甲烷氣爆震源性能研究及其在粵港澳大灣區化龍斷層探測中的應用
2021-12-13 13:08:26徐善輝王偉濤許衛衛王力偉馬曉娜王翔孟川民楊微
地球物理學報 2021年12期
徐善輝， 王偉濤*， 許衛衛， 王力偉， 馬曉娜， 王翔， 孟川民， 楊微
1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 廣東省地震局, 廣州 510000 3 中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理實驗室， 四川綿陽 621999
0 引言
地震波是研究地球內部結構的重要工具，是照亮地下的明燈(陳颙和朱日祥，2005).天然地震釋放的地震波能量強，可傳播幾千至幾萬公里，適用于地球內部大尺度結構和演化研究.人工震源解決了天然地震發生時間不確定和位置不可控的問題，被廣泛應用于淺部結構探測、礦產資源勘查等領域(Mooney et al.,2002).當觀測系統接收點足夠密集時，人工震源的激發特征如傳播距離和優勢頻率等，決定了淺部結構成像的范圍和精度.就主動源探測常用的P波信號而言，頻率較高的地震波信號具有更小的波長，對于地下介質結構的分辨率更高.然而，高頻地震波在介質中傳播時衰減更快，成像范圍會受到局限.提高激發能量又會對激發點附近環境造成更嚴重的破壞，使其應用受到限制.人工震源的使用，需要針對研究目標在傳播距離、成像分辨率以及環境破壞程度之間找到一個平衡點.
炸藥震源是過去幾十年中使用最廣泛的人工震源，深地震測深技術利用大當量炸藥震源獲取地殼和上地幔頂部的速度結構(Li et al., 2006; Zhang et al., 2011; Dong et al., 2013)，礦產勘查中則利用密集激發的小當量炸藥震源獲取精細的局部精細結構.由于炸藥爆炸會產生有害化學物質污染環境，其使用范圍越來越受到限制(李穩等，2020).因此，研究人員發展了基于連續震動的震源，如Minisosie、Vibroseis及ACROSS等可控震源技術來替代炸藥爆破產生地震波(Yamaoka et al., 2001；常旭等，2008；王洪體等，2009)，但相比炸藥震源，這些震源激發地震波時能量轉換效率相對較低.大容量氣槍在陸內水體中瞬間釋放高壓氣體可激發具有極高重復性的地震波，近年也得到了廣泛應用(王寶善等，2016;Chen et al., 2017)，但氣槍震源激發需要水體作為媒介，使用因此也受到限制.
氧氣和可燃性氣體(如氫氣、甲烷等)混合，在密閉容器中、一定能量條件下點火可發生氣相爆轟反應，產生高壓，炸開密閉容器后快速釋放高壓氣體可形成沖擊波(張博和白春華，2014；董石等，2017).以甲烷和氧氣混合為例，氣相爆轟反應生成水和二氧化碳，是一種對周圍環境造成極少污染的綠色震源，同時該震源主要在陸地井中進行激發，對氣槍震源是一個較好的補充.2017年12月，南京大學聯合國內多家單位在江西景德鎮朱溪鎢礦區開展了主動震源觀測實驗，對該區成礦結構進行探查.研究人員利用研制的基于甲烷和氧氣的混合氣體爆轟震源(以下簡稱氣爆震源)進行了測試激發，并對觀測數據開展了震動信號特征分析，同時與可控震源車、氣槍震源等進行了比對分析(Wang et al.，2019).后期經相關工程技術人員改進，在2018年實現了氣爆震源的初步定型，并于2018年12月在山西省晉中市進行了一次與炸藥震源的同點對比實驗.實驗結果表明氣爆震源激發的地震信號具有能量大、頻帶寬、傳播距離遠等特點，是一種潛在的優質綠色震源.
