鄂尔多斯北部地震勘探可控震源激发参数试验分析

杨晓柳，张 伟，宁媛丽，陈江源，孟 锐，赵 威，朱圣伟

(1.核工业航测遥感中心，河北石 家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室，河北 石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002)

0 引言

研究区位于鄂尔多斯盆地北缘。据前人勘探成果显示，区内铀成矿条件优越，具有较好的铀矿找矿前景。地震勘探作为铀矿勘查的重要物探手段之一，已在松辽盆地取得了较好的勘探效果。地震信号的激发源主要分为炸药震源和可控震源两种类型，相较于炸药震源，可控震源具有安全、环保、施工效率高、激发参数可依据研究区地表条件的不同进行调整等优点[1]，在国内外地震勘探领域已得到广泛应用。针对该区地势较为平坦，地表以草场覆盖为主，生态环境较为脆弱的状况，选择可控震源开展地震勘探，克服了炸药震源对生态环境的不利影响。可控震源激发参数选取是否合理成为了决定地震数据质量好坏的关键因素。因此在正式开展地震数据采集之前，需进行可控震源激发参数试验，优选适合该区的最佳激发参数。

1 研究区概况

1.1 研究区地质概况

研究区位于伊盟隆起的次级构造单元杭锦旗凹陷内。基底为新太古界和古元古界变质岩系。盖层包括中—新生界的三叠系(T)、侏罗系(J)、下白垩统(K1)和第四系(Q)，其中三叠系、侏罗系和白垩系是盆地沉积盖层主体。侏罗系(J)在盆地东部、北东部准格尔旗呈三角形状大面积出露，为鄂尔多斯盆地重要的含油、含煤地层之一，由安定组(J3a)、直罗组(J2z)、延安组(J2y)、富县组(J1f)组成；下白垩统在盆地中部大部分地区分布，是盆地北部出露最广的地层，由泾川组(K1j)、罗汉洞组(K1lh)、环河组(K1h)、洛河组(K1l)组成。其中，下白垩统环河组是本次研究区勘探的主要目标层[2]。

1.2 地震地质条件

研究区内地势平坦，震源重锤与地面耦合性较好，为可控震源的激发提供了良好的先决条件。区内多数地段为软土覆盖，局部地段出露砂岩，施工时地震波能量衰减较小，对震源施工有利。此外，研究区高压电干扰较少，交通便利，为地震勘探奠定了良好的基础。

对研究区的测井资料进行了统计分析(表1)，下白垩统罗汉洞组与环河组密度差为(0.3～0.5 )g/cm3，速度差为(0.4～1.3)km/s，密度和速度差异均较大；下白垩统环河组与洛河组密度差为(0.1～0.4)g/cm3，速度差为(0.5～1.3)km/s，速度差异较大[3]。下白垩统环河组与上、下地层之间的波阻抗差异较大[4]，能够形成强反射界面，为研究区开展地震勘探奠定了较好的物性基础。

表1 杭锦旗地区物性参数

2 可控震源工作原理

可控震源在一段相对较长的时间内，可以通过与地表耦合良好的震源重锤连续不断地向地下激发扫描信号，各地层反射回来的信号经过相互叠加、干涉形成可控震源原始记录，利用相关技术将混叠信号中的震源反射信号分离出来，形成可用于解释的常规地震记录[5]。

可控震源产生的连续扫描信号频谱和基本特性是可以人为调整的，应用最广泛的扫描信号为线性升频信号，其数学表达式为

(1)

式中，f1为扫描频率的最低频率，f2为扫描频率的最高频率，T为扫描长度，t为时间[6]。

上述参数选取的是否合理，将直接影响可控震源连续扫描信号S(t)的好坏，进而影响利用可控震源采集得到的地震资料的品质。因此在地震数据采集之前应先进行可控震源激发参数试验分析，优选适合该研究区的最佳激发参数，以便得到反射能量强、信噪比和分辨率能够满足地质勘探要求的原始数据。

