 可控震源可行性分析

可控震源和炸藥震源是煤田地震勘探主要采用的激發(fā)震源，對(duì)于地震地質(zhì)條件復(fù)雜的戈壁地區(qū)，選擇合理有效的激發(fā)方式顯得尤為關(guān)鍵。隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，可控震源作為一種安全、高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的激發(fā)方式在煤田地震勘探中已被廣泛應(yīng)用，特別符合當(dāng)今社會(huì)安全和綠色勘查的要求[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)炸藥震源，可控震源激發(fā)能量、頻率、振幅可控，地表激發(fā)不用成孔、受復(fù)雜淺層地震地質(zhì)條件(如砂礫石層、砂土層、表層低速帶、潛水面深)影響小。缺點(diǎn)是受地形限制大、單炮能量小、初至不易拾取等[4]。

H探區(qū)屬沙漠戈壁區(qū)，生態(tài)條件極為脆弱，選用傳統(tǒng)的炸藥震源進(jìn)行野外施工主要存在4點(diǎn)問題：一是該區(qū)位于省(市)交界處及中蒙邊境線附近，地理位置極為特殊，安全限制因素多、炸藥手續(xù)辦理繁瑣、審核周期長；二是該區(qū)遠(yuǎn)離市區(qū)、荒蕪人煙、炸藥運(yùn)輸成本太高；三是該區(qū)植被稀少、荒漠化嚴(yán)重、生態(tài)條件極為脆弱，應(yīng)用炸藥震源施工會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成破壞，不符合綠色勘查的要求；四是本區(qū)表層存在的砂礫石層使得炮井成孔困難，主要表現(xiàn)在成孔施工時(shí)易塌孔，施工效率低下，加之本區(qū)潛水面相對(duì)較深，炮井最佳激發(fā)深度難以達(dá)到，不利于地震波激發(fā)。因此，在該區(qū)開展地震勘探工作，在地形條件允許的前提下，優(yōu)先考慮使用可控震源激發(fā)。本區(qū)地形較為平緩，適宜應(yīng)用可控震源開展工作。鑒于本區(qū)復(fù)雜的表淺層地震地質(zhì)條件，應(yīng)用可控震源作為激發(fā)震源具有以下優(yōu)勢(shì)：一是可控震源地表激發(fā)時(shí)對(duì)巖石的破壞較小，主要能量用于產(chǎn)生彈性波，頻率范圍可以根據(jù)地層特性選擇損耗最少、最適宜地層傳播的頻率作為掃描的頻帶，使震源能量發(fā)揮到最大；二是受外界強(qiáng)風(fēng)干擾嚴(yán)重(該區(qū)多風(fēng)且風(fēng)力較大)，由于可控震源采用了相關(guān)技術(shù)，對(duì)風(fēng)沙噪聲的壓制效果較好，提高了地震資料的信噪比[5-6]。三是探區(qū)目的層深度相對(duì)較淺(小于700 m)，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。

3 采集參數(shù)實(shí)驗(yàn)

在采用可控震源施工的基礎(chǔ)上，借鑒以往地震勘探經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)可控震源激發(fā)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

可控震源采用小震源多次激發(fā)，以低功率在地表相對(duì)較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)向地下激發(fā)信號(hào)，然后將所得到的信號(hào)相互疊加、干涉形成了可控震源原始記錄，再應(yīng)用相關(guān)技術(shù)使震源反射信號(hào)從干涉信號(hào)中恢復(fù)出來，得到了可用于解釋的原始記錄，這種激發(fā)方式與炸藥震源的常規(guī)地震記錄類似?？煽卣鹪醇ぐl(fā)過程中產(chǎn)生的信號(hào)具有可調(diào)節(jié)性，其振幅與頻率均為時(shí)間的函數(shù)。應(yīng)用較為多的就是線性正弦信號(hào)，其表達(dá)式為：

其中，S(t)為掃描信號(hào)，A(t)為掃描信號(hào)的振幅包絡(luò)數(shù)，f(t)為掃描信號(hào)的瞬時(shí)頻率，t為時(shí)間[7]。震源工作過程中，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和上述參數(shù)密切相關(guān)。因此，需要結(jié)合探區(qū)地震地質(zhì)條件及目的層深度進(jìn)行可控源激發(fā)參數(shù)試驗(yàn)，本次主要對(duì)震源臺(tái)次、掃描頻率、掃描長度及震源出力進(jìn)行試驗(yàn)[8]，選擇適合本區(qū)的激發(fā)參數(shù)，以保證原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.1 震源臺(tái)數(shù)