粵港澳大灣區(簡稱大灣區)是與東京灣區、紐約大都會灣區以及三藩市灣區相媲美的全球第四大灣區，是國家建設世界級城市群和參與全球競爭的重要空間載體.大灣區內人口密集、經濟發達、城市群密集、高樓林立，生命線工程錯綜復雜，通訊、金融、交通等網絡遍布，財富高度集中.因此，大灣區地震災害具有環境敏感程度高，人員傷亡重，經濟損失大，社會影響廣的特點.而探明大灣區地下淺層三維結構及隱伏斷裂是提升該區域自然災害防范能力的關鍵.國內外大量震例和科學研究表明，活斷層沿線是震災最集中、人員傷亡最嚴重的部位，其損失程度明顯地大于斷層兩側的其他區域(鄧起東等，2003;酆少英等，2015).為減輕地震活斷層在地震災害中的巨大破壞作用，必須查明城市地下地震活斷層的分布，從而在城市建設中避開地震活斷層.為此，廣東省地震局啟動了《粵港澳大灣區淺層三維結構探測(一期)》防震減災專項，先期工作選取已開展過鉆探、反射地震等工作的獅子洋斷裂西支-化龍斷裂作為試驗目標.淺層地震勘探是城市活動斷層探測中解決隱伏斷層定位及切割地層層位的最主要方法之一，而在城市內部，爆炸震源一般不能使用，甚至部分地區可控震源、大型夯擊震源的使用也都十分受限，本文工作即在考慮該困境的基礎上，采用新近發展的氣爆震源作為主要激發方式，嘗試在較少的震源點位置進行氣爆震源激發，形成密集觀測稀疏激發的觀測系統，使用直達波走時層析成像的方法進行近地表公里級P波速度結構探查，以期發展一種較低成本獲得城市地區斷層結構信息的方法.
本文首先比較氣爆震源在不同尺寸、充氣壓力及激發深度條件下的激發效果差異，對激發參數進行優化；通過氣爆震源多炮記錄進行研究區域淺部結構反演成像；基于背景噪聲記錄獲得縱/橫波波譜比(HVSR)，根據經驗關系得到研究區域淺部沉積層深度分布，并與反演成像結果進行對比；最后對結果進行討論.
1 氣爆震源激發特性分析
1.1 不同氣爆震源裝置的測試與分析
為更好地了解氣爆震源特性，以便其可以大規模應用于地球物理勘探，對多種震源參數組合的激發效果進行了比較測試.測試內容包括不同尺寸震源容器、不同井深、不同初始注氣壓力等，詳細參數如表1所示，氣爆震源爆炸部分為一細長中空圓柱體，表中裝置型號第一個漢字表示圓柱體成型方式，“標”和“科”類型圓柱底部使用螺絲固定，“焊”表示圓柱體底面為焊接型，后面兩個數字分別為圓柱體的底面直徑及高度(單位mm)，這兩個值決定了爆炸部分裝置大小及有效儲氣體積.測試過程采用48個檢波器等間距線性排列接收，檢波器間距5 m，型號為自然頻率5 Hz的SG-5型；氣爆震源位置設計在第35個檢波器附近；用于信號接收的地震采集系統為428XL-lite.測試過程數據采樣率為1 ms，采集時長為1 s.
根據最大偏移距處(第1道)絕對值平均振幅高低對12次激發結果進行排序，結果見表1所示.根據表1及圖1a所示可見震源激發能量大小與裝置體積大小正相關，較大裝置激發能量明顯高于較小裝置的激發能量，對相同大小的震源裝置來講，激發能量與注氣壓力大小正相關，9 MPa初始充氣壓力激發能量明顯強于6 MPa初始壓力激發.圖1b所示為圖1a中相應顏色的窗口數據對應的FFT振幅譜.由圖1b可以看出：首先，本次實驗激發出信號分為較低頻的面波成分(約5～15 Hz)和較高頻率的初至體波成分(約15～25 Hz)，面波主頻在12 Hz左右，各震源激發所得結果基本一致；其次，由圖1b可以明顯看出shot02記錄高頻成分最優，在進行淺層高分辨率勘探時應該首選該類型震源.
圖1 不同參數震源激發效果比較(a) 12次激發得到的地震記錄，從上至下不同顏色框內依次為shot01至shot12記錄，其中每個記錄時長為1 s，采樣間隔為1 ms； (b) 圖(a)中相應顏色窗口數據對應的FFT振幅譜.Fig.1 Comparison of the activate performances for different parameter combinations in the methane gas explosion source(a) Seismic records from 12 excitations, the sequence from top to bottom is shot01 to shot12, in which the total recording time is 1 s with a time sampling of 1 ms. (b) FFT amplitude spectrum corresponding to the windowing data in (a).