3 激发参数试验

3.1 震动台次试验

当可控震源作为地震信号的激发源时，多台震源同时激发可以增加向地下激发的信号的能量，同时可避免1台震源由于出力过大导致能量过多的消耗在地表破碎带。但是随着可控震源数量的增加，叠加能量会导致反射波的主频降低，从而降低原始地震数据的分辨率[7]。此外，更多的震源台数组合基距较大，不利于保证初至拾取的精确度[8]。可控震源数量的选择应以激发的能量能够满足最深目标层深度为标准。本次研究区勘探目标层为下侏罗统环河组，环河组底板埋深不超过750 m，深度较浅，本次试验分别选取了1台和2台可控震源进行试验。其他激发参数：震动次数4次，扫描长度16 s，扫描频率6～100 Hz。

由试验单炮记录(图1)可知，1台和2台震源原始单炮记录在浅部和中部的反射波均可见，但2台震源原始单炮记录的能量更强，连续性更好。从震动台次试验对比图(图2)可知，2台震源原始单炮记录无论是能量还是信噪比均优于1台震源，因此本次采用2台可控震源激发。

3.2 震动次数试验

可控震源激发时，增加震动次数，即增加垂直叠加次数，可加强有效波的能量，压制随机干扰，提高原始地震数据的信噪比。但是随着震动次数的增加，与有效波频率相近的干扰波亦会得到加强，从而降低信噪比。当震动次数过多时，可能改变地震记录的相位，降低分辨率[9]。因此，选取合适的震动次数，有利于保证原始数据的质量。

图1 震动台次原始单炮记录

图2 震动台次试验对比图

本次试验进行了自3次至8次的震动次数试验。其他激发参数：震动台次2台，扫描长度16 s，扫描频率6～100 Hz。从震动次数原始单炮记录(图3)可知，各震动次数情况下各深度反射波同相轴均清晰可见，且连续性较好。据能量分析图(图4a)可知，随着震动次数的增加，原始单炮记录能量逐渐增强。据信噪比分析图(图4b)可知，在高频60 Hz部分和低频25 Hz部分3～8次震动信噪比相差不大，在中频35 Hz部分3～8次震动信噪比先增大后减小，以4次最高。结合地质资料，研究区内目标层环河组埋深在650～750 m之间，由时频分析可知，该深度上对应主频以35Hz的中频为主，选取震动次数4次时目标层信噪比最高。综合考虑激发能量及资料信噪比，本次选择4次震动次数。

图3 震动次数原始单炮记录

从震动次数试验对比图(图4)可知，随着震动次数的增加，单炮记录能量逐渐增强，但增强幅度有限，且当震动次数过多时，甚至会降低地震资料的信噪比。

图4 震动次数试验对比图

在2台震源、震动次数4次的情况下，分别进行了24次、36次、48次、60次覆盖次数试验。其他激发参数：扫描频率6～100 Hz，扫描长度16 s，驱动电平75%。从覆盖次数试验对比图(图5)可知，随着覆盖次数的增加，地震剖面的反射波组能量增强，构造特征愈发清晰，地震剖面的分辨率显著提高，增加覆盖次数对地震资料信噪比提升效果明显。综合考虑目标层能量需求及施工效率，此次选择48次覆盖次数。

图5 覆盖次数试验对比图

3.3 扫描频率试验

在一定的扫描时间内，可控震源激发的扫描信号的频率由低到高进行输出，因此扫描频率的选择就是对最低频率和最高频率进行选择[10]。最低频率的选择要有助于压制低频干扰波，最高频率的选择应不高于目标层反射波的最高频率，同时还要考虑可控震源的最高截止频率，避免对可控震源的破坏[11]。

本次选取了6～80 Hz、6～90 Hz、6～100 Hz、10～80 Hz、10～90 Hz、10～100 Hz等6组频段进行试验。其他激发参数：震动台次2台，震动次数4次，扫描长度16 s。由试验单炮记录(图6)可知，各频段浅部、中部反射波均较清晰且连续性较好。由不同扫描频率的能量分析图(图7a)可知，在最高频率相同时，单炮能量随着最低频率的变化基本不变。由不同扫描频率的频谱分析图(图7b)可知，各扫描频段接收低频端信息无明显差别，而高频端频率越高，频带越宽，有助于提高地震资料的分辨率。野外施工采集数据时，在不超过震源车截止频率的前提下，应尽量提高扫描信号的频率，拓宽频带范围，提高地震资料的分辨率，且扫描频宽应大于2.5个倍频程，同时考虑后期波阻抗反演需要较宽频带的地震数据。故本次选取6～100 Hz作为扫描频率参数。

