新型甲烷气爆震源在青藏高原激发的信号特征研究

冀战波,李宗旭,贺日政,牛 潇,吴 蔚

中国地质科学院,北京 100037

地震波是获取地球内部结构与物质信息最有效的工具之一(Aki,1957; Claerbout,1968; Laske and Masters,1996; Campillo and Paul,2003),被誉为照亮地下的一盏明灯(陈颙和朱日祥,2005)。为了克服被动震源的先天缺陷(陈颙等,2018),人们利用炸药、落锤、偏心振动源、电火花等方式主动创造震源激发地震波,运用于区域结构探测、油气能源和矿产资源勘查等领域(Lutter et al.,1999; Yamaoka et al.,2001; Mooney et al.,2002; 常旭等,2008; 王洪体等,2009),极大地提高了资源勘查和开采的准确性,现已成为区域尺度地壳结构探测的重要手段。然而,由于人类活动范围逐渐扩大以及环保理念深入人心,激发条件日渐苛刻,上述部分主动源激发逐渐不太适应复杂地表地质条件与环境保护。为此,环保且高效的主动震源研究亟需开展。

经过近几年的努力探索研究(陈颙和李宜晋,2007; Wang et al.,2018),适用于水环境条件下的气枪震源(王宝善等,2016; Wang et al.,2020)及甲烷和氧气混合形成的新型气爆震源(Wang et al.,2019;Zhang et al.,2020; 徐善辉等,2020a,b)技术日渐成熟。甲烷和氧气混合(以下简称甲烷气爆震源),可在一定能量点火条件下发生爆轰反应,释放大量的化学能; 该气相爆轰反应也可产生高压气体,将其快速释放形成冲击波,作为一种新型震源产生地震波(Wang et al.,2019)。相对于几种常见的人工震源(陈颙和李宜晋,2007),甲烷气爆震源是一种能量大、易操作、受地形影响小的新型低成本绿色震源。与仅能在水环境条件下激发的环保型气枪震源相比,甲烷气爆震源更能适应复杂的陆地条件,且其能量密度远远高于常规以物理势能为能源的高压气枪震源。在中国东部不同地表地质条件下开展的甲烷气爆震源探测实验(Wang et al.,2019; 徐善辉等,2020a,b)表明该气爆震源是一种高性能的人工震源,具备服务于科研、生产等实际工作需求。特别是在江西景德镇朱溪钨矿区开展的包括甲烷气爆震源在内的多种主动震源激发和观测对比实验(Wang et al.,2019; Zhang et al.,2020)显示甲烷震源激发的地震波初至能量强、可追踪性好、反射波信号清晰可辨,单次激发传播距离可达15 km以上,具备探测上地壳浅部精细结构能力(Zhang et al.,2020)。

当前,国内的甲烷气爆震源实验都是在东部低海拔、高气压的环境下开展的,尽管已经被证明是适合地下结构探测的有效工具(Zhang et al.,2020;徐善辉等,2020a,b),但并未在高海拔、低气压气温环境下验证,如恶劣环境的青藏高原常年处于低压、低温环境,昼夜温差大,风噪高。因此,在青藏高原开展甲烷震源激发与接收工作有诸多挑战。为了进一步探索和发展甲烷气爆震源技术,我们于2020年10月在海拔5100 m的西藏日喀则市谢通门县青都—娘热矿集区开展了甲烷气爆震源的野外实验,并与同期施工的炸药震源进行对比研究。本文介绍了新型气爆震源在青藏高原腹地恶劣条件下的实验并与同期共线实施的高能量炸药震源对比,初步显示了新型气爆震源可在青藏高原地下结构探测中应用的可行性。