表1 不同型號震源激發情況表Table 1 Excitation of different types of seismic sources
該實驗表明，使用容積較大的震源能有效增強激發能量，同時初始注氣壓力應盡量高，但壓力過高容易造成震源裝置直接噴出井口，具有安全隱患.激發井深應該盡量加大，在基巖或者潛水位以下激發效果較好.不同激發環境下激發的地震信號能量差異大，但頻率范圍差異較小.對于區域尺度成像工作來講，主要利用初至波進行走時成像，有效信號傳播的距離將直接影響成像深度，因此應該盡量使用具有較大能量的震源裝置，且激發環境也應該盡量有利于地震波的產生和傳播.綜合考慮shot01的震源參數組合實現的激發效果最好、性價比最高，在接下來的淺部結構成像工作中我們采用的氣爆震源型號和激發參數參照shot01完成.
1.2 氣爆震源激發環境振動分析
國家《爆破安全規程(GB6722-2014)》中對于建筑安全允許的質點振動速度做出了明確規定：對于一般民用建筑物，允許的爆破振動速度峰值為：1.5～2.0 cm·s-1(f≤10 Hz)，2.0～2.5 cm·s-1(10 Hz
兩種震源激發地震記錄如圖2所示，兩種震源激發記錄品質基本相當，箭頭所指的目標層反射信號均清晰可見，氣爆震源記錄信噪比略低于炸藥震源，但整體頻率高于炸藥震源，理論上具有更高的分辨率.依據前期工作經驗(Wang et al.，2019)，該類型氣爆震源所包含的化學總能量約為E=5.36 mol×850 kJ·mol-1=4.56 MJ，儲能約等于1150 g炸藥包含的能量，僅相當于炸藥震源的1/8，而根據熱力學實驗及理論研究，對外做功能量約占總化學能30%左右，因此，該震源用于產生地震波的能量釋放約為1.4 MJ，約相當于350 g炸藥的能量.這表明新型氣爆震源將化學能轉換為機械振動的轉化率是比較高的.
圖2 同點激發的炸藥震源和氣爆震源激發地震記錄比較(a) 8 kg炸藥激發記錄； (b) 氣爆震源激發記錄，震源裝置型號為表1中所述的108-1000型號，注氣壓力為6 MPa.Fig.2 Comparison of the seismograms for gas explosion and traditional explosion source which excited at the same point(a) The seismograms of 8 kg traditional explosive excitation; (b) The seismograms of methane gas explosion source, the source device is 108-1000 described in Table 1, and the gas injection pressure is 6 MPa.
表2給出了距兩種震源激發點不同距離處激發的地面運動速度峰值.從表中可以看出，炸藥震源近場地表振動三個分量數值大小基本相當，而氣爆震源近場地表振動記錄水平分量峰值遠小于垂直分量峰值，氣爆震源在20 m處的振動峰值已經滿足爆破安全規程要求.這表明：在達到同樣勘探效果條件下，氣爆震源激發引起的地表振動速度峰值遠低于炸藥震源，尤其是水平方向振動速度.產生這種現象的原因可能是由于氣爆震源采用了定向激發的技術設計，主要激發能量垂直向下，另外一種可能原因是兩種震源激發S波的效率不同，導致峰值運動對應于不同的震相.利用強震儀測定結果也表明氣爆震源激發時30 m以外的地表加速度也遠小于國家抗震設計規范(Wang et al.，2019)，這一特性使其在城市地區具有較強的適用性.
表2 不同震源測試點爆破振動速度峰值Table 2 Peak value of blasting vibration velocity at different test points
2 化龍斷裂氣爆震源走時層析成像
2.1 數據采集
跨化龍斷裂二維地震測線長度約10 km(圖3)，數據采集使用短周期地震儀進行連續記錄，包括178個EPS-2型和69個SmartSolo HR-16-3C型短周期地震儀.震源激發工作由四川綿陽的偉博震源科技有限公司完成，使用的震源裝置型號為WB-133-1000，為直徑133 mm、高度1000 mm的圓柱體裝置，可容納氣體有效容積約10.8 L，每個炮點位置處的激發基本流程為
(1)打井：井體參數直徑約15 cm，深度大于10 m，保證激發裝置在基巖環境中；
(2)注氣：在圓柱體裝置中依次注入氧氣2.5 MPa和甲烷氣體5 MPa；
(3)起爆：使用具有GPS授時的高壓起爆器對可燃氣體點火起爆.
