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浅析地震勘探常用震源

2019/12/09 阅读:

摘要:震源激发地震波是地震勘探过程中一个非常重要的环节,考虑到勘探目的、激发环境和经济效益等多种因素,选择最为合适的震源至关重要。笔者参加工作以来接触到三种震源,即炸药震源、可控震源和气枪震源。因此,本文重点论述了三种震源的激发原理、特性、使用环境和施工管理建议等。

关键词:地震勘探;炸药震源;可控震源;气枪震源

目前,地震勘探震源分为炸药震源和非炸药震源两大类别[1-3]。炸药作为震源用于地震勘探,起源于20世纪20年代,Karcher等人在美国俄克拉荷马州首次使用地震法开展找油试验[4]。此后,一些西方国家开始尝试使用炸药作为震源进行地震勘探,因炸药震源激发的地震信号具有良好的脉冲性能和较高的激发能量,所以该方法一直沿用至今。随着地震勘探技术和机械行业的发展,人们在20世纪60年代探索出可控震源和气枪震源,可控震源采用可控频率扫描方式控制激发信号的频率和相位,有利于通过计算改善地震资料品质,采用相干处理对信号进行滤波,减小干扰,对激发点破坏较小。气枪震源具有性能稳定、重复性好、低频丰富和绿色环保等优点,其在地震勘探水域激发中占有重要地位[5-9]。目前,地震勘探范围由原来人口稀少区域逐渐深入人口密集区域,重视成本效益。近年来,国家大力提倡环境保护,地震勘探时需要根据勘探目的、震源特性、施工环境和成本效益等实际情况选择合适的震源。

1炸药震源

1.1激发原理

炸药震源的药柱如图1所示。装药在无限介质中封闭爆炸时,炸药爆炸瞬间产生的高温高压气体对大地做功,从爆炸中心向外依次形成破碎区、裂隙区和震动区(见图2),震动区仅引起介质发生弹性形变,产生弹性波,也就是地震波。1.2特性炸药震源作为地震勘探行业的传统震源,其优缺点都较为明显。炸药震源所产生的地震信号为持续很窄的脉冲信号,激发能量较强,拥有宽广的频谱,适于高频(大于80Hz)、中频(15~80Hz)、低频(6~15Hz)的地震勘探。缺点表现在激发效果受地质条件影响,能量不容易控制,能量利用率低,破坏性大,施工危险性大等。

1.3适用范围及受限因素

炸药震源适用性好,但对成孔有较高的要求,在疏松干燥的沙漠地区和疏松砾石层成孔困难的情况不宜使用炸药震源,其他情况均可使用不同钻具成孔,克服地质条件的限制。由于国家对爆炸物品管控严格,所以炸药震源的审批手续比较复杂,审批耗时长,使用炸药震源的人员必须持有爆破作业证。

1.4施工管理方面的建议

一是为安全起见,炸药震源激发点应选在山沟、丘陵、盆地等人烟稀少的地方,并保证填塞质量,使装药在无限介质中封闭爆炸,减小对周围生态环境的破坏。同时,要远离铁路干线、通航河流、高压输电线路、工矿企业和民用建筑,避免对公共设施造成损坏。二是实施地震勘探爆破的有关人员应坚持规范上岗,严格执行定岗、定责的规定。三是制作起爆药柱时应选择相对安全的地方,设置半径大于15m的警戒区,并远离炸药车15m以上,远离无线电设备30m以上。四是往炮井中安放震源药柱时,应由专人负责,确保震源药柱下到井底并没有上浮后,方可用细土、细砂埋井,且埋井时不得掺有石块、砖块、冻土块和铁片等硬物,要保证整个填塞段完全填实,绝不允许贪图省工省料造成中间留空不堵;严禁使用钻杆等机械强行大力度往井下压震源药柱。五是《爆破安全规程》(GB6722—2014)规定,起爆站距炮井的距离不应小于以下标准:砂土、黏土层,30m;岩石、冻土层,60m;井深小于5m(或坑炮),100m;特殊情况应按爆炸方式、使用药量经计算确定[10]。六是震源药柱起爆后,检查人员应等待5min后再进入爆区检查,如不能确定是否有盲炮、是否完全起爆,应等待15min后再进入爆区检查。七是委派专人负责对爆炸破坏的地方进行修复[11]。

2可控震源

2.1激发原理

可控震源是安装在车辆上的机械装置[12]。所需的扫描频率信号由计算机中的固定程序产生。其通过对液压伺服系统的控制,推动振动器发出周期性的振动信号,作为震动源产生地震波。可控震源车如图3所示。