可控震源工作時(shí)可以使用1臺(tái)激發(fā)或多臺(tái)同時(shí)激發(fā)，多臺(tái)震源同時(shí)激發(fā)主要是加強(qiáng)向下傳輸?shù)哪芰?，同時(shí)也可避免單臺(tái)震源出力過大使能量過多損耗在地表破碎帶中，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)地表干擾的壓制。但不是震動(dòng)臺(tái)數(shù)越多越好，隨著震動(dòng)臺(tái)數(shù)的增加，能量疊加會(huì)使反射波的主頻向低頻方向移動(dòng)，不利于高分辨率地震勘探[9]。震動(dòng)臺(tái)數(shù)的選擇應(yīng)以能量能滿足目的層勘探深度及壓制干擾為主。本次探測(cè)目的層最深為志留系變質(zhì)巖基底，基底深度不超過700 m，探測(cè)深度相對(duì)較淺。本次試驗(yàn)選取1臺(tái)、2臺(tái)和3臺(tái)震源進(jìn)行震源臺(tái)數(shù)試驗(yàn)。

圖1為2次震動(dòng)，掃描頻率20～130 Hz，掃描長度14 s，震源出力75%，震源臺(tái)數(shù)1臺(tái)、2臺(tái)和3臺(tái)的單炮記錄、信噪比、能量及頻譜分析圖。在測(cè)點(diǎn) 4 590～4 965之間，震源臺(tái)數(shù)1臺(tái)、2臺(tái)和3臺(tái)的單炮記錄上均有有效反射波(如圖中藍(lán)色虛線框所示)，反射波位于0.4～0.6 s之間，隨著震源臺(tái)數(shù)的增加，單炮記錄能量逐漸增強(qiáng)，單炮記錄面貌有所改善，1臺(tái)、2臺(tái)和3臺(tái)震源激發(fā)的信噪比均較高，總體差別不大。從頻譜角度考慮，3臺(tái)震源單炮記錄頻帶相對(duì)略窄，有向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)。本次勘探目的層相對(duì)較淺(小于700 m)，且地震單炮記錄上均有有效反射波顯示，從提高工作效率和節(jié)約成本的角度考慮，1臺(tái)震源亦能滿足生產(chǎn)需要，正式生產(chǎn)選取1臺(tái)震源進(jìn)行激發(fā)。

3.2 震動(dòng)次數(shù)

圖2為1臺(tái)震源，掃描頻率20～130 Hz，掃描長度14 s，震源出力75%，震動(dòng)次數(shù)1次、2次和3次的單炮記錄、信噪比、能量及頻譜分析圖。在測(cè)點(diǎn) 2 465～2 915之間，震動(dòng)1次、2次和3次單炮記錄面貌差別不大，背景干擾均小，從信噪比、能量及頻譜角度考慮，隨著震動(dòng)次數(shù)的增加，能量逐漸增強(qiáng)，但整體差別不大，2次震動(dòng)信噪比相對(duì)高，3次震動(dòng)地震子波主頻向低頻移動(dòng)，不利于高分辨率地震勘探。綜合考慮，本次可控震源激發(fā)選取2次震動(dòng)。

圖2 震動(dòng)次數(shù)實(shí)驗(yàn)單炮記錄對(duì)比(上)、信噪比和能量分析(中)與頻譜分析(下)

