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，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，具有良好的社會意義和經(jīng)濟意義。

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，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。針對該區(qū)表淺層地震地質(zhì)條件復雜的狀況，選擇合理的地震激發(fā)技術，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)，將可控震源技術應用到該地區(qū)，克服了以往炸藥震源對生態(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的基礎上，結合采集參數(shù)試驗分析，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值的范例。

1 探區(qū)概況

1.1 地層及構造

H探區(qū)位于吐魯—駝馬灘盆地東北部，屬陸相沉積地層，基本構造形態(tài)為地層向盆地中心傾伏的向斜構造，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，春冬為風季，年平均風速4.4～5.0 m/s，最大風速達23 m/s，隨機干擾嚴重。區(qū)內(nèi)表層普遍存在的砂礫石使得地震成孔困難，應用傳統(tǒng)的炸藥震源激發(fā)能量散失嚴重，次生干擾強[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，能形成較強的煤層反射波，具備地震勘探的前提。

利用可控震源技術可以有效避開地震激發(fā)孔成孔困難及使用炸藥震源對生態(tài)環(huán)境的擾動等問題，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，對于地震地質(zhì)條件復雜的戈壁地區(qū)，選擇合理有效的激發(fā)方式顯得尤為關鍵。隨著地震勘探技術的發(fā)展，可控震源作為一種安全、高效、環(huán)保、經(jīng)濟的激發(fā)方式在煤田地震勘探中已被廣泛應用，特別符合當今社會安全和綠色勘查的要求[3]。相對于傳統(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)的炸藥震源進行野外施工主要存在4點問題：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)遠離市區(qū)、荒蕪人煙、炸藥運輸成本太高；三是該區(qū)植被稀少、荒漠化嚴重、生態(tài)條件極為脆弱，應用炸藥震源施工會對當?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)在成孔施工時易塌孔，施工效率低下，加之本區(qū)潛水面相對較深，炮井最佳激發(fā)深度難以達到，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，適宜應用可控震源開展工作。鑒于本區(qū)復雜的表淺層地震地質(zhì)條件，應用可控震源作為激發(fā)震源具有以下優(yōu)勢：一是可控震源地表激發(fā)時對巖石的破壞較小，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；二是受外界強風干擾嚴重(該區(qū)多風且風力較大)，由于可控震源采用了相關技術，對風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)目的層深度相對較淺(小于700 m)，結合以往地震勘探經(jīng)驗，采用可控震源激發(fā)易實現(xiàn)目的層對激發(fā)能量的需求，能夠取得較好的地震效果。

3 采集參數(shù)實驗

在采用可控震源施工的基礎上，借鑒以往地震勘探經(jīng)驗，進一步對可控震源激發(fā)參數(shù)進行實驗。

可控震源采用小震源多次激發(fā)，以低功率在地表相對較長時間內(nèi)持續(xù)向地下激發(fā)信號，然后將所得到的信號相互疊加、干涉形成了可控震源原始記錄，再應用相關技術使震源反射信號從干涉信號中恢復出來，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)生的信號具有可調(diào)節(jié)性，其振幅與頻率均為時間的函數(shù)。應用較為多的就是線性正弦信號，其表達式為：

其中，S(t)為掃描信號，A(t)為掃描信號的振幅包絡數(shù)，f(t)為掃描信號的瞬時頻率，t為時間[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。因此，需要結合探區(qū)地震地質(zhì)條件及目的層深度進行可控源激發(fā)參數(shù)試驗，本次主要對震源臺次、掃描頻率、掃描長度及震源出力進行試驗[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 震源臺數(shù)

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

圖1為2次震動，掃描頻率20～130 Hz，掃描長度14 s，震源出力75%，震源臺數(shù)1臺、2臺和3臺的單炮記錄、信噪比、能量及頻譜分析圖。在測點 4 590～4 965之間，震源臺數(shù)1臺、2臺和3臺的單炮記錄上均有有效反射波(如圖中藍色虛線框所示)，反射波位于0.4～0.6 s之間，隨著震源臺數(shù)的增加，單炮記錄能量逐漸增強，單炮記錄面貌有所改善，1臺、2臺和3臺震源激發(fā)的信噪比均較高，總體差別不大。從頻譜角度考慮，3臺震源單炮記錄頻帶相對略窄，有向低頻移動的趨勢。本次勘探目的層相對較淺(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臺震源亦能滿足生產(chǎn)需要，正式生產(chǎn)選取1臺震源進行激發(fā)。

