淺析地震勘探常用震源范文

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摘要：震源激發(fā)地震波是地震勘探過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，考慮到勘探目的、激發(fā)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益等多種因素，選擇最為合適的震源至關(guān)重要。筆者參加工作以來接觸到三種震源，即炸藥震源、可控震源和氣槍震源。因此，本文重點(diǎn)論述了三種震源的激發(fā)原理、特性、使用環(huán)境和施工管理建議等。

關(guān)鍵詞：地震勘探；炸藥震源；可控震源；氣槍震源

目前，地震勘探震源分為炸藥震源和非炸藥震源兩大類別［1-3］。炸藥作為震源用于地震勘探，起源于20世紀(jì)20年代，Karcher等人在美國(guó)俄克拉荷馬州首次使用地震法開展找油試驗(yàn)［4］。此后，一些西方國(guó)家開始嘗試使用炸藥作為震源進(jìn)行地震勘探，因炸藥震源激發(fā)的地震信號(hào)具有良好的脈沖性能和較高的激發(fā)能量，所以該方法一直沿用至今。隨著地震勘探技術(shù)和機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，人們?cè)?0世紀(jì)60年代探索出可控震源和氣槍震源，可控震源采用可控頻率掃描方式控制激發(fā)信號(hào)的頻率和相位，有利于通過計(jì)算改善地震資料品質(zhì)，采用相干處理對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，減小干擾，對(duì)激發(fā)點(diǎn)破壞較小。氣槍震源具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、低頻豐富和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其在地震勘探水域激發(fā)中占有重要地位［5-9］。目前，地震勘探范圍由原來人口稀少區(qū)域逐漸深入人口密集區(qū)域，重視成本效益。近年來，國(guó)家大力提倡環(huán)境保護(hù)，地震勘探時(shí)需要根據(jù)勘探目的、震源特性、施工環(huán)境和成本效益等實(shí)際情況選擇合適的震源。

1炸藥震源

1.1激發(fā)原理

炸藥震源的藥柱如圖1所示。裝藥在無限介質(zhì)中封閉爆炸時(shí)，炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫高壓氣體對(duì)大地做功，從爆炸中心向外依次形成破碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)（見圖2），震動(dòng)區(qū)僅引起介質(zhì)發(fā)生彈性形變，產(chǎn)生彈性波，也就是地震波。1.2特性炸藥震源作為地震勘探行業(yè)的傳統(tǒng)震源，其優(yōu)缺點(diǎn)都較為明顯。炸藥震源所產(chǎn)生的地震信號(hào)為持續(xù)很窄的脈沖信號(hào)，激發(fā)能量較強(qiáng)，擁有寬廣的頻譜，適于高頻（大于80Hz）、中頻（15～80Hz）、低頻（6～15Hz）的地震勘探。缺點(diǎn)表現(xiàn)在激發(fā)效果受地質(zhì)條件影響，能量不容易控制，能量利用率低，破壞性大，施工危險(xiǎn)性大等。

1.3適用范圍及受限因素

炸藥震源適用性好，但對(duì)成孔有較高的要求，在疏松干燥的沙漠地區(qū)和疏松礫石層成孔困難的情況不宜使用炸藥震源，其他情況均可使用不同鉆具成孔，克服地質(zhì)條件的限制。由于國(guó)家對(duì)爆炸物品管控嚴(yán)格，所以炸藥震源的審批手續(xù)比較復(fù)雜，審批耗時(shí)長(zhǎng)，使用炸藥震源的人員必須持有爆破作業(yè)證。

