电火花震源在城市地质调查三维地震勘探中的应用

陈杰，刘金辉，曹莉苹，何洪森，王强

电火花震源在城市地质调查三维地震勘探中的应用

陈杰1，刘金辉1，曹莉苹2，何洪森1，王强1

（1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川省煤田地质局，成都 610072）

三维地震勘探在城市地质调查中起着重要作用，而地震震源的选择是关键问题。本次选用的电火花震源具有安全经济环保、能量转换效率高等特点。以实际工作为例，通过试验对比优选电火花震源激发因素（激发能量，激发井深），获得了较好的单炮地震记录，处理后的叠加地震剖面信噪比较高、能量大、分辨率较高，可以真实反映浅层地质特征，证实了电火花震源激发地震波的有效性。实践表明，电火花震源在城市浅层地震勘探中具有较好的应用前景。

电火花震源；三维地震；城市地质

随着城镇化的不断推进，城市地质调查工作在城市规划建设中起着越来越重要的作用，部分城市构建了地质工作服务城市规划管理的常态化机制（张茂省等，2018；程光华等，2018）。三维地震勘探可以为三维地质建模、地上地下一体化展示提供地下地层信息、断层信息以及特殊地质体信息等，是城市地质调查地下空间探测中的一项重要工作（赵镨等，2017；李万伦等，2018；武斌等，2019）。地震波的激发效果直接影响了地震资料的品质、是决定地震勘探效果的重要因素，在地震勘探中具有举足轻重的作用。因此，优选地震波的激发方式尤为重要。地震勘探震源可以分为炸药震源和非炸药震源两大类。

炸药震源产生的地震波频带较宽、能量大、旅行时长，采集的单炮记录含有的地质信息丰富，目前炸药震源广泛应用于油气地震勘探中。但炸药震源存在一定的安全环境问题，不适用于人口建筑密集的城镇地区。

陆上非炸药震源主要包括夯击震源、可控震源及电火花震源等。夯击震源激发的地震波主频较低、能量较高，施工效率不高，一般适用于浅层地震。可控震源产生的地震波具有振幅较低、能量较高的特点，可以控制地震波的频率，适用于难以进行钻孔地区，比如松散地表，但是可控震源体积较大，使用时产生的噪声较大，对地表植被会产生一定的影响。电火花震源最初应用于海洋地震勘探，后来逐渐应用于陆地地震勘探中，电火花震源具有安全经济环保、能量转换效率高等特点，适用于无法使用炸药的城镇区域，是城市浅层地震勘探中的优选震源（佟训乾等，2012；宋德强等，2018；左公宁，2003）。

本次城市地质三维地震勘探工作区为建筑人口较为密集的城镇区域，无法使用炸药震源进行激发，而夯击震源施工效率较低、可控震源对周围植被的影响较大，因此本次工作中选择电火花震源的激发方式。前期进行了大量试验工作，对电火花震源激发效果进行评价，最终确定了最优激发因素。获得了品质较高的原始地震资料，初步叠加剖面信噪比和分辨率较高，可以真实反映地下浅层地质特征。

1 电火花震源基本原理及激发环境

1.1 基本原理

电火花震源是将脉冲电容储能转化为机械波能量的转换装置。基本原理如图1所示。主要构成部分有：高压脉冲电容电源Us、充电开关S1、放点开关S2、高压电容组C、放电电极。充电时，充电开关S1闭合，放电开关S2断开，放电时充电开关S1断开，放电开关S2闭合。放电时，高压电容器组中的能量通过同轴电缆瞬间释放，与此同时，和放电电缆相连接的地层以下的放电电极，在短时间内将附近土层水气化形成高温高压区，瞬间爆炸产生地震波（左公宁，1988）。

图1 电火花震源原理图

1.2 激发环境

电火花震源放电电极需要放置于水域环境中。若是在水域中激发，则直接将放电电极放置在水域中，而如果在陆域激发，则需要人工制造水环境，满足电火花震源激发条件。

图2 相同能量不同井深单炮记录对比

2 电火花震源的特点

电火花震源是一种非炸药震源，现在主要应用的电火花震源有六种规格，按能量等级划分为以下三类：500J和1KJ等级；20KJ和40KJ等级；200KJ和400KJ等级。

城市地质三维地震勘探探测目标为300m以浅的地层，使用40KJ等级的电火花震源可以满足探测要求。在城市浅层地震中使用电火花震源具有如下优势：

1）电火花震源适用于各种场地类型，不受已有构筑物、植被农田的限制；

2）电火花震源能量可控，可以根据探测目标的深度调节激发能量，激发效果较好；

3）电火花震源装置结构简单、便于携带、操作便捷，施工效率高；

4）电火花震源相比传统炸药震源更加安全环保，避免了炸药运输、储存、埋置、使用过程中的安全隐患，同时更大程度上避免了对环境的污染；

5）电火花震源能量转换效率高，可以提升勘探效率、减少能耗。

综合来看，电火花震源安全经济高效、能量转换效率高、激发效果好，应用于城市浅层地震勘探具有明显优势。

图3 相同能量不同井深信噪比对比

3 试验分析

为了初步检验电火花震源在城镇区域的激发效果，需要在不同条件下进行试验工作。试验工作的重点以激发因素为主。激发因素主要包括激发能量和激发井深，逐一进行单因素对比试验。

