工程地震儀震源裝置改進設計

劉佳林 張鳳 劉福興

摘 要：分析了工程地震儀在實際應用過程中存在的問題，主要表現為單點疊加次數多、信號質量差、采集時易受干擾等。針對上述問題，從震源能量、錘擊經驗和現場干擾波著手，對震源類型、震源方案進行了分析和選擇，改進了震源裝置并進行了效果檢查，經驗證采集信號質量提高，探測深度由原來的60m提高至130m左右，同時節省了人力，提高了工作效率。

關鍵詞：淺層地震勘探；震源裝置；采集信號

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.143

淺層斷裂勘察是地震安全性評價及其重要的基礎工作，在近場區斷裂構造評價和場址區活斷層錯斷地表評價中發揮著重要作用[1]。淺層地震勘探是斷裂勘察的方法之一，具有快速、經濟、較全面地反映地質結構信息特征的優點[2]。淺層地震勘探工作中采用的工程地震儀，當采用人工錘擊鐵板作為震源時，探測深度淺，采集到的信號質量差，后期數據處理難度大。

1 淺層地震勘探存在的問題

淺層地震勘探采用的工程地震儀，一次最多可連接24道檢波器。采用12V直流外接電源供電，大錘錘擊鐵板作為震源。

目前淺層地震勘探系統存在的問題主要包括：

（1）人工掄錘錘擊鐵板工作強度大：單個炮點至少需錘擊5次；（2）掄錘產生的信號質量參差不齊；（3）采集到的信號質量差：錘擊能量小，產生的機械波到達離炮點較遠的檢波器時能量基本耗盡；（4）周圍環境極易產生機械干擾波（交通工具、人員走動、甚至是風吹草動）。

經分析認為影響信號質量的因素主要包括震源能量、錘擊經驗及現場干擾波。

2 淺層地震勘探過程分析

（1）震源能量。對于錘擊震源來說，影響震源能量的因素主要是鐵錘的大小和下落的高度。鐵錘重量越大、下落高度越大，錘擊時的沖擊力越大，錘擊產生的機械波強度越大，信號質量越高，探測深度越深。而錘擊時勞動強度也相應的越大。因此需要在保證信號質量的同時，選擇大小合適的鐵錘和下落高度。

（2）錘擊經驗。對于人工掄錘和落錘法來說，錘擊方法不當（如角度跑偏等）錘擊能量大部分以干擾波的形式傳播，導致信號質量差。根據現場經驗，應注意以下幾點：1）鐵板嵌入地表土中，防止錘擊瞬間彈起；2）保證錘頭垂直砸向鐵板；3）鐵板厚度要足夠大（至少2cm），防止鐵板被砸彎。

（3）現場干擾波。現場各種類型的干擾波影響了信號的質量，現場應注意：1）布測線時盡可能避開草叢較厚的地段，錘擊時現場人員保持靜止，避開交通要道；2）盡可能避開輸電線路、變電站等設施；3）盡可能避開大型機械、江河岸邊等。

3 改進設計思路

（1）震源類型的選擇。針對震源能量低，采取的首要措施是震源類型的選擇。目前淺層地震勘探用的震源主要有可控震源、炸藥震源和錘擊震源3種，對這3種震源進行簡要分析如下：

1）可控震源。可控震源產生的地震信號在一定范圍內可控，不易被環境干擾，具有較高的信噪比[3]，而現用的工程地震儀與可控震源設備接口不匹配，無法作為有效震源。

2）炸藥震源。炸藥震源作為地震勘探的常規震源之一，在油田勘探中具有較廣泛的應用[4]，而炸藥屬國家管制品，其來源受到一定程度的限制。

3）錘擊震源。錘擊震源能量雖小，但可控性高，操作簡便，在小規模的勘探中優勢明顯，因此選擇震源類型為錘擊震源。人工掄錘法1人操作，操作簡便，但單炮能量低，工作效率低；人工落錘法單炮能量相對較高，信號質量高，但需多人提升落錘。

（2）震源方案對比。選定震源類型為錘擊震源后，在同一炮點處對比了不同錘擊方式、錘子大小和錘子下落高度的單炮信號質量如表1所示。從勞動強度和操作人數指標考察，人工掄錘法具有需求人力少、單點勞動強度低的優勢；而從信號清晰度和單炮疊加次數指標考察，落錘法具有單錘信號質量高、無需多次疊加的優勢。

對比了5種不同方案的單炮記錄信號，發現錘擊方式采用落錘法，鐵錘大小140磅，鐵錘下落高度1.5米時，反射波信號最清晰。

（3）震源裝置的改進。在方案（四）的基礎上，設計了一種與工程地震儀匹配的半自動化錘擊震源裝置，該震源裝置包括支架、升降裝置、落錘、鐵板4部分，落錘為140磅的圓柱狀鑄鐵。將該裝置挪動到炮點位置后，將支架底部的輪子通過卡緊裝置固定，落錘連接好觸發器，觸發器連接至地震信號采集儀，鐵板置于支架底部，并位于落錘的正下方，手搖轆轤至自動抓手抓緊落錘上部的凸臺，提升落錘至自動抓手觸碰擋板的錐形孔洞后，自動抓手上端受力向內運動，下端隨之向外運動，迅速失去卡緊作用，落錘自由落體錘擊鐵板激發產生地震波。完成一個炮點的激發后，解鎖支架底部的輪子，將裝置整體推至下一炮點。

4 效果檢查

（1）信號質量提高，探測深度增加。用方案（四）的震源與之前的掄錘法震源對比，測得的地質剖面清晰度明顯提高，探測深度由原來的60米提高到130米左右。

（2）節省人力，提高工作效率。該震源裝置比普通落錘法節省人力，操作簡便，普通落錘激發時需要4～5人提放落錘，而該震源裝置僅需1人操作，節省了大量人力。

參考文獻：

[1]陳長敬，黃理善，羅士新.隱伏斷裂勘察中的綜合地球物理方法研究[J].工程地球物理學報，2011，8（03）：349-351.

[2]陳蜀俊，羅登貴，甘家思等.淺層地震勘探在工程場地地震安全性評價近場工作中的應用[J].物探與化探，2004，28（05）：463-464.

[3]佟訓乾，林君，姜弢等.陸地可控震源發展綜述[J].地球物理學進展，2012，27（05）：1912-1914.

[4]陳健.陸上石油地震勘探炸藥震源研究進展[J].科技導報，2013，31（25）：68-69.