可控冲击震源在工程地震勘探中的应用探索

王德福

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司， 南京 250101)

近年来，随着各种非炸药震源及浅层地震技术的发展，地震勘探在城市工程勘探中的应用越来越多[1-2]。工程勘探中常用的非炸药震源有电火花震源、夯击震源、电磁式与液压驱动式可控震源等[3]，其中使用最多的是电火花震源，这是一种通过水环境将电能转化为动能的震源装置，它以电极高压脉冲放电，产生高温高压的电弧将周围水体气化，对水产生巨大的冲击力，从而产生地震波[4]。电火花震源在江河湖海等水域环境应用很好，但因依赖水体也有局限性[5]。夯击震源使用冲击夯作为激震源，体积小，易携带，但夯击震源因冲击夯的自身原因存在相关干扰问题[6]。电磁式可控震源是一种由振动器将电能转换成动能，并冲击大地产生的地震波[7-8]，具有性价比高、分辨率高的特点，但存在与大地耦合困难，且难以提高震源能量等问题，常用于教学当中[9-10]。液压驱动式可控震源是目前深部地震勘探最常用的可控震源[11]，常搭载于震源车上，但对施工场地有要求[12]。在当下非炸药震源中可控震源是最突出的一类，但还没有一种机动性强、环境适应性好、震源能量可控、激振频率变化大且可控、噪声干扰压制好、探测距离长且成熟的可控震源[3]。针对这一需求，探索研究可控冲击震源在工程勘探中的应用效果。

1 可控冲击震源原理

1.1 相关叠加原理

可控震源技术是一种相关叠加技术，它通过震源信号的相关叠加实现增强能量压制噪声的目的，并能保持信号的高频特性，达到探测距离大、分辨率高的特点[13-16]。单次撞击的震源信号为s(t)，是一个具有高频特性的理想子波，每次冲击重复发射。可控震源设计一个时间编码序列p(t)，用以控制震源s(t)使之重复作用，产生地震波输出。编码信号具有伪随机特点，是时间离散的单位脉冲序列。编码时间序列p(t)满足2个条件：1) 自相关为δ函数；2) 与干扰噪音的互相关为零。一个线性的时间编码序列可满足上述2个条件，表达如下：

p(t)=δ(t-ti)

(1)

线性时间编码序列具有伪随机特点的数学表达，就是其自相关函数ACF(P)具有δ函数的性质，满足下列条件，即

(2)

式中：m为编码长度，即冲击次数。当时间编码序列作用于震源时，震源就会按照编码的控制产生时间序列输出振动z(t)。

(3)

此时要求最小冲击时间间隔大于震源信号的周期，即最高冲击频度要小于地震波的频率。编码冲击震源的地震记录D(t)可写成：

Dc(t)=p(t)*s(t)+n(t)

(4)

式中：n(t)为噪声；*为褶积算子。

按相关算法，合成的地震记录U(t)可由冲击记录与冲击时间序列的互相关获得。

U(t)=p(t)⊗D(t) =

ACF{p(t)}*s(t)+p(t)⊗n(t)

(5)

由于编码序列满足伪随机性，因此解编后的地震记录是单次激发地震波的m倍。

AFC[p(t)]=mδ(t)p(t)⊗n(t)=0

U(t)=ms(t)

(6)

从式(6)可知，m次冲击的编码系列，得到的地震记录的幅值是单次冲击幅值的m倍，这就是可控震源的相关叠加原理。

1.2 可控冲击震源工作方式和技术参数

可控冲击震源激发地震波，地震仪与检波器接收地震波。震源按时间序列产生一系列冲击，地震仪将这些冲击过程产生的所有地震波都记录下来，经过时间序列与地震记录的相关处理，合成高信噪比的单炮记录。震源工作方式如图1、图2所示。

图1 震源工作原理示意

图2 震源连接示意

有2个技术环节保证震源与地震仪两者的协调工作：一是时间序列的掌控，地震仪要早于震源开始记录，并晚于震源结束；二是将震源每次激震的时间序列记录到地震记录中。具体步骤如下：1) 使用震源自带的编码线，将震源冲击时间信号连接到地震电缆上，同步记录到地震记录中，占用一个通道；2) 可在震源附近地面插一个检波器，用以记录震源子波，代替编码信号进行相关叠加。目前北京某公司生产的TDIS系列可控冲击震源，可与国内外各种地震仪匹配，其中TDIS-1800用于隧道超前预报，TDIS-2800用于路面、岩溶等工程勘探，其技术参数如表1所示。

表1 TDIS-2800型可控冲击震源技术参数

2 可控冲击震源的工程应用

(a) 单次冲击震源子波

(b) 震源子波汇总

(c) 时间-重复频率曲线

2.1 隧道超前预报

目前炸药管控越来越严，开展非炸药震源隧道地质超前预报研究重要且必要。在大罗山隧道采用可控震源与炸药震源，以TST方法进行超前地质预报对比试验。试验布置采用TST常规布置方案，阵列式观测排列，道间距2 m，炮间距8 m，如图4所示。二者只是震源布置方式不同：炸药震源采用打孔预埋方式，可控冲击震源采用在围岩表面直接激振的方式。第1次预报里程为K1+62～K1+162，采用炸药震源，用纵波做预报，第2次预报里程为K1+134～K1+234，采用可控冲击震源，2次预报中间重叠路段为28 m，据文献[16]可控震源原理，采用横波做预报更适宜。