2.2特性

一是可控震源产生的地震信号的频率可以人为调节,根据地表条件、浅层介质条件、响应特性和勘探目标层深度选择合适的激发频宽,有利于提高地震数据质量。二是数据的信噪比比较高,可控震源是垂直向下振动,其输出方向垂直向下,绝大多数能量向下传递,减少了反射和表面波;连续震动信号的地震勘探法应用了相关技术,经过多次叠加消除随机干扰,避免了某些环境噪音的影响。三是提高了反射波能量,可控震源采用连续扫描信号,增强了波的穿透能力。

2.3适用范围及受限因素

可控震源激发地震波要求震动板与地面之间具有良好的耦合,而对于崎岖坚硬的岩层耦合程度较差,所以选择平坦的地方进行激发可以获得较好的激发效果。当地表倾角大于30°时,可控震源车容易发生翻车现象。在松散的表浅层,有效下传信号会大幅度衰减。

2.4施工管理方面的建议

可控震源体积比较大,占地面积大,噪声大、连续震动、震感强烈,在人口密集地区,很容易对当地人的生活造成影响,需要工作人员向当地人进行解释、做工作。由于震源车对激发位置的平整度、行进路况有要求,所以施工前一定要做好勘察,采取“谁勘察,谁修路,谁带点”的工作模式比较合理。

3气枪震源

3.1激发原理

以BOLT的梭阀枪为例,空气压缩机将高压空气从气枪左上进气管压入上气室,向下推动往复阀。往复式阀中心有一个孔,高压空气从上气室进入下气室。虽然上、下气室的压力是一样的,但是往复阀在上气室的顶面大于往复阀在下气室的底面,所以作用在往复阀上的静压力是向下的,使往复阀向下运动,直到往复阀被底座拖住[13,14]。此时,下气室处于密闭状态,只能进气不能出气,压力逐渐升高到设计数值。气枪被触发时,电磁阀打开,往复阀以极高的速度向上滑动。当往复阀下端的活塞滑过排气孔时,储存在下气室的高压空气将迅速喷入水中,产生高压气泡,完成一次点火激发。之后,电磁阀自动关闭,往复阀落下,重复以上过程,等待下一次点火激发,如图4所示。气泡在水中呈现扩张与压缩的阻尼性反复震荡,如图5所示,形成向外传播的压力波。2014年11月,福建省地震局在三明市尤溪县街面水库开展了移动水库气枪震源综合试验研究,取得以下成果。一是气枪子波包含两部分,即高频主脉冲和低频气泡脉冲。主脉冲持续时间短,频带宽,可用于浅层高精度探测。气泡脉冲富含10Hz以下的低频能量,可用于深部探测。二是气枪属于小当量地震勘探震源。试验中,单杆气枪的激发能相当于0.23级地震,四杆气枪组成的枪阵的组合激发能相当于0.48级地震。三是四杆气枪组成的枪阵进行组合激发,测得大坝振动峰值加速度为0.45gal,不会对大坝及周边环境造成破坏。四是气枪信号重复性高,岸上首台速度记录相关数峰值大于0.95的占93.26%。五是气枪下沉越深,气泡振荡能量越大,气泡周期越小。在进行深部勘探时,应根据低频和能量需求选择合适的下沉深度。六是气泡能量和气泡周期随着工作压力的增大而增大。七是气枪阵列激发的能量随气枪数量的增加而增加,激发的主频率受每支气枪的容量影响。八是当气枪阵列的尺寸大于气泡半径的5倍时,气泡之间的相互作用很小。气枪阵列的子波近似于各个气枪子波的线性叠加,此时气枪阵列尺寸的变化对激发效果的影响很小。九是下沉深度为水深的一半时,气泡能量和气泡周期较大,获得的震动效果较好。

3.2适用范围及受限因素

气枪震源适用于过渡带、内陆湖泊、海上OBC以及深海拖缆等大多数水域地震勘探中。气枪阵列的主流压力为13.79MPa,容量一般分为两类。一是适合极浅海过渡带和内陆湖泊勘探,容量大多在16400~49200cm3。二是适合深海拖缆地震勘探,容量大多在49200~82000cm3(根据目前世界范围内使用的气枪阵列的统计数据)。

4结语

对比这三种震源的激发原理、特性、适用范围及受限因素,三种震源的特点比较明显,炸药震源的适用性好,激发能量强,传播距离远,有着丰富的频谱,但其破坏性大,审批手续复杂,施工风险高,有效信号容易受到外界干扰。可控震源的输出能量是可调的,震动是连续信号,持续时间长,对激发工作面的破坏小,浅部区域可控震源获得的时间剖面反射波连续性好且能量强。可控震源只能在地表激发,对地面的平整度有要求,需要震动板与地面较好的耦合。气枪震源作为水域地球物理勘探主要的绿色环保性震源,具有性能稳定、重复性好、低频丰富等特点,近年来越来越受到业内的重视。所以,选择震源时要综合考虑地震勘探的目的要求、施工条件、环保因素、成本效益和安全问题等方面的因素。

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作者:魏亮 单位:中国地震局地球物理勘探中心

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