地震勘探常用震源分析

魏亮

摘 要：震源激發地震波是地震勘探過程中一個非常重要的環節，考慮到勘探目的、激發環境和經濟效益等多種因素，選擇最為合適的震源至關重要。筆者參加工作以來接觸到三種震源，即炸藥震源、可控震源和氣槍震源。因此，本文重點論述了三種震源的激發原理、特性、使用環境和施工管理建議等。

關鍵詞：地震勘探;炸藥震源;可控震源;氣槍震源

中圖分類號：P631.46 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0140-04

Common Source Analysis of Seismic Exploration

WEI Liang

（Geophysical Exploration Center， China Earthquake Administration，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： The source-excited seismic wave is a very important part of the seismic exploration process. Considering the various factors such as the purpose of exploration， the environment and economic benefits， it is important to choose the most suitable source. Since joining the work， the author has been exposed to three sources of shock， namely the source of explosives， the vibrator and the source of the airgun. Therefore， this paper focused on the excitation principle， characteristics， use environment and construction management recommendations of the three sources.

Keywords： seismic exploration;explosive source;vibroseis;air gun source

目前，地震勘探震源分為炸藥震源和非炸藥震源兩大類別[1-3]。炸藥作為震源用于地震勘探，起源于20世紀20年代，Karcher等人在美國俄克拉荷馬州首次使用地震法開展找油試驗[4]。此后，一些西方國家開始嘗試使用炸藥作為震源進行地震勘探，因炸藥震源激發的地震信號具有良好的脈沖性能和較高的激發能量，所以該方法一直沿用至今。隨著地震勘探技術和機械行業的發展，人們在20世紀60年代探索出可控震源和氣槍震源，可控震源采用可控頻率掃描方式控制激發信號的頻率和相位，有利于通過計算改善地震資料品質，采用相干處理對信號進行濾波，減小干擾，對激發點破壞較小。氣槍震源具有性能穩定、重復性好、低頻豐富和綠色環保等優點，其在地震勘探水域激發中占有重要地位[5-9]。

目前，地震勘探范圍由原來人口稀少區域逐漸深入人口密集區域，重視成本效益。近年來，國家大力提倡環境保護，地震勘探時需要根據勘探目的、震源特性、施工環境和成本效益等實際情況選擇合適的震源。

1 炸藥震源

1.1 激發原理

炸藥震源的藥柱如圖1所示。裝藥在無限介質中封閉爆炸時，炸藥爆炸瞬間產生的高溫高壓氣體對大地做功，從爆炸中心向外依次形成破碎區、裂隙區和震動區（見圖2），震動區僅引起介質發生彈性形變，產生彈性波，也就是地震波。

1.2 特性

炸藥震源作為地震勘探行業的傳統震源，其優缺點都較為明顯。炸藥震源所產生的地震信號為持續很窄的脈沖信號，激發能量較強，擁有寬廣的頻譜，適于高頻（大于80Hz）、中頻（15～80Hz）、低頻（6～15Hz）的地震勘探。缺點表現在激發效果受地質條件影響，能量不容易控制，能量利用率低，破壞性大，施工危險性大等。

1.3 適用范圍及受限因素

炸藥震源適用性好，但對成孔有較高的要求，在疏松干燥的沙漠地區和疏松礫石層成孔困難的情況不宜使用炸藥震源，其他情況均可使用不同鉆具成孔，克服地質條件的限制。由于國家對爆炸物品管控嚴格，所以炸藥震源的審批手續比較復雜，審批耗時長，使用炸藥震源的人員必須持有爆破作業證。

1.4 施工管理方面的建議

一是為安全起見，炸藥震源激發點應選在山溝、丘陵、盆地等人煙稀少的地方，并保證填塞質量，使裝藥在無限介質中封閉爆炸，減小對周圍生態環境的破壞。同時，要遠離鐵路干線、通航河流、高壓輸電線路、工礦企業和民用建筑，避免對公共設施造成損壞。

二是實施地震勘探爆破的有關人員應堅持規范上崗，嚴格執行定崗、定責的規定。

三是制作起爆藥柱時應選擇相對安全的地方，設置半徑大于15m的警戒區，并遠離炸藥車15m以上，遠離無線電設備30m以上。

四是往炮井中安放震源藥柱時，應由專人負責，確保震源藥柱下到井底并沒有上浮后，方可用細土、細砂埋井，且埋井時不得摻有石塊、磚塊、凍土塊和鐵片等硬物，要保證整個填塞段完全填實，絕不允許貪圖省工省料造成中間留空不堵;嚴禁使用鉆桿等機械強行大力度往井下壓震源藥柱。

五是《爆破安全規程》（GB 6722—2014）規定，起爆站距炮井的距離不應小于以下標準：砂土、黏土層，30m;巖石、凍土層，60m;井深小于5m（或坑炮），100m;特殊情況應按爆炸方式、使用藥量經計算確定[10]。

六是震源藥柱起爆后，檢查人員應等待5min后再進入爆區檢查，如不能確定是否有盲炮、是否完全起爆，應等待15min后再進入爆區檢查。

七是委派專人負責對爆炸破壞的地方進行修復[11]。

2 可控震源

2.1 激發原理

可控震源是安裝在車輛上的機械裝置[12]。所需的掃描頻率信號由計算機中的固定程序產生。其通過對液壓伺服系統的控制，推動振動器發出周期性的振動信號，作為震動源產生地震波?？煽卣鹪窜嚾鐖D3所示。