3.2 震動次數(shù)

圖2為1臺震源，掃描頻率20～130 Hz，掃描長度14 s，震源出力75%，震動次數(shù)1次、2次和3次的單炮記錄、信噪比、能量及頻譜分析圖。在測點 2 465～2 915之間，震動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，隨著震動次數(shù)的增加，能量逐漸增強，但整體差別不大，2次震動信噪比相對高，3次震動地震子波主頻向低頻移動，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。

圖2 震動次數(shù)實驗單炮記錄對比(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，在一定的掃描長度內(nèi)，掃描頻率輸出由低到高進行，因此，選擇掃描頻率時，主要對最低頻率f1及最高頻率fb進行選擇。f1太低時低頻段振幅衰減強烈，震源在這一頻率段掃描時間增加，無形中浪費了部分能量，同時f1的選擇應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)，同時還應考慮可控源的最高截止頻率(通常為160 Hz)，以保證設備的安全施工[10]。本次掃描頻率實驗主要對掃描高頻進行選擇。

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

圖3 掃描高頻130 Hz與110 Hz單炮記錄頻譜對比

3.4 掃描長度

掃描長度為可控震源工作時，掃描信號由低頻到高頻向下傳播的時間。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。掃描長度越長激發(fā)能量越強，信噪比越高[11]。但并非越長越好，可控震源在震動過程中，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，同時還要考慮目的層反射波對激發(fā)能量的需求[12]。圖4為1臺震源，震動次數(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。在測點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且強于12 s，掃描長度14 s單炮記錄信噪比最高，頻帶相對寬。

圖4 掃描長度實驗單炮記錄對比(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。當震源底板與地表的耦合較好時，可適當增加震源出力，以增加激發(fā)能量；震源底板與地表的耦合較差時(如地表凹凸不平或有基巖出露等情況)，可適當降低震源出力，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，結合以往勘探經(jīng)驗，本區(qū)震源出力選擇75%。

4 采集技術

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

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

2)接收：5個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)觀測系統(tǒng)：96道接收，24次疊加，道距5 m，炮點距10 m，偏移距0 m，中點激發(fā)或單邊激發(fā)(向斜軸部采用中點激發(fā)兩端對稱接收，向斜兩翼采用單邊激發(fā)，下傾方向震動上傾方向接收[15]。

5 效果分析

采用可控震源技術及以上采集參數(shù)，經(jīng)過精細施工取得了較好的地震成果(圖5)。測線上由淺至深主要發(fā)育2組反射波(T3、T4)，其中 T3反射波位于時間剖面0.3 s附近，多以復合波出現(xiàn)(表現(xiàn)為2～3強相位)，波組能量強，可連續(xù)追蹤解釋。T4反射波位于時間剖面0.5～0.6 s之間，以1～2個強相位形式出現(xiàn)，基本可連續(xù)追蹤。結合本區(qū)地質(zhì)資料，認為T3波為煤層反射波，T4波為基底反射波，經(jīng)鉆孔(位于時間剖面CDP900位置)驗證，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，地震時間剖面上通常以復合波特征出現(xiàn)，該特征與本次地震時間剖面上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)采用可控震源技術可行、選取的采集參數(shù)合理。

圖5 H探區(qū)地震時間剖面

表1 鉆孔驗證情況統(tǒng)計

6 結論與認識

通過本次地震勘探采集工作，有以下幾點認識：

1)對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，當然可控震源技術的可行性，還要結合地震地質(zhì)條件，目的層勘探深度等因素進行綜合判定。

2)可控震源激發(fā)時震源臺數(shù)及震動次數(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，在野外數(shù)據(jù)采集中從提高施工效率的角度考慮，可以適當減少震源臺次，應用多次覆蓋技術進一步提高地震資料信噪比。

3)采用多臺震源同時激發(fā)，各臺震源的掃描信號參數(shù)、相位應保持一致，為此，在震源工作前，應對各臺震源的一致性進行檢查。

4)與傳統(tǒng)炸藥震源相比，可控震源技術在提高施工效率，節(jié)約成本方面優(yōu)勢明顯，同時可降低HSE風險，符合當前綠色勘查的要求。

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

6)本區(qū)受風的影響隨機干擾嚴重，盡管采用可控震源技術對干擾進行了壓制，但野外數(shù)據(jù)采集應盡量選擇無風時段或避開風力較大的時段，以進一步提高地震資料信噪比。