1 区域地质背景

印度次大陆自43 Ma以来(Mo et al.,2007)北向俯冲至位于欧亚板块前缘的拉萨地体之下,并促使青藏高原后期快速隆升。特别是在20 Ma以来(Yin and Harrison,2000)的隆升过程中,高原表面发育了东西向伸展作用下形成的近南北向地堑(Yin and Harrison,2000),如图1。尽管到目前为止高原隆升过程中的东西向伸展机制存在诸多争议(贺日政和高锐,2003),但探测这些南北向地堑的深部结构特征,是深入理解陆陆碰撞过程中的地表响应机制关键。本次实验区位于高原内部,几乎全为高角度正断层控制(吴章明等,1990; Kali,2010)的申扎—谢通门—定结裂谷(张进江等,2002; 哈广浩,2019; 徐心悦,2019)中部,该区域不仅地震活跃(Monigle et al.,2012; 张小涛等,2020; 王永哲等,2021),而且是娘热多金属矿集区(李光明等,2004; 徐泰然,2018; 徐泰然等,2018)所在位置。因此,利用人工震源探测裂谷深部结构对于理解青藏高原隆升过程中东西向伸展机制(Yin and Harrison,2000; 贺日政和高锐,2003)具有重要构造意义。

2 实验数据采集过程

为了探索在高原环境下的甲烷气爆震源特性,并可与炸药震源进行对比研究,我们将实验地点选择在西藏日喀则市谢通门县青都—娘热矿集区同期(2020-09-26—2020-10-05)实施的炸药震源深地震反射测线上,并采用相同的观测系统记录了炸药震源激发的地震波信号。

青都乡位于西藏中部日喀则市谢通门县北部,平均海拔4500 m,而此次开展实验的地点海拔达到了5100 m,气压仅为0.54个标准大气压。本次实验共使用了 3种型号的气爆震源进行了 26次激发:WB-76-1700、WB-70-2000及 WB-60-500型,具体激发过程如表1。

表1 甲烷震源型号及炮点实验参数Table 1 Methane source model and blast point test parameters

表1给出了详细的激发条件实验参数对比。与现场的炸药震源比较,甲烷气爆震源更加安全,施工灵活,方便快捷。

实验前,沿深地震反射数据采集侧线共线布设了49个EPS-2-M6Q(5s)型三分量短周期地震记录仪,其中 Q23台站位于甲烷震源激发点附近(见图 1b),实验中利用该观测系统记录了同期部分炸药震源激发的地震波,甲烷气爆震源、炸药震源及台站分布见图1。

图1 区域构造和甲烷气爆、炸药震源及台站分布图Fig.1 Regional structure and distribution of methane gaseous detonation,explosive source and seismic stations

甲烷震源的激发装置整体为钢制的圆柱形密封容器(图 2a),在装置顶端设置注气阀门和点火起爆器(图 2b),起爆器通过点火线路结构连接钢瓶内部的火花塞以引爆混合气体(图 2a)。震源激发前,甲烷和氧气按照反应配比在密集容器(图2)内混合。点火后,密集容器内发生强烈化学爆轰反应,产生高压气体,其内部压力可达 165 MPa。在密封容器的底端设有限压阀门,确保主要冲击能量定向向下传播(图 2b),当内部气体压力高于设定阈值后快速脱落,此时高压气体瞬间由底部释放,形成向下冲击产生地震波(Wang et al.,2019)。在甲烷震源激发实验中,甲烷与氧气反应生成水,对环境友好,同时整个爆轰反应被限制在钢制腔体内,不会产生类似炸药爆炸后的次生灾害,例如塌方等。钻井成本低,激发效率更高。

图2 甲烷震源的激发装置和激发方式示意图Fig.2 Excitation device and excitation schematic diagram of methane detonation source

3 人工震源信号分析

通过 49个台站记录到的甲烷爆轰实验产生的地震波信号,对甲烷震源当量估计、震源信号时频、传播特性等分析。

3.1 震源当量估计

甲烷震源的能量可由其初始压力、气体配比和气室容量计算。本次实验中,三种甲烷震源装置(WB-76-1700、WB-70-2000及 WB-60-500型)气室容积分别约为 7.7 L、7.7 L和 1.4 L,初始压力为7.5 MPa、7.5 MPa和6.0 MPa,甲烷和氧气按反应当量比1:2加入。根据甲烷/氧气反应方程式:

g 表示气相反应,其反应能∆H= –850 kJ/mol。

理想气体状态方程:

其中p为压强(Pa),V为气体体积(m3),T为温度(K),n为气体的物质的量(mol),R为摩尔气体常数(也叫普适气体恒量,8.314 J/(mol·K))。

由公式(2)计算得知三种甲烷震源装置(WB-76-1700、WB-70-2000及 WB-60-500型)气体物质量分别是25.43 mol、25.43 mol、3.70 mol。爆轰反应转化的总化学能分别为 EWB-76-1700,WB-70-2000=1/3×25.43 mol×850 kJ/mol=7.21 MJ,EWB-60-500=1/3×3.70 mol×850 kJ/mol=1.05 MJ。甲烷和氧气爆轰反应释放的化学能并不完全用于对外做功,这是因为其中的相当一部分能量转化为产物气体分子的振动和转动。根据热力学实验及理论研究,对外做功能量约占总化学能 30%左右(高荣庆,1994)。因此,如表 1所示的本次实验所用的WB-76-1700/WB-70-2000型震源和WB-60-500型甲烷震源产生的地震波能量释放约为 2.16 MJ和0.315 MJ,其当量分别约相当于1.72 kg及0.25 kg炸药(同样按总化学能的30%对外做功,1 kg炸药释放4187 kJ能量)。

3.2 信号特征分析

由于图1c所示的Q23台站距离甲烷气爆震源较近,故将Q23台站的记录作为源信号开展甲烷震源的信号特征分析。

图3展示了Q23台站记录到的A01、B01、C01单炮及Z11-Z13组合炮点激发的甲烷震源信号以及其震源信号的时间-频率域能量分布。如图 3所示,总体来说四种甲烷震源激发的地震波频率在1～50 Hz之间,集中于5～30 Hz。同时,利用49个三分量地震计记录到的同期共线炸药信号,将甲烷实验A01炮点激发的甲烷震源信号在Q23台站及一次炸药震源(48 kg)在Q20台站记录到的三分量记录和时频进行分析对比,结果见图4。

图3 Q23台站记录到的不同激发方式甲烷震源垂向记录及时频特征Fig.3 The vertical records and time-frequency characteristics of methane sources recorded at Q23 station

图4 甲烷震源与炸药震源时频特征Fig.4 Time-frequency characteristics of methane source and explosive source

图4展示了本次实验Q20台站记录到的炸药震源(48 kg)时间-频率域特征的频率范围为0.1～25 Hz,主频在20 Hz以下。炸药的当量(48 kg)较实验所用甲烷震源当量(分别为1.72 kg,1.72 kg和0.25 kg)大,激发出的地震波信号频率更低。

3.3 甲烷震源信号聚类分析

为了分析不同当量、不同激发方式、不同震源型号对激发的地震波信号持续时间、频谱特征等方面可能产生的影响,采用了基于相似度距离的层次聚类方法(王伟涛和王宝善,2012; 苏金波等,2017)分析了Q23台站记录的甲烷震源三分量信号。对于N组事件的地震波记录,首先选取合适震相窗口计算两两事件i和j的相关系数Cij,定义其相似度距离为 Dij=1–Cij,从而构建所有事件的相似度距离矩阵M。层次聚类分析方法首先将每个事件划为一类,共 N类,同时定义为第一层; 然后将相似度距离最小的两个事件合并为一类,此时共分为 N–1类,定义为第二层; 以此类推,直到所有事件归为一类。基于相似度距离层次聚类方法的甲烷震源信号记录分类结果及每类波形记录见图5。

图5 Q23台站记录的甲烷震源信号聚类分析结果Fig.5 Cluster analysis results of methane source signals recorded by Q23 station

