水電勘察的非爆炸震源信號特征分析

□李曉磊 □姜文龍 □魯 輝（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

0 引言

地震勘探是水利水電工程勘察中尋找基巖面、地質(zhì)構(gòu)造較為常用的一種方法，因其能提供地層波速參數(shù)而深受地質(zhì)、設(shè)計(jì)人員青睞。然而隨著國家因安全、環(huán)保問題對炸藥的限制和爆炸震源受限區(qū)域勘查需求的增加[1]，地震勘探所必備的震源受到了嚴(yán)重制約。為解決這個問題，已有不少技術(shù)人員進(jìn)行了研究。

以可控震源為代表的大型機(jī)械震源廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)，這類震源無論是液壓式的還是電磁式的都體積較大，造價(jià)昂貴，移動不便，不適合位于高山峽谷的水利水電工程使用[2]。并且，水利水電工程對覆蓋層、基巖的波速參數(shù)關(guān)注度較高，可控震源在折射勘探方面效果較差。較為適合水電行業(yè)的單次沖擊震源也有不少人研究，但震源自重和激發(fā)能量成正比，與其機(jī)動性成反比，這是一個矛盾。為解決能量與震源自重的矛盾，思路有三：一采用了高性能壓縮體來作為加力裝置；二采用分體式、模塊化組裝的思路，以期提高機(jī)動性來適應(yīng)高山峽谷地形；三是減輕非激震部件的自重，做到把重量用到了“刀刃”上。

1 震源介紹

黃河勘測實(shí)際有限公司自行研制的機(jī)械沖擊震源采用液壓的方式壓縮一組高性能彈簧提供反力，并可選擇不同的壓縮率，使50kg的錘體向下沖擊，并與設(shè)置在地面上具有鋼質(zhì)錘擊板進(jìn)行瞬間的撞擊，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，從而激發(fā)縱橫波。

該震源的特點(diǎn)之一是組合式、可拆卸，所有部件可分解為較輕的幾個部分，方便山地移動；其二是沖擊能量可根據(jù)需要調(diào)控，通過液壓裝置將彈簧壓縮到不同程度，在能量足夠的情況下，可節(jié)約壓縮時(shí)間，震源滿載荷沖擊力6t；其三是特殊的卡槽可將彈簧栓橫向鎖死，使用時(shí)使用橫向的力敲擊即可釋放，方便快捷。

鑒于現(xiàn)階段炸藥震源申購困難，故使用錘擊、落重震源與機(jī)械沖擊震源進(jìn)行信號對比。錘擊激震采用十磅大錘對鋼板進(jìn)行人工敲擊，落重震源采用60kg重的標(biāo)貫錘進(jìn)行抬至約1m高度自然墜落，這兩種震源均是不能使用爆炸震源的常規(guī)替代方式。

2 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)布置了5m間距的24道檢波電纜，剖面長度115m，在距零點(diǎn)0m、-60m的位置進(jìn)行信號激發(fā)，激發(fā)前用重錘對地表夯實(shí)，以避免激發(fā)信號的不穩(wěn)定。儀器選用Geode和S-Land地震儀同時(shí)采集，這兩種地震儀均為24位A/D轉(zhuǎn)換，屬于高精度、低畸變、大動態(tài)范圍的數(shù)字化地震儀，不同的是S-Land地震儀采用了全數(shù)字化檢波技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)檢波器輸出的信號幾乎無失真地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即大部分噪聲信號也會無衰減進(jìn)入記錄。

2.1 采集記錄分析

從三種震源的原始記錄0m位置激發(fā)的情況可以看出，錘擊震源能量最弱，13道以后已難以準(zhǔn)確讀出初至數(shù)據(jù)，基本未激發(fā)出有效的面波信號；落重震源信號次之，能夠較為準(zhǔn)確讀出初值，但因其能量相對較弱，對干擾的壓制作用不強(qiáng)，24道互換時(shí)讀取也比較困難，面波激發(fā)的也不太完整；沖擊震源能量最強(qiáng)，初值清晰，對干擾波能量做到了有效壓制，且面波信號較強(qiáng)易于識別。在-60m偏移距激發(fā)，落重震源能量顯然已經(jīng)不夠，機(jī)械沖擊震源能量仍可保證該排列拾取有效信號。

S-Land儀器的信號則顯示出了高保真性能，在使用38Hz模擬檢波器情況下，錘擊、落重和沖擊震源均能采到有效信號，進(jìn)行對比后，仍可得出和Geode儀器一樣的結(jié)論，沖擊震源的能量最強(qiáng)，有較好的信噪比。試驗(yàn)中也使用4Hz的數(shù)字檢波器進(jìn)行比較，無論錘擊還是沖擊震源都因噪聲信號無損失進(jìn)入記錄造成干擾無法讀出初值，如能有針對性地進(jìn)行陷波處理仍可成為有效記錄。因此，S-Land地震儀搭配普通模擬檢波器在激發(fā)能量較弱時(shí)候使用或?yàn)闇\層地震一種工作思路。

2.2 振幅譜分析

振幅譜反映出了主要幅度和能量分布的頻率范圍，圖1為Geode地震儀記錄的三種震源第1道的振幅譜，直觀的看出在同一排列中的沖擊震源的幅值最大，頻譜寬度從0～350Hz，且高頻成份最為豐富，能量也最強(qiáng)。

圖1 三種震源第1道的振幅譜圖

2.3 面波頻散分析

從采集的記錄可以看到錘擊震源激發(fā)的基階面波不發(fā)育，不能真實(shí)的反映地層信息，形成的頻散譜也不可能連續(xù)，效果較差。沖擊震源激發(fā)能量強(qiáng)，頻帶寬，在未對原始采集記錄放大增益的情況下，已基本能看到基階面波發(fā)育，對比錘擊震源放大增益后的記錄，可以發(fā)現(xiàn)錘擊震源記錄的周期性的噪聲信號已淹沒部分有效信息，故大能量的沖擊震源是壓制噪聲信號的首選。從圖2頻散譜圖對比可以看到，落重震源和沖擊震源都可得到連續(xù)的頻散譜，但沖擊震源的頻散圖在低頻段表現(xiàn)的更為連續(xù)，在實(shí)際使用中兩種震源可能相差不大。

圖2 三種震源的頻散譜圖

3 結(jié)語

自制沖擊震源的能量大、頻帶較寬，高頻信息豐富，基本上滿足了目前在工程地震勘探中對震源的需要。從理論上講激發(fā)能量絕大多數(shù)以面波形式傳播，落重震源面波信號與沖擊震源面波信號相差不大，使用機(jī)械沖擊震源沒有人工落重效率高，故面波使用沖擊震源得不償失。S-Land全數(shù)字化地震儀對信號撲捉的能力更強(qiáng)，小能量震源搭配高分辨率的設(shè)備或可解決部分能量不足的問題不失為一種勘探思路。

[1]金念.夯擊震源地震勘探關(guān)鍵技術(shù)研究[D].碩士論文，長春市:吉林大學(xué),2006.

[2]佟訓(xùn)乾,林君,姜弢等.陸地可控震源發(fā)展綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27（05）：1912-1921.