3.3 掃描頻率

可控震源激發(fā)時(shí)，在一定的掃描長度內(nèi)，掃描頻率輸出由低到高進(jìn)行，因此，選擇掃描頻率時(shí)，主要對(duì)最低頻率f1及最高頻率fb進(jìn)行選擇。f1太低時(shí)低頻段振幅衰減強(qiáng)烈，震源在這一頻率段掃描時(shí)間增加，無形中浪費(fèi)了部分能量，同時(shí)f1的選擇應(yīng)有助于壓制低頻干擾。本區(qū)的低頻干擾主要為面波干擾，頻帶在15～20 Hz,為壓制低頻面波干擾，從保證地震資料信噪比的角度考慮，該區(qū)最低頻率選擇 20 Hz。fb的選擇應(yīng)不高于目的層反射波的最高頻率(本區(qū)目的層反射波的頻率為15～150 Hz)，同時(shí)還應(yīng)考慮可控源的最高截止頻率(通常為160 Hz)，以保證設(shè)備的安全施工[10]。本次掃描頻率實(shí)驗(yàn)主要對(duì)掃描高頻進(jìn)行選擇。

高頻選擇實(shí)驗(yàn)，可控震源其他參數(shù)分別為：低頻20 Hz，震源1臺(tái)，2次震動(dòng)，掃描長度14 s，震源出力75%，高頻選擇110、130 Hz進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3為110、130 Hz單炮記錄頻譜對(duì)比，可以看出，高頻130 Hz頻帶寬度相對(duì)于110 Hz的要寬，且在50～100 Hz頻段振幅較強(qiáng)，有效地提高了地震資料的分辨率，野外數(shù)據(jù)采集中，在儀器安全運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡量增大高頻信號(hào)振幅，本次實(shí)驗(yàn)選取高頻為130 Hz，能夠拓寬有效波頻寬，進(jìn)而提高地震勘探分辨率。

圖3 掃描高頻130 Hz與110 Hz單炮記錄頻譜對(duì)比

3.4 掃描長度

掃描長度為可控震源工作時(shí)，掃描信號(hào)由低頻到高頻向下傳播的時(shí)間。通常來講，掃描長度決定了激發(fā)能量，與炸藥震源的炸藥量相當(dāng)。掃描長度越長激發(fā)能量越強(qiáng)，信噪比越高[11]。但并非越長越好，可控震源在震動(dòng)過程中，掃描長度過長，若超出了彈性形變的范圍，有可能在地震記錄中產(chǎn)生二次諧波虛像或“多初至”虛像，同時(shí)還要考慮目的層反射波對(duì)激發(fā)能量的需求[12]。圖4為1臺(tái)震源，震動(dòng)次數(shù)2次，掃描頻率20～130 Hz，震源出力75%，掃描長度12、14 、16 s的單炮記錄與信噪比、能量及頻譜分析圖。在測(cè)點(diǎn)4 590～4 965之間，掃描長度12、14、16 s的單炮記錄上均有有效反射波(如圖中藍(lán)色虛線框所示)，反射波位于0.4～0.6 s之間，掃描長度14、16 s的單炮記錄能量相當(dāng)且強(qiáng)于12 s，掃描長度14 s單炮記錄信噪比最高，頻帶相對(duì)寬。

圖4 掃描長度實(shí)驗(yàn)單炮記錄對(duì)比(上)、信噪比和能量分析(中)與頻譜分析(下)

3.5 震源出力

震源出力的選擇主要考慮震源底板與地表的耦合情況。當(dāng)震源底板與地表的耦合較好時(shí)，可適當(dāng)增加震源出力，以增加激發(fā)能量；震源底板與地表的耦合較差時(shí)(如地表凹凸不平或有基巖出露等情況)，可適當(dāng)降低震源出力，以避免地震地震記錄中可能產(chǎn)生的假象[13-14]。本區(qū)表層主要以砂礫石、亞砂土為主，無基巖出露，地表相對(duì)平坦，震源底板與地表的耦合較好，在地震記錄未失真的前提下，應(yīng)盡量提高震源出力，增加下傳能量，提高地震資料信噪比?？紤]到本區(qū)目的層埋深及激發(fā)能量的需要，結(jié)合以往勘探經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)震源出力選擇75%。

4 采集技術(shù)

通過借鑒鄰區(qū)地震勘探經(jīng)驗(yàn)，可控震源可行性分析及激發(fā)參數(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比后，本區(qū)采用可控震源技術(shù)并確定了以下采集參數(shù)：

