可控震源地震采集技术在H探区煤炭勘查中的实验

孙 海 川

(甘肃煤炭地质勘查院，甘肃 兰州 730000)

0 引言

甘肃省酒泉市肃北蒙古族自治县境内的北山地区吐鲁—驼马滩盆地内，具有煤层厚度较大、埋藏浅、资源量大，矿区水文地质及工程地质条件较简单等特点，属低瓦斯煤层。该区煤炭资源的勘查及开采将极大地缓解酒泉地区的煤炭供需矛盾，具有良好的社会意义和经济意义。

地震勘探作为找煤勘查的手段之一已在该区取得了较好的勘查效果。但该区为大陆性气候，干燥多风，植被不发育，属典型的沙漠戈壁区，生态条件极为脆弱，浅层第四系分布广泛，以砂砾石、亚沙土层覆盖，厚度大，潜水位深，给地震勘探带来极大的困难。针对该区表浅层地震地质条件复杂的状况，选择合理的地震激发技术，提高地震资料信噪比、降低环境破坏成为该区地震勘探需要解决的问题。笔者以H探区为研究区，将可控震源技术应用到该地区，克服了以往炸药震源对生态环境产生的不利影响，降低了施工成本。在采用可控震源技术的基础上，结合采集参数试验分析，获得了信噪比较高的原始资料，取得了较好的地质效果，为类似地区可控震源地震勘探提供了有参考价值的范例。

1 探区概况

1.1 地层及构造

H探区位于吐鲁—驼马滩盆地东北部，属陆相沉积地层，基本构造形态为地层向盆地中心倾伏的向斜构造，断层不发育。区内地层自下而上有：志留系(为变质岩基底)、白垩系下统老树窝群、新近系上新统苦泉组及第四系。其中白垩系下统老树窝群为主要含煤地层。

1.2 地震地质条件

H探区地貌属戈壁平原，地形较为平缓，地表被第四系覆盖，植被稀疏。区内工电干扰少且车辆通行较为方便，有利于地震勘探野外工作。本区为典型大陆性气候，干燥少雨多风，春冬为风季，年平均风速4.4～5.0 m/s，最大风速达23 m/s，随机干扰严重。区内表层普遍存在的砂砾石使得地震成孔困难，应用传统的炸药震源激发能量散失严重，次生干扰强[1]；浅层第四系分布广泛，以砂砾石、亚沙土层覆盖，厚度大，多透水而不含水，且潜水位深。因此，探区表浅层地震地质条件复杂。

H探区含煤地层为白垩系下统陆相碎屑含煤建造，可采煤层厚度最大31 m，煤层埋深一般在400 m左右，层位稳定，全区发育。地层倾角不大，煤层与顶底板围岩速度差异较大，存在较大的波阻抗差，能形成较强的煤层反射波，具备地震勘探的前提。

利用可控震源技术可以有效避开地震激发孔成孔困难及使用炸药震源对生态环境的扰动等问题，改善地震激发、接收条件，提高施工效率，降低勘探成本，改善该区地震勘探效果[2]。

2 可控震源可行性分析

可控震源和炸药震源是煤田地震勘探主要采用的激发震源，对于地震地质条件复杂的戈壁地区，选择合理有效的激发方式显得尤为关键。随着地震勘探技术的发展，可控震源作为一种安全、高效、环保、经济的激发方式在煤田地震勘探中已被广泛应用，特别符合当今社会安全和绿色勘查的要求[3]。相对于传统炸药震源，可控震源激发能量、频率、振幅可控，地表激发不用成孔、受复杂浅层地震地质条件(如砂砾石层、砂土层、表层低速带、潜水面深)影响小。缺点是受地形限制大、单炮能量小、初至不易拾取等[4]。

H探区属沙漠戈壁区，生态条件极为脆弱，选用传统的炸药震源进行野外施工主要存在4点问题：一是该区位于省(市)交界处及中蒙边境线附近，地理位置极为特殊，安全限制因素多、炸药手续办理繁琐、审核周期长；二是该区远离市区、荒芜人烟、炸药运输成本太高；三是该区植被稀少、荒漠化严重、生态条件极为脆弱，应用炸药震源施工会对当地的生态环境造成破坏，不符合绿色勘查的要求；四是本区表层存在的砂砾石层使得炮井成孔困难，主要表现在成孔施工时易塌孔，施工效率低下，加之本区潜水面相对较深，炮井最佳激发深度难以达到，不利于地震波激发。因此，在该区开展地震勘探工作，在地形条件允许的前提下，优先考虑使用可控震源激发。本区地形较为平缓，适宜应用可控震源开展工作。鉴于本区复杂的表浅层地震地质条件，应用可控震源作为激发震源具有以下优势：一是可控震源地表激发时对岩石的破坏较小，主要能量用于产生弹性波，频率范围可以根据地层特性选择损耗最少、最适宜地层传播的频率作为扫描的频带，使震源能量发挥到最大；二是受外界强风干扰严重(该区多风且风力较大)，由于可控震源采用了相关技术，对风沙噪声的压制效果较好，提高了地震资料的信噪比[5-6]。三是探区目的层深度相对较浅(小于700 m)，结合以往地震勘探经验，采用可控震源激发易实现目的层对激发能量的需求，能够取得较好的地震效果。