本實驗中累計完成氣爆震源激發點10個，炮間距約1 km， 在10個點完成13次激發，多數點位臨近公路或靠近居民點，最近的點位距房屋僅3 m炮點和檢波點位置見圖3.作業人員嚴守流程、嚴格悶井，13次激發均實現了地表無破壞、周邊無損壞，全程安全順利.震源裝置為底部破膜定向激發，能量主要向下傳播，不會在地下形成空洞或造成地面塌陷；震源使用氣體為氧氣和甲烷，激發后產物是水和二氧化碳，基本不會對土壤及環境產生污染.
圖3 測線激發炮點和接收點位置分布(a) 測線附近地形圖； (b) 測線周邊區域地質圖(修改自全國數字地質資料館1∶20萬地質圖F4918幅數據，其中藍色線表示測線位置，紅色點斷線表示地質資料推測化龍斷裂位置,線段AB為本次跨化龍斷裂布設的密集測線位置示意).Fig.3 The location distribution of shots (methane gas explosion) and receiver points in this experiment(a) The nearby topographic map of the profile, in which shots (methane gas explosion) are represented by green squares and the receiver points are showed as red squares； (b) The geological map of the profile (modified from 1∶200000 Regional Geological Map，the blue line denotes the profile, and the red dot-dash line represents the Hualong fault).
圖4 (a) 觀測系統示意圖(紅色星號為炮點，藍色三角形為檢波點)； (b) 從10炮氣爆震源激發記錄中拾取的初至波走時散點圖Fig.4 (a) The schematic diagram of acquisition system, and red asterisk represents the shot, blue triangle denotes the receiver; (b) The travel-time scattering diagram of first arrivals picked from seismic records excited by 10 gas explosion source
2.2 走時層析成像
本次實驗炮點和檢波器在測線上呈二維分布，故本次處理采用二維處理的方法.使用的處理程序為Geogiga二維層析處理模塊.建立的觀測系統以最西南的炮點位置為坐標原點.二維投射后的觀測系統如圖4a所示，最大偏移距可達14.5 km左右，2～14 km檢波點覆蓋較好.斷層附近進行了加密觀測，9～14 km跨斷層位置檢波點間距約為50 m.首先依據激發時間從短周期地震儀連續數據中截取炮集記錄，激發點位于斷層附近的炮集記錄見圖5所示，從該炮集記錄可見信噪比較高的初至波和直達波信號，其中初至折射波信號視速度V1約為4.35 km·s-1，直達波視速度V2約為1.5 km·s-1，直達波震相在記錄中發育較少，意味著該測線上低速層(第四系沉積層)厚度小且橫向不連續.
圖5 氣爆震源激發的炮集記錄(震源位于10.2 km處，10～11 km部分可見明顯的直達波信號)Fig.5 The seismograms of methane gas explosion source, the source is located at 10.2 km, and the direct wave signal can be recorded obviously at a distance from 10 km to 11 km
表3 一維平均層狀變化速度初始模型表Table 3 Initial model of one dimensional average laminar velocity
為了能夠準確拾取更多的可用初至，需要對數據進行帶通濾波處理.由于測線部分位置緊鄰公路，噪聲干擾較為嚴重，對主動源信號及噪聲干擾進行頻帶分析后選擇合適的帶通濾波參數，通帶范圍為30～120 Hz，可以有效地壓制公路上車輛行駛等引起的低頻面波信號，更好的突出主動源體波信號.隨后對10炮數據進行逐炮逐道初至時刻拾取，拾取結果見圖4b，依據拾取的走時可以近似計算一維平行層速度初始模型，建立的速度模型如表3所示.層析計算的主要參數見表4所示，單炮集記錄上拾取走時和反演走時見圖6a所示，所有炮集反演前后走時擬合情況見圖6b.可見各炮反演走時與拾取走時擬合較好，特別是中小偏移距部分.反演所得的二維P波速度剖面及地質解釋結果見圖7.