1)激發(fā)：采用可控震源1臺(tái)2次震動(dòng)，震源出力75%，掃面頻率20～130 Hz，掃描長度14 s。

2)接收：5個(gè)60 Hz檢波器串聯(lián)縱向線性組合埋置，組內(nèi)距1 m。

3)儀器：采用可控震源M26，AriesⅡ型數(shù)字地震儀，采樣間隔1 ms，記錄長度2 s，全波段接收。

4)觀測(cè)系統(tǒng)：96道接收，24次疊加，道距5 m，炮點(diǎn)距10 m，偏移距0 m，中點(diǎn)激發(fā)或單邊激發(fā)(向斜軸部采用中點(diǎn)激發(fā)兩端對(duì)稱接收，向斜兩翼采用單邊激發(fā)，下傾方向震動(dòng)上傾方向接收[15]。

5 效果分析

采用可控震源技術(shù)及以上采集參數(shù)，經(jīng)過精細(xì)施工取得了較好的地震成果(圖5)。測(cè)線上由淺至深主要發(fā)育2組反射波(T3、T4)，其中 T3反射波位于時(shí)間剖面0.3 s附近，多以復(fù)合波出現(xiàn)(表現(xiàn)為2～3強(qiáng)相位)，波組能量強(qiáng)，可連續(xù)追蹤解釋。T4反射波位于時(shí)間剖面0.5～0.6 s之間，以1～2個(gè)強(qiáng)相位形式出現(xiàn)，基本可連續(xù)追蹤。結(jié)合本區(qū)地質(zhì)資料，認(rèn)為T3波為煤層反射波，T4波為基底反射波，經(jīng)鉆孔(位于時(shí)間剖面CDP900位置)驗(yàn)證，地震解釋成果與鉆探成果基本吻合(見表1)。鉆孔在380～417 m鉆遇7層煤，煤層厚度0.3～3.2 m，煤層平均間距5m，地震時(shí)間剖面上通常以復(fù)合波特征出現(xiàn)，該特征與本次地震時(shí)間剖面上T3煤層反射波特征吻合較好。地震解釋煤層及基底深度滿足規(guī)范要求中深度解釋誤差不大于9%的要求[16]，充分證明本區(qū)采用可控震源技術(shù)可行、選取的采集參數(shù)合理。

圖5 H探區(qū)地震時(shí)間剖面

表1 鉆孔驗(yàn)證情況統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過本次地震勘探采集工作，有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)對(duì)于炮井成孔困難地區(qū)，在地形條件允許的條件下，可以考慮采用可控震源技術(shù)，當(dāng)然可控震源技術(shù)的可行性，還要結(jié)合地震地質(zhì)條件，目的層勘探深度等因素進(jìn)行綜合判定。

2)可控震源激發(fā)時(shí)震源臺(tái)數(shù)及震動(dòng)次數(shù)增加主要目的提高地震原始記錄信噪比，但其效果通常不如多次覆蓋技術(shù)，在野外數(shù)據(jù)采集中從提高施工效率的角度考慮，可以適當(dāng)減少震源臺(tái)次，應(yīng)用多次覆蓋技術(shù)進(jìn)一步提高地震資料信噪比。

3)采用多臺(tái)震源同時(shí)激發(fā)，各臺(tái)震源的掃描信號(hào)參數(shù)、相位應(yīng)保持一致，為此，在震源工作前，應(yīng)對(duì)各臺(tái)震源的一致性進(jìn)行檢查。

4)與傳統(tǒng)炸藥震源相比，可控震源技術(shù)在提高施工效率，節(jié)約成本方面優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)可降低HSE風(fēng)險(xiǎn)，符合當(dāng)前綠色勘查的要求。

5)可控震源采集參數(shù)的選取，不僅要進(jìn)行單炮記錄(地震記錄面貌或有效反射波)對(duì)比、還應(yīng)對(duì)影響地震記錄品質(zhì)的能量、信噪比及頻譜等進(jìn)行定量分析，綜合判定采集參數(shù)。盡量避免憑經(jīng)驗(yàn)或采用單一手段而帶來的隨機(jī)性、盲目性。

6)本區(qū)受風(fēng)的影響隨機(jī)干擾嚴(yán)重，盡管采用可控震源技術(shù)對(duì)干擾進(jìn)行了壓制，但野外數(shù)據(jù)采集應(yīng)盡量選擇無風(fēng)時(shí)段或避開風(fēng)力較大的時(shí)段，以進(jìn)一步提高地震資料信噪比。