在本次分析中,将甲烷震源信号的相似度距离阈值设为0.25(对应相关系数为0.75),得到7类事件波形(图5)明确显示甲烷震源信号的持续事件。根据甲烷震源信号的能量分布(图 3),分别尝试对信号进行 5–30 Hz、10–30 Hz 和 15–25 Hz,在相关系数阈值同为0.75的条件下,10–30 Hz滤波后聚类分类结果与未滤波时聚类分类结果一致,5–30 Hz和15–25 Hz滤波后聚类分类反而要多一类。整体来说,滤波未能改善聚类分析效果。能量频率分布与当量大小及震源类型、组合激发方式无直接关系,推测与震中距及随机爆轰激发过程有关。甲烷震源信号的持续时间会随着震中距的增加而增加,同时高频信号强度衰减(Wang et al.,2019)。

3.4 传播距离

分别选取了 A01、B01、C01单炮和 Z11-Z13组合炮点位甲烷激发及一个小当量炸药(48 kg)的地震波记录,原始记录如图6。

由图3可知甲烷震源信号主频范围为5～30 Hz,考虑到高频地震波衰减较快,故对甲烷震源信号实施了5～25 Hz的带通滤波。图4显示炸药震源信号低于25 Hz,其频带主要在1～25 Hz之间,所以对炸药震源信号进行1～25 Hz的带通滤波。

经过适当的带通频率滤波,可以看到图7中所有的记录信噪比均有所提高。甲烷气爆震源在井下10 m深、7.5 MPa注气压力的条件下WB-76-1700和WB-70-2000型震源信号传播距离由2.8 km提高到6.5 km(图6a,b和图7a,b); 在井深2 m、注气压力6.0 MPa的条件下单个WB-60-500型震源信号传播距离由1.0 km提高到1.5 km,另外Z11-Z13组合震源信号传播距离由1.8 km提高到2.5 km。为了进一步提高信噪比并获得清晰的甲烷震源信号,对台站记录分别进行了线性叠加和相位加权叠加(Zeng and Thurber,2016)。相对于线性叠加方法(图8a),相位加权叠加方法(图8b)显著提高信噪比。经过线性叠加,台站记录的甲烷震源信号信噪比明显得到提升,而相位加权叠加进一步提高了信噪比,使得信号的传播距离甚至超过10 km(图8b)。

图6 A01、B01、C01单炮、Z11-Z13组合炮点及小当量炸药(48 kg)原始记录(甲烷震源相关激发参数见表1)Fig.6 Original records of A01,B01,C01 single shot,Z11-Z13 combined shot point and small equivalent explosive (48 kg)(see Table 1 for relevant parameters)

图7 A01、B01、C01单炮、Z11-Z13组合炮点(5–25 Hz滤波)及小当量炸药(48 kg,1–25 Hz)记录Fig.7 A01,B01,C01 single shot,Z11-Z13 combined shot point (5–25 Hz filtering) and small explosive (48 kg,1–25 Hz) records

图8 甲烷气爆震源记录开展线性叠加(a)与相位加权叠加(b)对比Fig.8 Comparison between linear stack (a) and phase weighted stack (b) of methane explosion source records

3.5 甲烷信号传播特征分析

本节挑选了所有垂向分量记录到的甲烷震源 P波到时(图9)。通过线性拟合得到甲烷震源的P波视速度为2.92 km/s,拾取的P波到时较为收敛。进一步,可以利用甲烷震源体波到时信息反演地下速度结构。

图9 垂向分量甲烷震源信号P波震相到时(2.92 km/s)Fig.9 P-wave phase arrival time of vertical component methane source signal (2.92 km/s)

此外,在距离甲烷震源较近的几个台站明显记录到了浅层面波(垂向、径向Rayleigh波和切向Love波),如图10。浅层面波特征(图10)突出显示了甲烷震源和炸药震源记录中Rayleigh波的群速度频散特征,面波的频率范围在0.08～0.7 s之间,速度范围为0.25～0.65 km/s。若通过面波与体波走时联合成像方法(张超等,2020),不仅有助于探测裂谷内部结构,而且更适合于探测金属矿集区的复杂三维结构。

图10 甲烷震源与爆炸震源面波频散特征Fig.10 Surface wave dispersion characteristics of methane source and explosion source