单位：m

预报成果主要由地质界面偏移成像图和围岩波速分布图组成，偏移图像给出了地质界面的位置，波速图给出了围岩的真实波速[17-18]，结果如图5所示。在重叠段K1+134～K1+162，纵波波速4 000 m/s，横波波速3 100 m/s，偏移图像都是细碎密集小条纹组合，说明存在众多小反射界面，可解读为节理裂隙发育，2次预报结果基本一致。试验表明，在良好围岩地质条件下(支护等级为Ⅲ级及以上)，可控冲击震源可替代炸药震源进行长距离超前地质预报。但当隧道围岩情况较差，可控冲击震源激振效果不佳。由震源工作原理可知，当围岩较差时，地震波能量衰减较快。在隧道超前预报工作中发现，使用可控冲击震源激振过程中，直接在围岩表面激振效果优于在初期支护表面激振，尤其是当初期支护喷涂不密实，存在空洞时，可控冲击震源激振效果很差，激发能量很弱。

(a) 炸药震源反演结果

(b) 可控冲击震源反演结果

2.2 电塔地基岩溶探测

可控冲击震源在工程领域另一个重要应用就是作为场地地震勘探的震源。某地电力局架高压线电塔，因为地处灰岩地区，在预设电塔中心位置打钻孔后发现存在岩溶发育，会对电塔地基产生影响，随即开展震源勘探，对岩溶发育情况进行探测。受测区环境限制，观测排列方案采用32道插地检波器，道间距0.5 m，检波器固定位置，炮点每次前进1 m。可控冲激震源每炮点激振100 s，重复频率2 Hz～8 Hz，典型单炮记录如图6所示。

从图6(a)可控冲击震源原始记录可见，地震波同相轴清晰、连贯，对干扰压制良好，无明显低频或高频干扰。由于震源激发地震波的频率与震源的作用时间、地基刚度及检波器的频率特性有关，当作用时间短、地基刚性强时，激发的地震波频率高。由于地震波传播过程中高频衰减快，近场接收时频带宽，远场接收时频率低。本次勘探的场地为灰岩区，冲击震源激发的地震波频带为10 Hz～500 Hz，如图6(b)在岩溶勘探中具有一定的代表性。在可控震源地震勘探中，岩溶发育区受入射波的激励会对外发出散射波，这是岩溶区探测的基础。但因岩溶散射的地震波能量较弱，可能被其他干扰波掩盖，为此，可通过提高震源能量的方式，增强散射波。勘探中发现，可通过延长可控冲击震源的激振时长来增强能量，对震源采集的数据进行处理后的波速图像和地质偏移图像，如图7所示。

(a) 可控冲击震源原始单炮记录

(b) 记录频谱

岩溶发育处不仅在波速图像中呈低波速异常区域，如图7(a)所示，还在偏移图像中存在先负反射界面后正反射界面结构，如图7(b)所示。上界面波阻抗变低，为负反射界面；下界面波阻抗升高，为正反射界面。对图中岩溶位置进行钻孔验证，钻孔数据如表2所示，在钻孔中发现溶洞，证实勘探结果准确可靠。

(a) 波速图像

(b) 偏移图像

表2 钻孔数据

2.3 路面空洞探测

某地发生局部道路塌陷，现进行地震勘探对整段路进行脱空区排查。为协调工作效率与数据质量，开展锤击震源与可控冲击震源对比试验，为后续此类勘探工作的开展提供参考。采用23磅大锤与可控冲击震源进行对比试验，震源参数设置为冲击时长50 s，重复频率1 Hz～6 Hz，单炮冲击175次。现场为沥青路面，观测排列采用32道1 m间距的检波器串进行接收，偏移距1 m，炮间距1 m。地震记录如图8所示。

(a) 23磅大锤震源的共炮点道集

(b) 可控冲击震源共炮点道集

从图8中可知，在未对原始记录进行滤波处理时，可控冲击震源对过往车辆等随机噪声压制效果更好，几乎没有低频干扰，反射、散射波明显，同相轴清晰，一目了然；而图8(a)锤击记录地震信号与背景噪声混杂，信噪比低，反射波不明显，且锤击能量较弱，在沥青路面环境下衰减较快，远端直达波较弱信号不甚清晰。

对震源采集得到的数据使用SSP地震散射软件进行波速扫描，如图9所示。结果表明，由于可控冲击震源冲击叠加的工作方式，对干扰波压制效果理想，速度扫描能量团叠加较为集中，最深极值点出现在180 m(最大勘探深度)。

图9 可控冲击震源共炮点道集速度扫描

3 结束语

1) 在岩溶探测中，采用可控冲激震源可增强散射波能量，提高探测的准确性。

2) 对比锤击震源，可控冲击震源的能量更大，且对干扰波的压制效果良好。

3) 采用可控冲击震源后，地震勘探探测深度会随激振时长的增大而增大，在采用激振50 s，重复频率1 Hz～6 Hz的情况下，勘探深度可达180 m。

4) 采用可控冲击震源进行长距离超前地质预报是可行的，但可控冲击震源在隧道内的使用受到围岩破碎情况的制约，且必须直接在围岩表面激振。本文研究未涉及面波法等其他浅层地震勘探应用，可作进一步的研究。