1.4施工管理方面的建議

一是為安全起見，炸藥震源激發(fā)點(diǎn)應(yīng)選在山溝、丘陵、盆地等人煙稀少的地方，并保證填塞質(zhì)量，使裝藥在無限介質(zhì)中封閉爆炸，減小對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的破壞。同時(shí)，要遠(yuǎn)離鐵路干線、通航河流、高壓輸電線路、工礦企業(yè)和民用建筑，避免對(duì)公共設(shè)施造成損壞。二是實(shí)施地震勘探爆破的有關(guān)人員應(yīng)堅(jiān)持規(guī)范上崗，嚴(yán)格執(zhí)行定崗、定責(zé)的規(guī)定。三是制作起爆藥柱時(shí)應(yīng)選擇相對(duì)安全的地方，設(shè)置半徑大于15m的警戒區(qū)，并遠(yuǎn)離炸藥車15m以上，遠(yuǎn)離無線電設(shè)備30m以上。四是往炮井中安放震源藥柱時(shí)，應(yīng)由專人負(fù)責(zé)，確保震源藥柱下到井底并沒有上浮后，方可用細(xì)土、細(xì)砂埋井，且埋井時(shí)不得摻有石塊、磚塊、凍土塊和鐵片等硬物，要保證整個(gè)填塞段完全填實(shí)，絕不允許貪圖省工省料造成中間留空不堵；嚴(yán)禁使用鉆桿等機(jī)械強(qiáng)行大力度往井下壓震源藥柱。五是《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2014）規(guī)定，起爆站距炮井的距離不應(yīng)小于以下標(biāo)準(zhǔn)：砂土、黏土層，30m；巖石、凍土層，60m；井深小于5m（或坑炮），100m；特殊情況應(yīng)按爆炸方式、使用藥量經(jīng)計(jì)算確定［10］。六是震源藥柱起爆后，檢查人員應(yīng)等待5min后再進(jìn)入爆區(qū)檢查，如不能確定是否有盲炮、是否完全起爆，應(yīng)等待15min后再進(jìn)入爆區(qū)檢查。七是委派專人負(fù)責(zé)對(duì)爆炸破壞的地方進(jìn)行修復(fù)［11］。

2可控震源

2.1激發(fā)原理

可控震源是安裝在車輛上的機(jī)械裝置［12］。所需的掃描頻率信號(hào)由計(jì)算機(jī)中的固定程序產(chǎn)生。其通過對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的控制，推動(dòng)振動(dòng)器發(fā)出周期性的振動(dòng)信號(hào)，作為震動(dòng)源產(chǎn)生地震波。可控震源車如圖3所示。

2.2特性

一是可控震源產(chǎn)生的地震信號(hào)的頻率可以人為調(diào)節(jié)，根據(jù)地表?xiàng)l件、淺層介質(zhì)條件、響應(yīng)特性和勘探目標(biāo)層深度選擇合適的激發(fā)頻寬，有利于提高地震數(shù)據(jù)質(zhì)量。二是數(shù)據(jù)的信噪比比較高，可控震源是垂直向下振動(dòng)，其輸出方向垂直向下，絕大多數(shù)能量向下傳遞，減少了反射和表面波；連續(xù)震動(dòng)信號(hào)的地震勘探法應(yīng)用了相關(guān)技術(shù)，經(jīng)過多次疊加消除隨機(jī)干擾，避免了某些環(huán)境噪音的影響。三是提高了反射波能量，可控震源采用連續(xù)掃描信號(hào)，增強(qiáng)了波的穿透能力。

2.3適用范圍及受限因素

可控震源激發(fā)地震波要求震動(dòng)板與地面之間具有良好的耦合，而對(duì)于崎嶇堅(jiān)硬的巖層耦合程度較差，所以選擇平坦的地方進(jìn)行激發(fā)可以獲得較好的激發(fā)效果。當(dāng)?shù)乇韮A角大于30°時(shí)，可控震源車容易發(fā)生翻車現(xiàn)象。在松散的表淺層，有效下傳信號(hào)會(huì)大幅度衰減。

2.4施工管理方面的建議

可控震源體積比較大，占地面積大，噪聲大、連續(xù)震動(dòng)、震感強(qiáng)烈，在人口密集地區(qū)，很容易對(duì)當(dāng)?shù)厝说纳钤斐捎绊懀枰ぷ魅藛T向當(dāng)?shù)厝诉M(jìn)行解釋、做工作。由于震源車對(duì)激發(fā)位置的平整度、行進(jìn)路況有要求，所以施工前一定要做好勘察，采取“誰(shuí)勘察，誰(shuí)修路，誰(shuí)帶點(diǎn)”的工作模式比較合理。

