電火花震源在城市地質調查三維地震勘探中的應用

陳杰，劉金輝，曹莉蘋，何洪森，王強

電火花震源在城市地質調查三維地震勘探中的應用

陳杰1，劉金輝1，曹莉蘋2，何洪森1，王強1

（1.四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072；2.四川省煤田地質局，成都 610072）

三維地震勘探在城市地質調查中起著重要作用，而地震震源的選擇是關鍵問題。本次選用的電火花震源具有安全經濟環保、能量轉換效率高等特點。以實際工作為例，通過試驗對比優選電火花震源激發因素（激發能量，激發井深），獲得了較好的單炮地震記錄，處理后的疊加地震剖面信噪比較高、能量大、分辨率較高，可以真實反映淺層地質特征，證實了電火花震源激發地震波的有效性。實踐表明，電火花震源在城市淺層地震勘探中具有較好的應用前景。

電火花震源；三維地震；城市地質

隨著城鎮化的不斷推進，城市地質調查工作在城市規劃建設中起著越來越重要的作用，部分城市構建了地質工作服務城市規劃管理的常態化機制（張茂省等，2018；程光華等，2018）。三維地震勘探可以為三維地質建模、地上地下一體化展示提供地下地層信息、斷層信息以及特殊地質體信息等，是城市地質調查地下空間探測中的一項重要工作（趙鐠等，2017；李萬倫等，2018；武斌等，2019）。地震波的激發效果直接影響了地震資料的品質、是決定地震勘探效果的重要因素，在地震勘探中具有舉足輕重的作用。因此，優選地震波的激發方式尤為重要。地震勘探震源可以分為炸藥震源和非炸藥震源兩大類。

炸藥震源產生的地震波頻帶較寬、能量大、旅行時長，采集的單炮記錄含有的地質信息豐富，目前炸藥震源廣泛應用于油氣地震勘探中。但炸藥震源存在一定的安全環境問題，不適用于人口建筑密集的城鎮地區。

陸上非炸藥震源主要包括夯擊震源、可控震源及電火花震源等。夯擊震源激發的地震波主頻較低、能量較高，施工效率不高，一般適用于淺層地震。可控震源產生的地震波具有振幅較低、能量較高的特點，可以控制地震波的頻率，適用于難以進行鉆孔地區，比如松散地表，但是可控震源體積較大，使用時產生的噪聲較大，對地表植被會產生一定的影響。電火花震源最初應用于海洋地震勘探，后來逐漸應用于陸地地震勘探中，電火花震源具有安全經濟環保、能量轉換效率高等特點，適用于無法使用炸藥的城鎮區域，是城市淺層地震勘探中的優選震源（佟訓乾等，2012；宋德強等，2018；左公寧，2003）。

本次城市地質三維地震勘探工作區為建筑人口較為密集的城鎮區域，無法使用炸藥震源進行激發，而夯擊震源施工效率較低、可控震源對周圍植被的影響較大，因此本次工作中選擇電火花震源的激發方式。前期進行了大量試驗工作，對電火花震源激發效果進行評價，最終確定了最優激發因素。獲得了品質較高的原始地震資料，初步疊加剖面信噪比和分辨率較高，可以真實反映地下淺層地質特征。

1 電火花震源基本原理及激發環境

1.1 基本原理

電火花震源是將脈沖電容儲能轉化為機械波能量的轉換裝置。基本原理如圖1所示。主要構成部分有：高壓脈沖電容電源Us、充電開關S1、放點開關S2、高壓電容組C、放電電極。充電時，充電開關S1閉合，放電開關S2斷開，放電時充電開關S1斷開，放電開關S2閉合。放電時，高壓電容器組中的能量通過同軸電纜瞬間釋放，與此同時，和放電電纜相連接的地層以下的放電電極，在短時間內將附近土層水氣化形成高溫高壓區，瞬間爆炸產生地震波（左公寧，1988）。

圖1 電火花震源原理圖

1.2 激發環境

電火花震源放電電極需要放置于水域環境中。若是在水域中激發，則直接將放電電極放置在水域中，而如果在陸域激發，則需要人工制造水環境，滿足電火花震源激發條件。

圖2 相同能量不同井深單炮記錄對比

2 電火花震源的特點

電火花震源是一種非炸藥震源，現在主要應用的電火花震源有六種規格，按能量等級劃分為以下三類：500J和1KJ等級；20KJ和40KJ等級；200KJ和400KJ等級。