4 讨论与结论

利用新型环保震源探测地下速度结构成为近年来的一个发展趋势。甲烷和氧气在封闭空间内点火发生爆轰反应,释放大量化学能量,产生高压气体定向激发地震波。相比于炸药震源,因甲烷和氧气的爆轰反应的产物是二氧化碳和水,对环境友好没有污染,而且整个爆轰反应被限制在一个高强度腔体内,仅通过腔体底部的限压阀门定向对外释放能量激发地震波,不会产生类似炸药震源爆炸留下的井壁坍塌。此外,甲烷震源反应腔体(图 2a)可以回收重复使用,大大降低了地震波激发成本。而对于高压气枪震源(陈颙和李宜晋,2007; Wang et al.,2018),甲烷震源实验中的爆轰反应释放大量化学能,激发效率优于以释放物理势能为主的气枪震源(Wang et al.,2019),且其无需水体和大型空气压缩机等大型配套设备。因此,甲烷气爆震源具有便捷、安全、应用场景灵活的优点。Zhang et al.(2020)利用密集短周期台阵记录到的气爆震源、气枪和震源车等人工源激发的地震波信号对朱溪铜钨多金属矿区的近地表速度结构成像,表明利用甲烷气爆震源与短周期地震仪相结合的主动源地震探测是针对固体矿产资源探测的有效手段,这对查明控矿构造及成矿背景具有明确的示范效果。同时,定向激发的设计使得激发效率更高,目前国内已经开展了城市地区断层结构的探测(徐善辉等,2020a,b)。

总之,本文中首次介绍了在高海拔低气压的青藏高原实施的甲烷爆轰实验过程及地震波信号特征。通过实验分析显示甲烷气爆震源在下井深10 m、注气压力7.5 MPa的条件下WB-76-1700和WB-70-2000型震源(折合 1.72 kg TNT)至少传播6.5 km; 在下井深2 m、注气压力6.0 MPa的条件下WB-60-500型震源(折合 0.25 kg TNT)可以传播1.5 km。甲烷震源的激发频率在1～50 Hz之间,主频为5～30 Hz。较高的信号频率有助于开展浅层地壳的速度结构探测。在今后的实验中,我们将继续探索大当量震源不同井深、激发环境下的激发效果。另外由于此次实验中所用甲烷震源当量均为小当量震源(WB-76-1700,WB-70-2000及WB-60-500型震源当量分别为1.72 kg,1.72 kg和0.25 kg炸药),爆轰过程持续时间短,产生的信号频率高,适合小尺度浅层结构探测。如果增大甲烷震源中甲烷和氧气容量,爆轰过程持续时间长,可能会产生低频率地震波信号,有利于开展更大距离和更深尺度结构探测。不同当量、型号甲烷震源结合起来使用有望提高区域尺度结构探测效率和精度。同期共线接收到的炸药(48 kg TNT)震源信号的频率在25 Hz以下,明显低于甲烷震源频率。通过基于相似度距离的聚类分析,本次实验中所使用的四种种类型的甲烷震源信号与当量大小暂时未看到有直接关系,更可能与台站与甲烷震源的距离和随机爆轰激发过程有关。通过叠加相关系数高的激发记录有望提高甲烷震源信号的信噪比,在更远的距离上观测到信号。甲烷震源被证明是一种有效的新型绿色环保型人工震源,对于探测区域地下结构提供有力支持。

为了增加探测距离及探测深度,如何在青藏高原提高甲烷气爆震源当量是未来的进一步工作。

致谢:感谢四川伟博震源科技有限公司郝贵生等工作人员的辛勤付出; 感谢中国工程物理研究院王翔、孟川民、董石研究员和中国地震局地球物理研究所王伟涛研究员、杨微研究员和徐善辉副研究员的指导和帮助; 更感谢中国地质科学院地质研究所李文辉博士提供的炸药震源信息和中石化石油工程地球物理有限公司南方分公司提供的野外实验帮助。感谢匿名审稿人的认真审阅及宝贵意见。

Acknowledgements:

This study was supported by Minsitry of Science and Technology of the People's Republic of China (No.2018YFC0604102),Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No.JKY202015),National Natural Science Foundation of China (No.42074112),and China Geological Survey (No.DD20190015).