3氣槍震源

3.1激發(fā)原理

以BOLT的梭閥槍為例，空氣壓縮機(jī)將高壓空氣從氣槍左上進(jìn)氣管壓入上氣室，向下推動(dòng)往復(fù)閥。往復(fù)式閥中心有一個(gè)孔，高壓空氣從上氣室進(jìn)入下氣室。雖然上、下氣室的壓力是一樣的，但是往復(fù)閥在上氣室的頂面大于往復(fù)閥在下氣室的底面，所以作用在往復(fù)閥上的靜壓力是向下的，使往復(fù)閥向下運(yùn)動(dòng)，直到往復(fù)閥被底座拖住［13，14］。此時(shí)，下氣室處于密閉狀態(tài)，只能進(jìn)氣不能出氣，壓力逐漸升高到設(shè)計(jì)數(shù)值。氣槍被觸發(fā)時(shí)，電磁閥打開，往復(fù)閥以極高的速度向上滑動(dòng)。當(dāng)往復(fù)閥下端的活塞滑過排氣孔時(shí)，儲(chǔ)存在下氣室的高壓空氣將迅速噴入水中，產(chǎn)生高壓氣泡，完成一次點(diǎn)火激發(fā)。之后，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，往復(fù)閥落下，重復(fù)以上過程，等待下一次點(diǎn)火激發(fā)，如圖4所示。氣泡在水中呈現(xiàn)擴(kuò)張與壓縮的阻尼性反復(fù)震蕩，如圖5所示，形成向外傳播的壓力波。2014年11月,福建省地震局在三明市尤溪縣街面水庫(kù)開展了移動(dòng)水庫(kù)氣槍震源綜合試驗(yàn)研究，取得以下成果。一是氣槍子波包含兩部分，即高頻主脈沖和低頻氣泡脈沖。主脈沖持續(xù)時(shí)間短，頻帶寬，可用于淺層高精度探測(cè)。氣泡脈沖富含10Hz以下的低頻能量，可用于深部探測(cè)。二是氣槍屬于小當(dāng)量地震勘探震源。試驗(yàn)中，單桿氣槍的激發(fā)能相當(dāng)于0.23級(jí)地震，四桿氣槍組成的槍陣的組合激發(fā)能相當(dāng)于0.48級(jí)地震。三是四桿氣槍組成的槍陣進(jìn)行組合激發(fā)，測(cè)得大壩振動(dòng)峰值加速度為0.45gal，不會(huì)對(duì)大壩及周邊環(huán)境造成破壞。四是氣槍信號(hào)重復(fù)性高，岸上首臺(tái)速度記錄相關(guān)數(shù)峰值大于0.95的占93.26%。五是氣槍下沉越深，氣泡振蕩能量越大，氣泡周期越小。在進(jìn)行深部勘探時(shí)，應(yīng)根據(jù)低頻和能量需求選擇合適的下沉深度。六是氣泡能量和氣泡周期隨著工作壓力的增大而增大。七是氣槍陣列激發(fā)的能量隨氣槍數(shù)量的增加而增加，激發(fā)的主頻率受每支氣槍的容量影響。八是當(dāng)氣槍陣列的尺寸大于氣泡半徑的5倍時(shí)，氣泡之間的相互作用很小。氣槍陣列的子波近似于各個(gè)氣槍子波的線性疊加，此時(shí)氣槍陣列尺寸的變化對(duì)激發(fā)效果的影響很小。九是下沉深度為水深的一半時(shí)，氣泡能量和氣泡周期較大，獲得的震動(dòng)效果較好。

3.2適用范圍及受限因素

氣槍震源適用于過渡帶、內(nèi)陸湖泊、海上OBC以及深海拖纜等大多數(shù)水域地震勘探中。氣槍陣列的主流壓力為13.79MPa，容量一般分為兩類。一是適合極淺海過渡帶和內(nèi)陸湖泊勘探，容量大多在16400~49200cm3。二是適合深海拖纜地震勘探，容量大多在49200~82000cm3（根據(jù)目前世界范圍內(nèi)使用的氣槍陣列的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。

4結(jié)語(yǔ)

對(duì)比這三種震源的激發(fā)原理、特性、適用范圍及受限因素，三種震源的特點(diǎn)比較明顯，炸藥震源的適用性好，激發(fā)能量強(qiáng)，傳播距離遠(yuǎn)，有著豐富的頻譜，但其破壞性大，審批手續(xù)復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)高，有效信號(hào)容易受到外界干擾。可控震源的輸出能量是可調(diào)的，震動(dòng)是連續(xù)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)激發(fā)工作面的破壞小，淺部區(qū)域可控震源獲得的時(shí)間剖面反射波連續(xù)性好且能量強(qiáng)。可控震源只能在地表激發(fā)，對(duì)地面的平整度有要求，需要震動(dòng)板與地面較好的耦合。氣槍震源作為水域地球物理勘探主要的綠色環(huán)保性震源，具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、低頻豐富等特點(diǎn)，近年來越來越受到業(yè)內(nèi)的重視。所以，選擇震源時(shí)要綜合考慮地震勘探的目的要求、施工條件、環(huán)保因素、成本效益和安全問題等方面的因素。

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作者：魏亮 單位：中國(guó)地震局地球物理勘探中心