2.2 特性

一是可控震源產生的地震信號的頻率可以人為調節，根據地表條件、淺層介質條件、響應特性和勘探目標層深度選擇合適的激發頻寬，有利于提高地震數據質量。二是數據的信噪比比較高，可控震源是垂直向下振動，其輸出方向垂直向下，絕大多數能量向下傳遞，減少了反射和表面波;連續震動信號的地震勘探法應用了相關技術，經過多次疊加消除隨機干擾，避免了某些環境噪音的影響。三是提高了反射波能量，可控震源采用連續掃描信號，增強了波的穿透能力。

2.3 適用范圍及受限因素

可控震源激發地震波要求震動板與地面之間具有良好的耦合，而對于崎嶇堅硬的巖層耦合程度較差，所以選擇平坦的地方進行激發可以獲得較好的激發效果。當地表傾角大于30°時，可控震源車容易發生翻車現象。在松散的表淺層，有效下傳信號會大幅度衰減。

2.4 施工管理方面的建議

可控震源體積比較大，占地面積大，噪聲大、連續震動、震感強烈，在人口密集地區，很容易對當地人的生活造成影響，需要工作人員向當地人進行解釋、做工作。由于震源車對激發位置的平整度、行進路況有要求，所以施工前一定要做好勘察，采取“誰勘察，誰修路，誰帶點”的工作模式比較合理。

3 氣槍震源

3.1 激發原理

以BOLT的梭閥槍為例，空氣壓縮機將高壓空氣從氣槍左上進氣管壓入上氣室，向下推動往復閥。往復式閥中心有一個孔，高壓空氣從上氣室進入下氣室。雖然上、下氣室的壓力是一樣的，但是往復閥在上氣室的頂面大于往復閥在下氣室的底面，所以作用在往復閥上的靜壓力是向下的，使往復閥向下運動，直到往復閥被底座拖住[13，14]。此時，下氣室處于密閉狀態，只能進氣不能出氣，壓力逐漸升高到設計數值。氣槍被觸發時，電磁閥打開，往復閥以極高的速度向上滑動。當往復閥下端的活塞滑過排氣孔時，儲存在下氣室的高壓空氣將迅速噴入水中，產生高壓氣泡，完成一次點火激發。之后，電磁閥自動關閉，往復閥落下，重復以上過程，等待下一次點火激發，如圖4所示。氣泡在水中呈現擴張與壓縮的阻尼性反復震蕩，如圖5所示，形成向外傳播的壓力波。

2014年11月，福建省地震局在三明市尤溪縣街面水庫開展了移動水庫氣槍震源綜合試驗研究，取得以下成果。一是氣槍子波包含兩部分，即高頻主脈沖和低頻氣泡脈沖。主脈沖持續時間短，頻帶寬，可用于淺層高精度探測。氣泡脈沖富含10Hz以下的低頻能量，可用于深部探測。二是氣槍屬于小當量地震勘探震源。試驗中，單桿氣槍的激發能相當于0.23級地震，四桿氣槍組成的槍陣的組合激發能相當于0.48級地震。三是四桿氣槍組成的槍陣進行組合激發，測得大壩振動峰值加速度為0.45gal，不會對大壩及周邊環境造成破壞。

四是氣槍信號重復性高，岸上首臺速度記錄相關數峰值大于0.95的占93.26%。五是氣槍下沉越深，氣泡振蕩能量越大，氣泡周期越小。在進行深部勘探時，應根據低頻和能量需求選擇合適的下沉深度。六是氣泡能量和氣泡周期隨著工作壓力的增大而增大。七是氣槍陣列激發的能量隨氣槍數量的增加而增加，激發的主頻率受每支氣槍的容量影響。八是當氣槍陣列的尺寸大于氣泡半徑的5倍時，氣泡之間的相互作用很小。氣槍陣列的子波近似于各個氣槍子波的線性疊加，此時氣槍陣列尺寸的變化對激發效果的影響很小。九是下沉深度為水深的一半時，氣泡能量和氣泡周期較大，獲得的震動效果較好。

3.2 適用范圍及受限因素

氣槍震源適用于過渡帶、內陸湖泊、海上OBC以及深海拖纜等大多數水域地震勘探中。氣槍陣列的主流壓力為13.79MPa，容量一般分為兩類。一是適合極淺海過渡帶和內陸湖泊勘探，容量大多在16 400～49 200cm3。二是適合深海拖纜地震勘探，容量大多在49 200～82 000cm3（根據目前世界范圍內使用的氣槍陣列的統計數據）。

4 結語

對比這三種震源的激發原理、特性、適用范圍及受限因素，三種震源的特點比較明顯，炸藥震源的適用性好，激發能量強，傳播距離遠，有著豐富的頻譜，但其破壞性大，審批手續復雜，施工風險高，有效信號容易受到外界干擾。可控震源的輸出能量是可調的，震動是連續信號，持續時間長，對激發工作面的破壞小，淺部區域可控震源獲得的時間剖面反射波連續性好且能量強?？煽卣鹪粗荒茉诘乇砑ぐl，對地面的平整度有要求，需要震動板與地面較好的耦合。氣槍震源作為水域地球物理勘探主要的綠色環保性震源，具有性能穩定、重復性好、低頻豐富等特點，近年來越來越受到業內的重視。所以，選擇震源時要綜合考慮地震勘探的目的要求、施工條件、環保因素、成本效益和安全問題等方面的因素。

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