3.1 激发井深试验

选取工作区典型的地形条件作为激发试验点。试验遵循单一因素变化的原则，激发能量固定为80KJ，激发井深为0.5m、1.0m、1.5m，对比不同激发井深条件下采集的单炮地震记录效果。试验结果表明，如图2所示，井深1.5m的单炮记录目的层反射波能量最强，井深0.5m的单炮记录目的层反射波能量最弱。如图3所示，不同井深激发的单炮记录信噪比差别不大。因此，采用电火花震源激发，工作区内选择激发井深1.5m为宜。

图4 相同井深不同激发能量单炮对比

3.2 激发能量试验

试验遵循单一因素变化的原则，固定激发井深为1.5m，激发能量为30KJ、40KJ、60KJ、80KJ，对比不同激发能量条件下采集的单炮地震记录效果。如图4所示，30KJ的单炮地震记录能量最弱，60KJ和80KJ的单炮地震记录能量较强。如图5所示，激发能量越大，地震反射波能量越强。如图6所示，80KJ和60KJ的单炮地震记录信噪比较高、有效频带范围较宽。因此，工作区内采用80KJ激发能量为宜，可以保证地震资料的能量与信噪比。

综上所述，本次采用井深1.5m、80KJ能量进行地震波激发。

4 激发效果

为了进一步验证电火花震源的激发效果，对获得的单炮地震记录进行静校正、振幅补偿、反褶积、速度分析、动校正及叠加等常规处理，获得了初步叠加剖面。如图7所示，叠加剖面信噪比和分辨率较高、有效信号强、同相轴连续，地下地质结构特征如断层特征较明显，有效反映出浅层地下地质特征。证实了电火花震源激发地震波的有效性，可在类似区域开展电火花震源激发浅层地震勘探工作。

5 结语

将电火花震源应用于城市地质三维地震勘探中，实践表明，采用电火花震源激发的地震波能量大、频带较宽，获得的单炮地震记录信噪比和分辨率较高，初步叠加剖面真实反映了地下地质结构特征，证实了电火花震源激发的有效性、适宜性。

图5 不同激发能量目的层反射波能量对比图

图6 不同激发能量信噪比对比图

图7 现场处理初步叠加剖面

电火花震源作为一种非炸药震源，具有安全环保经济高效、能量转换效率高、激发效果好等特点，在城市浅层地震勘探中具有较好的应用前景。

张茂省，王化齐，王尧，董英，孙萍萍．2018．中国城市地质调查进展与展望[J]．西北地质，51(4)：1-9．

程光华，杨洋，赵牧华，苏晶文，李云峰．2018．新时代城市地质工作战略思考[J]．地质论评，64(6)：1438-1446．

赵镨，姜杰，王秀荣．2017．城市地下空间探测关键技术及发展趋势[J]．中国煤炭地质，29(9)：61-66+73．

李万伦，刘素芳，田黔宁，吕鹏，姜重昕，贾凌霄．2018．城市地球物理学综述[J]．地球物理学进展，33(5)：2134-2140．

武斌，李诗倢，陈宁，余舟，邹俊，梁义强，杨勇．2019．成都市城市地下空间探测的地球物理方法研究[J]．四川地质学报，39(S1)：194-202+224．

佟训乾，林君，姜弢，孙锋．2012．陆地可控震源发展综述[J]．地球物理学进展，27(5)：1912-1921．

宋德强，史颖，李海军，高斌，晏恒．2018．百万焦耳级电火花震源在勘探开发中的应用[J]．物探装备，28(5)：328-330+336．

左公宁．2003．陆地电火花震源的特性及其应用[J]．勘察科学技术，(01)：55-60．

左公宁．1988．电火花震源——适用于工程地震勘探的一种震源[J]．勘察科学技术，(01)：58-60．

The Application of Electric Spark Source to the 3D Seismic Exploration of Urban Geological Survey

CHEN Jie1LIU Jin-hui1CAO Li-ping2HE Hong-sen1WANG Qiang1

(1-Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering, Chengdu 610072; 2-Sichuan Bureau of Coal Geology, Chengdu 610072)

3D seismic exploration plays an important role in urban geological survey where the selection of artificial earthquake source is the key problem. The electric spark source used in this study is safe, economical and environmental friendly and high energy efficiency. Experimental study indicates that excitation factors (excitation energy, excitation depth) of electric spark source can obtain a better single-shot seismic record. The superimposed seismic profile after processing obtained is characterized by high signal-to-noise ratio, high energy, high resolution which can really reflect the shallow geological features. The electric spark source has a good application prospect in urban shallow seismic exploration.

electric spark source; 3D seismic exploration; urban geological survey; application

2020-06-10

陈杰（1992— ），男，四川富顺人，助理工程师，研究方向：地球物理勘探、城市地质

P315.9

A

1006-0995（2021）02-0295-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.022