图6 扫描频率原始单炮记录

图7 扫描频率试验对比图

3.4 扫描长度试验

扫描长度是指可控震源在一次震动过程中，地震信号由低频至高频向地下传播的时间[12]。扫描长度越长，激发的能量越强，信噪比越高[13]。但当扫描长度过长，在可控震源震动的过程中，若超出弹性形变的范围，可能在地震记录中产生二次谐波虚像[14]。同时扫描长度的选择还应考虑目标层反射波对能量的需求。

为了选取合适的扫描时间，本次试验工作选取了8 s、10 s、12 s、14 s、16 s、18 s等6组扫描长度，其他激发参数为震动台次2台，震动次数4次，扫描频率6～100 Hz。由原始单炮记录(图8)可知，随着扫描长度的增加，浅部能量变化不大，反射波组同相轴数量、连续性相似，但中部反射波能量有所增加，扫描长度达到10 s及以上时，中部反射波能量增加已不明显。由扫描长度试验对比图(图9)可知，扫描长度越长振幅越强，但增强幅度有限；在资料信噪比方面，扫描长度16 s时，在目标层主频带(35 Hz)内信噪比较高，其他频带内差异不大。综上分析，选取16 s作为扫描长度参数。

图8 扫描长度原始单炮记录

图9 扫描长度试验对比图

3.5 驱动电平

驱动电平的选择主要考虑震源重锤与地面的耦合程度。研究区地势平坦，多为草地覆盖，震源重锤与地面的耦合情况良好，在地震记录不失真的前提下，应尽量提高驱动电平，增加向地下传播的能量，提高原始地震数据的信噪比[15]。

理论上驱动电平越高激发能量越强，同时驱动电平也受到可控震源本身性能限制。本次试验工作选取70%、75%、80% 3个参数，其他激发参数：震动台次2台，震动次数4次，扫描频率6～100 Hz，扫描长度16 s。图10为不同驱动电平的原始单炮记录，由图10可知，3种驱动电平条件下，浅部反射波同相轴均能较为清晰的显示，但在70%驱动电平下，中部同相轴连续性较差。由驱动电平试验对比图(图11)可知，随着驱动电平的提高，能量增强，除驱动电平70%时整体信噪比略低外，其余参数下信噪比相似。考虑到研究区目标层深度对激发能量的需求及可控震源本身性能，本次驱动电平选择75%。

图10 驱动电平原始单炮记录

图11 驱动电平试验对比图

4 试验剖面效果分析

通过对可控震源激发参数试验单炮记录的定性和定量分析，综合考虑研究区的目标层埋深、目标层频带范围等因素，确定了适合该研究区的最佳激发参数：震动台次2台，震动次数4次，扫描频率 6～100 Hz，扫描长度16 s，驱动电平75%，并将该激发参数严格应用于地震数据采集中。图12为该地区测线地震时间剖面，由图12可见，目标层反射波同相轴出现在590～620 ms，波组清晰，信噪比高，连续性较好，能量中等强度。采集结果充分说明震源激发参数选取得当，达到了最佳激发效果，有效地提高了地震记录的信噪比，获得了高品质地震资料。

图12 试验段地震时间剖面

5 结论

1)可控震源具有效率高、成本低、安全环保等特点，满足当前绿色勘查的要求。在地形条件允许的情况下，可控震源是较为理想的地震信号激发源。

2)数据采集时通过增加震动次数，可压制随机干扰，提高地震数据的信噪比，但当震动次数过多时，可能降低地震数据的信噪比，影响施工进度。因此在野外数据采集时，综合考虑施工进度等因素，可通过适当降低震动次数，采用多次覆盖技术来提升原始地震数据的信噪比。

3)可控震源激发参数选取是决定原始地震数据质量的关键因素。通过对原始单炮记录、影响资料品质的能量、信噪比及频谱等进行定量分析，综合考虑研究区地震地质条件、目标层深度等情况，本次选取震动台次2台、震动次数4次、扫描频率6～100 Hz、扫描长度16 s、驱动电平75%，取得了较好的应用效果。