3 采集参数实验

在采用可控震源施工的基础上，借鉴以往地震勘探经验，进一步对可控震源激发参数进行实验。

可控震源采用小震源多次激发，以低功率在地表相对较长时间内持续向地下激发信号，然后将所得到的信号相互叠加、干涉形成了可控震源原始记录，再应用相关技术使震源反射信号从干涉信号中恢复出来，得到了可用于解释的原始记录，这种激发方式与炸药震源的常规地震记录类似。可控震源激发过程中产生的信号具有可调节性，其振幅与频率均为时间的函数。应用较为多的就是线性正弦信号，其表达式为：

其中，S(t)为扫描信号，A(t)为扫描信号的振幅包络数，f(t)为扫描信号的瞬时频率，t为时间[7]。震源工作过程中，原始数据质量和上述参数密切相关。因此，需要结合探区地震地质条件及目的层深度进行可控源激发参数试验，本次主要对震源台次、扫描频率、扫描长度及震源出力进行试验[8]，选择适合本区的激发参数，以保证原始数据的质量。

3.1 震源台数

可控震源工作时可以使用1台激发或多台同时激发，多台震源同时激发主要是加强向下传输的能量，同时也可避免单台震源出力过大使能量过多损耗在地表破碎带中，进而加强对地表干扰的压制。但不是震动台数越多越好，随着震动台数的增加，能量叠加会使反射波的主频向低频方向移动，不利于高分辨率地震勘探[9]。震动台数的选择应以能量能满足目的层勘探深度及压制干扰为主。本次探测目的层最深为志留系变质岩基底，基底深度不超过700 m，探测深度相对较浅。本次试验选取1台、2台和3台震源进行震源台数试验。

图1为2次震动，扫描频率20～130 Hz，扫描长度14 s，震源出力75%，震源台数1台、2台和3台的单炮记录、信噪比、能量及频谱分析图。在测点 4 590～4 965之间，震源台数1台、2台和3台的单炮记录上均有有效反射波(如图中蓝色虚线框所示)，反射波位于0.4～0.6 s之间，随着震源台数的增加，单炮记录能量逐渐增强，单炮记录面貌有所改善，1台、2台和3台震源激发的信噪比均较高，总体差别不大。从频谱角度考虑，3台震源单炮记录频带相对略窄，有向低频移动的趋势。本次勘探目的层相对较浅(小于700 m)，且地震单炮记录上均有有效反射波显示，从提高工作效率和节约成本的角度考虑，1台震源亦能满足生产需要，正式生产选取1台震源进行激发。

3.2 震动次数

图2为1台震源，扫描频率20～130 Hz，扫描长度14 s，震源出力75%，震动次数1次、2次和3次的单炮记录、信噪比、能量及频谱分析图。在测点 2 465～2 915之间，震动1次、2次和3次单炮记录面貌差别不大，背景干扰均小，从信噪比、能量及频谱角度考虑，随着震动次数的增加，能量逐渐增强，但整体差别不大，2次震动信噪比相对高，3次震动地震子波主频向低频移动，不利于高分辨率地震勘探。综合考虑，本次可控震源激发选取2次震动。

图2 震动次数实验单炮记录对比(上)、信噪比和能量分析(中)与频谱分析(下)

3.3 扫描频率

可控震源激发时，在一定的扫描长度内，扫描频率输出由低到高进行，因此，选择扫描频率时，主要对最低频率f1及最高频率fb进行选择。f1太低时低频段振幅衰减强烈，震源在这一频率段扫描时间增加，无形中浪费了部分能量，同时f1的选择应有助于压制低频干扰。本区的低频干扰主要为面波干扰，频带在15～20 Hz,为压制低频面波干扰，从保证地震资料信噪比的角度考虑，该区最低频率选择 20 Hz。fb的选择应不高于目的层反射波的最高频率(本区目的层反射波的频率为15～150 Hz)，同时还应考虑可控源的最高截止频率(通常为160 Hz)，以保证设备的安全施工[10]。本次扫描频率实验主要对扫描高频进行选择。

高频选择实验，可控震源其他参数分别为：低频20 Hz，震源1台，2次震动，扫描长度14 s，震源出力75%，高频选择110、130 Hz进行实验。图3为110、130 Hz单炮记录频谱对比，可以看出，高频130 Hz频带宽度相对于110 Hz的要宽，且在50～100 Hz频段振幅较强，有效地提高了地震资料的分辨率，野外数据采集中，在仪器安全运行的前提下，应尽量增大高频信号振幅，本次实验选取高频为130 Hz，能够拓宽有效波频宽，进而提高地震勘探分辨率。