表4 反演主要參數表Table 4 The main inversion parameters
圖6 層析反演過程中炮集記錄的走時擬合情況(a) 經帶通濾波后的炮集記錄及其初至波拾取走時(紅色點)與擬合走時(綠色點)； (b) 所有10炮記錄的拾取走時(黃色點)和反演擬合走時結果(綠色點).Fig.6 The travel time fitting of seismogram in the process of tomography inversion(a) The seismogram after band-pass filtering as well as the first break picking travel time (red point) and fitting travel time (green point); (b) The picking travel time (yellow point) and inversion fitting travel time (green point) of all 10 shot records.
圖7 反演所得的二維P波速度剖面(a)及地質解釋結果(b).結合圖3b地質圖，6 km處的第四系分布與地質圖中的由于水域覆蓋導致的不明地質區域吻合，9 km以東為連續的第四系覆蓋區域，約11 km處橫向速度不連續位置與地質圖中推測斷層位置吻合.Fig.7 The two-dimensional P wave velocity profile (a) and geological interpretation results (b)According to the geological map in Fig.3b, the distribution of Quaternary system at 6 km is consistent with the unknown geological area caused by water cover in geological map. The Quaternary coverage area is continuous in the east of 9 km, and the discontinuous position of lateral velocity at about 11 km is consistent with the fault position predicted in geological map.
2.3 成像結果分析
地質勘察資料表明，該測線西側主要位于珠江三角洲沖積平原內，地表為第四系所覆蓋，周圍無基巖出露.在地質構造上剖面處在西、北江三角洲斷陷區黃閣斷塊區的東部邊界地帶，黃閣斷塊區相對西、北江三角洲斷陷區屬于上升區.如圖3所示，測線西側則有較多出露元古屆、下白堊統及燕山期花崗巖(梁干和吳業彪, 2013)，地貌上是低丘臺地，一般高程在30～50 m，個別近100 m.化龍以東三角洲堆積平原區域，地勢平坦，地表高程在1.5 m左右.測線地層東北段基本呈水平形態，相對起伏變化不大，西南段相對起伏變化較大.
鉆孔調查的結果表明：該測線的覆蓋層底界埋深為12～30 m，風化殼底界為36～59 m，這與根據層析速度結果圈定的厚度基本一致，在前人工作過程中，淺震測線13樁號2 670 m處同相軸錯斷，鉆探結果表明該處存在的斷點為正斷層，視傾向北東，視傾角較陡(梁干和吳業彪, 2013)，該位置與本文成像結果所示的11 km處橫向速度突變位置吻合.淺層反射地震探測與鉆孔結果反映(梁干和吳業彪, 2013)化龍斷裂是一條走向北北西傾向北東東的正斷層，是西、北江三角洲斷陷區與黃閣斷塊區邊界斷裂，它向上錯斷到T1地層界面，相當于第四系覆蓋層的底界，斷層隱伏于第四系之下，晚更新世以來的沉積厚度由西向東逐漸變厚，鉆探揭露和物探顯示，斷裂兩盤晚更新世以來的沉積物厚度沒有明顯的突變，第四系層位無明顯變化，晚第四紀以來斷層無活動跡象，沉積物也未受到擾動，而在此之前形成的基巖風化殼也未受到斷裂的錯動.這與本文成像結果也吻合較好，11 km處橫向速度異常只存在于劃定的低速第四系范圍以下，第四系范圍內平滑連續無異常.同時，考慮鉆探結果所揭示斷層東西兩側具有巖性區別(梁干和吳業彪, 2013)，一側為強風化的細砂巖，一側為全-強風化的混合花崗巖，這可能是速度剖面中第四系低速下方斷層兩側速度差異明顯的原因.
2.4 成像結果與背景噪聲HVSR對比分析
HVSR (horizontal-to-vertical spectral ratio)，是基于背景噪聲波形記錄研究淺地表結構的單臺方法，HVSR 定義為地動信號的水平分量和垂直分量的頻譜比，其中水平分量包括了三分量地震儀中的南北(N-S)和東西(E-W)分量：
(1)
根據(1)式，對接收氣爆震源數據的儀器記錄截取部分噪聲數據進行了HVSR計算.在計算過程中，為了剔除各種瞬態干擾，使用了反觸發式的長短時窗平均振幅比(Short Term Average/Long Term Average)法識別穩定的有效地脈動信號.窗口長度設為50 s，窗口重疊率20%，使用5%的漢寧窗進行尖滅處理，長時窗與短時窗長度分別取為10 s和0.2 s，觸發閾值設置為5，考慮不同儀器可能出現的一致性不同的問題，特別是低頻響應的不同，僅使用178臺EPS-2型儀器的數據進行計算，使用的數據總時長為24 h.計算所得的共振頻率結果見圖8a所示，可見共振頻率峰值均在1～3 Hz之間，符合廣州地區已有的計算結果(宗健業等，2020).