城市地質三維地震勘探探測目標為300m以淺的地層，使用40KJ等級的電火花震源可以滿足探測要求。在城市淺層地震中使用電火花震源具有如下優勢：

1）電火花震源適用于各種場地類型，不受已有構筑物、植被農田的限制；

2）電火花震源能量可控，可以根據探測目標的深度調節激發能量，激發效果較好；

3）電火花震源裝置結構簡單、便于攜帶、操作便捷，施工效率高；

4）電火花震源相比傳統炸藥震源更加安全環保，避免了炸藥運輸、儲存、埋置、使用過程中的安全隱患，同時更大程度上避免了對環境的污染；

5）電火花震源能量轉換效率高，可以提升勘探效率、減少能耗。

綜合來看，電火花震源安全經濟高效、能量轉換效率高、激發效果好，應用于城市淺層地震勘探具有明顯優勢。

圖3 相同能量不同井深信噪比對比

3 試驗分析

為了初步檢驗電火花震源在城鎮區域的激發效果，需要在不同條件下進行試驗工作。試驗工作的重點以激發因素為主。激發因素主要包括激發能量和激發井深，逐一進行單因素對比試驗。

3.1 激發井深試驗

選取工作區典型的地形條件作為激發試驗點。試驗遵循單一因素變化的原則，激發能量固定為80KJ，激發井深為0.5m、1.0m、1.5m，對比不同激發井深條件下采集的單炮地震記錄效果。試驗結果表明，如圖2所示，井深1.5m的單炮記錄目的層反射波能量最強，井深0.5m的單炮記錄目的層反射波能量最弱。如圖3所示，不同井深激發的單炮記錄信噪比差別不大。因此，采用電火花震源激發，工作區內選擇激發井深1.5m為宜。

圖4 相同井深不同激發能量單炮對比

3.2 激發能量試驗

試驗遵循單一因素變化的原則，固定激發井深為1.5m，激發能量為30KJ、40KJ、60KJ、80KJ，對比不同激發能量條件下采集的單炮地震記錄效果。如圖4所示，30KJ的單炮地震記錄能量最弱，60KJ和80KJ的單炮地震記錄能量較強。如圖5所示，激發能量越大，地震反射波能量越強。如圖6所示，80KJ和60KJ的單炮地震記錄信噪比較高、有效頻帶范圍較寬。因此，工作區內采用80KJ激發能量為宜，可以保證地震資料的能量與信噪比。

綜上所述，本次采用井深1.5m、80KJ能量進行地震波激發。

4 激發效果

為了進一步驗證電火花震源的激發效果，對獲得的單炮地震記錄進行靜校正、振幅補償、反褶積、速度分析、動校正及疊加等常規處理，獲得了初步疊加剖面。如圖7所示，疊加剖面信噪比和分辨率較高、有效信號強、同相軸連續，地下地質結構特征如斷層特征較明顯，有效反映出淺層地下地質特征。證實了電火花震源激發地震波的有效性，可在類似區域開展電火花震源激發淺層地震勘探工作。

5 結語

將電火花震源應用于城市地質三維地震勘探中，實踐表明，采用電火花震源激發的地震波能量大、頻帶較寬，獲得的單炮地震記錄信噪比和分辨率較高，初步疊加剖面真實反映了地下地質結構特征，證實了電火花震源激發的有效性、適宜性。

圖5 不同激發能量目的層反射波能量對比圖

圖6 不同激發能量信噪比對比圖

圖7 現場處理初步疊加剖面

電火花震源作為一種非炸藥震源，具有安全環保經濟高效、能量轉換效率高、激發效果好等特點，在城市淺層地震勘探中具有較好的應用前景。

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The Application of Electric Spark Source to the 3D Seismic Exploration of Urban Geological Survey

CHEN Jie1LIU Jin-hui1CAO Li-ping2HE Hong-sen1WANG Qiang1

(1-Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering, Chengdu 610072; 2-Sichuan Bureau of Coal Geology, Chengdu 610072)

3D seismic exploration plays an important role in urban geological survey where the selection of artificial earthquake source is the key problem. The electric spark source used in this study is safe, economical and environmental friendly and high energy efficiency. Experimental study indicates that excitation factors (excitation energy, excitation depth) of electric spark source can obtain a better single-shot seismic record. The superimposed seismic profile after processing obtained is characterized by high signal-to-noise ratio, high energy, high resolution which can really reflect the shallow geological features. The electric spark source has a good application prospect in urban shallow seismic exploration.

electric spark source; 3D seismic exploration; urban geological survey; application

2020-06-10

陳杰（1992— ），男，四川富順人，助理工程師，研究方向：地球物理勘探、城市地質

P315.9

A

1006-0995（2021）02-0295-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.022