图3 扫描高频130 Hz与110 Hz单炮记录频谱对比

3.4 扫描长度

扫描长度为可控震源工作时，扫描信号由低频到高频向下传播的时间。通常来讲，扫描长度决定了激发能量，与炸药震源的炸药量相当。扫描长度越长激发能量越强，信噪比越高[11]。但并非越长越好，可控震源在震动过程中，扫描长度过长，若超出了弹性形变的范围，有可能在地震记录中产生二次谐波虚像或“多初至”虚像，同时还要考虑目的层反射波对激发能量的需求[12]。图4为1台震源，震动次数2次，扫描频率20～130 Hz，震源出力75%，扫描长度12、14 、16 s的单炮记录与信噪比、能量及频谱分析图。在测点4 590～4 965之间，扫描长度12、14、16 s的单炮记录上均有有效反射波(如图中蓝色虚线框所示)，反射波位于0.4～0.6 s之间，扫描长度14、16 s的单炮记录能量相当且强于12 s，扫描长度14 s单炮记录信噪比最高，频带相对宽。

图4 扫描长度实验单炮记录对比(上)、信噪比和能量分析(中)与频谱分析(下)

3.5 震源出力

震源出力的选择主要考虑震源底板与地表的耦合情况。当震源底板与地表的耦合较好时，可适当增加震源出力，以增加激发能量；震源底板与地表的耦合较差时(如地表凹凸不平或有基岩出露等情况)，可适当降低震源出力，以避免地震地震记录中可能产生的假象[13-14]。本区表层主要以砂砾石、亚砂土为主，无基岩出露，地表相对平坦，震源底板与地表的耦合较好，在地震记录未失真的前提下，应尽量提高震源出力，增加下传能量，提高地震资料信噪比。考虑到本区目的层埋深及激发能量的需要，结合以往勘探经验，本区震源出力选择75%。

4 采集技术

通过借鉴邻区地震勘探经验，可控震源可行性分析及激发参数实验对比后，本区采用可控震源技术并确定了以下采集参数：

1)激发：采用可控震源1台2次震动，震源出力75%，扫面频率20～130 Hz，扫描长度14 s。

2)接收：5个60 Hz检波器串联纵向线性组合埋置，组内距1 m。

3)仪器：采用可控震源M26，AriesⅡ型数字地震仪，采样间隔1 ms，记录长度2 s，全波段接收。

4)观测系统：96道接收，24次叠加，道距5 m，炮点距10 m，偏移距0 m，中点激发或单边激发(向斜轴部采用中点激发两端对称接收，向斜两翼采用单边激发，下倾方向震动上倾方向接收[15]。

5 效果分析

采用可控震源技术及以上采集参数，经过精细施工取得了较好的地震成果(图5)。测线上由浅至深主要发育2组反射波(T3、T4)，其中 T3反射波位于时间剖面0.3 s附近，多以复合波出现(表现为2～3强相位)，波组能量强，可连续追踪解释。T4反射波位于时间剖面0.5～0.6 s之间，以1～2个强相位形式出现，基本可连续追踪。结合本区地质资料，认为T3波为煤层反射波，T4波为基底反射波，经钻孔(位于时间剖面CDP900位置)验证，地震解释成果与钻探成果基本吻合(见表1)。钻孔在380～417 m钻遇7层煤，煤层厚度0.3～3.2 m，煤层平均间距5m，地震时间剖面上通常以复合波特征出现，该特征与本次地震时间剖面上T3煤层反射波特征吻合较好。地震解释煤层及基底深度满足规范要求中深度解释误差不大于9%的要求[16]，充分证明本区采用可控震源技术可行、选取的采集参数合理。

图5 H探区地震时间剖面

表1 钻孔验证情况统计

6 结论与认识

通过本次地震勘探采集工作，有以下几点认识：

1)对于炮井成孔困难地区，在地形条件允许的条件下，可以考虑采用可控震源技术，当然可控震源技术的可行性，还要结合地震地质条件，目的层勘探深度等因素进行综合判定。

2)可控震源激发时震源台数及震动次数增加主要目的提高地震原始记录信噪比，但其效果通常不如多次覆盖技术，在野外数据采集中从提高施工效率的角度考虑，可以适当减少震源台次，应用多次覆盖技术进一步提高地震资料信噪比。

3)采用多台震源同时激发，各台震源的扫描信号参数、相位应保持一致，为此，在震源工作前，应对各台震源的一致性进行检查。

4)与传统炸药震源相比，可控震源技术在提高施工效率，节约成本方面优势明显，同时可降低HSE风险，符合当前绿色勘查的要求。

5)可控震源采集参数的选取，不仅要进行单炮记录(地震记录面貌或有效反射波)对比、还应对影响地震记录品质的能量、信噪比及频谱等进行定量分析，综合判定采集参数。尽量避免凭经验或采用单一手段而带来的随机性、盲目性。

6)本区受风的影响随机干扰严重，尽管采用可控震源技术对干扰进行了压制，但野外数据采集应尽量选择无风时段或避开风力较大的时段，以进一步提高地震资料信噪比。