圖8 HVSR分析結果及其與地震層析結果對比(a) HVSR計算所得的卓越頻率分布; (b) 利用經驗公式轉化成深度剖面上的HVSR譜比值分布; (c) HVSR譜比峰值位置(紅色圓點)在層析速度剖面上的投影結果.Fig.8 HVSR analysis results and their comparisons with tomography results(a) The predominant frequency distribution calculated by HVSR; (b) Converted into the projection result of HVSR spectral ratio distribution; (c) Its peak position (red dot) on the depth profile by using empirical formula.
獲得卓越頻率后，使用經驗公式可以快速計算沉積層厚度，國內學者通過使用經驗公式得到了北京和保定地區沉積層分布(王偉君等，2009；陳棋福等，2008)，與已有研究結果如地質剖面圖等都具有很好的一致性，Bao等(2018)使用該方法對唐山等地區進行了沉積層厚度測定，結果較為可靠，也有學者在山東地區開展了相應研究，結果與SPAC成像結果吻合(Tian et al.,2019).以上研究表明經驗公式在國內不同地區都具有很好的適用性；而在廣州地區，前人根據鉆孔資料對比，發現通過(2)式獲得的沉積層厚度與實際厚度更為符合(宗健業等，2020)，本文使用公式(2)將HVSR放大系數由頻率域轉化成深度域，結果見圖8b，拾取其峰值，并按其位置及深度投影到速度層析剖面上如圖8c，與速度層析結果圈定的第四系沉積底界面位置吻合較好.
由圖8可見，整條測線HVSR峰值頻率均在1～5 Hz之間，3 km處、6～7 km處為地形低洼區域，此處HVSR峰值頻率較低，譜比值較大，與圖7中走時層析反演結果吻合，以及10 km以后區域存在連續性較好的低頻率高譜比值數據分布，與層析結果及地質圖中第四系區域吻合.13.5～14 km放大系數部分超過10甚至15以上，由于此處觀測儀器多位于金山大道旁，可能和密集車輛引起的交通噪聲有關，但10 km以右普遍高于10 km處以左，特別是5～10 km之間，表明10 km處兩側存在沉積層物性差異，10 km以右靠近珠江區域，沖積出來的淤泥質沙土等廣泛存在，放大倍數較大很可能與此有關，與此同時，計算結果揭示此區域內沉積層厚度與其他區域相比厚度較大，達到30 m左右，與走時層析結果及前人勘探結果一致.
3 認識與結論
氣爆震源能量較強，基本可以滿足主動源近地表勘探的需求；與炸藥震源相比，氣爆震源的環境友好性相對更好，施工便利，安全可控，可在城市地區使用.在廣州市跨化龍斷裂測線的測試結果表明，基于新型氣爆震源的地震走時層析成像可以獲得較高精度的淺層結構信息.
受限于成本和城市地區激發環境的限制，無法實現勘探地震中的密集激發、密集接收的觀測系統布設模式，區域尺度地震成像工作多以稀疏激發、密集接收的方式進行.這種觀測系統布設下，傳統成像方法面臨挑戰.走時層析成像是一種計算地下介質地震速度的重要方法，利用密集觀測稀疏主動源激發的方法可進行較高精度小尺度體波成像，但目前使用的普通層析方法僅僅利用了走時信息，如果對主動源記錄的波形信息加以利用，對成像的可靠性和精度的提高應該具有較好的預期.
致謝謹此祝賀陳颙先生從事地球物理教學科研工作60周年.感謝偉博震源科技有限公司的震源激發工作，感謝南方科技大學郭震團隊提供的數據觀測支持，感謝中國科學技術大學孫天為博士生提供的HVSR批量處理程序.
