復雜地形深地震反射數據采集參數優化

晏云翔，李 培，智 敏，劉建達，王子琛，張 穎，裴跟弟，李林元，牟 棋，賈 晉

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；2.福建省地震局，福建 福州 350003)

當前，對地球深部結構與構造的探測主要依靠電法、磁法、重力、地震等地球物理手段，其中地震探測方法在確定深部地質體的分布范圍、埋藏深度、空間位置等方面優勢明顯，是探測地球深部結構中最主要的方法之一[1-5]。迄今為止，人類對地球內部結構的認識，主要來源于地震波的觀察和分析[6]。地震探測是利用采集的地震數據對地震波傳播經過的地下結構進行成像，從而達到直觀地顯示深部地質結構的目的，可對地殼以及上地幔的地層和速度結構和殼內物性界面進行清晰成像顯示[7]。深地震反射主要針對地表下3 km?莫霍面范圍內地殼的精細結構和大型斷裂的深淺構造關系等開展探測，具有探測深度大、分辨率高等特點，被公認為研究大陸深部構造和地質結構的一種有效方法，在巖石圈的形成和演化、地球動力學過程、深淺構造關系、地震災害預測、礦產資源勘探等方面研究中具有無可替代的優勢[8-9]。與常規的煤炭和石油地震探測相比，深地震反射探測深度更大，需要采用較長的接收長度、大藥量激發、大偏移距接收等采集參數，探測成本高，存在測線跨度范圍廣，淺、中、深層地震地質條件復雜、中?深部地殼反射波信噪比低、彎線施工導致共中心點面元離散等探測難點。獲得高品質的原始地震數據，是對地殼淺、中、深部區域精細成像的關鍵基礎工作，而采集參數的優化對提高深地震反射時間剖面品質意義重大，這也是深地震反射探測技術的發展方向[10]。

前人在深地震反射探測實踐中對數據采集進行了大量的研究，劉保金等[11]利用可控震源組合激發，采用道間距40 m、炮點距120 m、240 道接收，中間不對稱激發接收的觀測系統，對天山北緣烏魯木齊坳陷區地殼結構進行了探測；李洪強等[12]針對淺、中、深部不同目的層采用大、中、小三種爆破藥量激發，采用道間距50 m，大炮炮點距25 km，單邊1 000 道接收，中炮炮點距1 km，小炮炮點距250 m，均采用600 道接收，中間對稱激發的觀測系統，對六盤山區域莫霍面精細結構特征進行了探測；P.R.Reddy 等[13]采用道間距80/100 m，炮點距100/200 m 的觀測系統，獲得了印度地盾區的下地殼及莫霍面結構特征；盧占武等[14]采用大、中、小炮炮點布置方式，大炮炮點距50 km、中炮炮點距1 km、小炮炮點距250 m，道間距50 m，大炮最大偏移距48 km，中、小炮最大偏移距15 km 的觀測系統，10 Hz 低頻檢波器接收，探測了拉薩地體北部到羌塘地體南部的地殼結構，形成了較完善的高原區深部探測參數體系；任彥宗等[15]對節點式地震儀探測成果進行了對比分析，確定節點式地震儀能夠獲得高品質地震數據，是一種主流的地殼結構地震學探測方法，對低成本高效率的地震數據采集意義重大；王光文等[16]對近年來國內外深地震反射探測技術新進展及應用進行了總結，認為在深地震數據采集中，采用大、中、小炮的組合激發采集方式，提高覆蓋次數，深井大藥量激發可以對淺、中、深不同層次地殼結構進行高精度成像。隨著深地震反射探測工作的深入開展，在復雜地形以及地表障礙物較多的地震地質條件下，激發點、激發藥量難以按照理論設計布置，導致沿地震測線上覆蓋次數不均勻，影響了縱向上淺、中、深部以及橫向上不同區域的信噪比和分辨率。因此，開展復雜條件下的深地震數據采集參數的優化研究具有重要意義。據此，筆者依據在福建開展的2 次深地震反射探測工作，通過對比分析原始單炮數據和地震時間剖面特征，在對采集參數效果分析的基礎上，提出了該地區數據采集的優化措施及參數，以實現高信噪比的原始地震數據及疊加時間剖面的獲取。

1 區域地質概況及深地震反射測線位置

自20 世紀80 年代中期開始，福建省范圍內陸續開展了人工爆破地震探測工作，主要包括寬角反射/折射探測和少量深地震反射探測[17-22]，獲得了地殼P 波速度結構剖面，初步揭示出福建地區結晶基底厚度2.0～4.0 km，上地殼?下地殼中分層明顯，在下地殼區域發育有低速層，莫霍面形態總體上顯示東淺西深的特點，在沿海附近約為30.0 km，向西北加深至約33.0 km。福建的深地震反射探測工作開始于21 世紀初，為了獲得福州盆地和泉州盆地區地殼結構和主要大斷裂的展布特征，在這兩區域分別開展了深地震反射探測，剖面長度均不超過50 km，采用的接收排列為150 道，激發藥量小，10 Hz 低頻檢波器接收，總體上接收排列小。2012 年中國地質科學院部署的Sinoprobe-02華南深地震反射探測剖面穿過福建西南部龍巖市及漳州盆地，在福建范圍內測線總長度超過220 km，探測深度超過莫霍面，獲得了沿測線全地殼地震時間剖面[23-25]，地震數據采集采用了大、中、小炮布置方式，大炮炮點距50 km、藥量500 kg，中炮炮點距1 km、藥量100 kg，小炮炮點距250 m、藥量25 kg；道間距50 m，大炮采用1 000 道單邊激發接收、中炮和小炮采用600 道中間對稱激發接收的觀測系統，10 Hz 低頻檢波器接收，探測剖面中深部區域及莫霍面顯示特征明顯，解釋了福建西南部政和?大埔斷裂東南側白堊紀巖漿發育特征，以及西北側武夷山地塊多層滑脫體系，推斷了東華夏地塊白堊紀地殼生長改造過程(表1)。

表1 福建地區以往深地震反射探測采集參數Table 1 Data acquisition parameters for previous deep seismic reflection surveys in Fujian

為了進一步獲得福建省區域莫霍面形態、精細地殼結構和構造，確定主要斷裂的位置和空間展布，揭示斷裂的深淺構造關系，2020 年福建省地震局聯合中煤科工西安研究院(集團)有限公司在漳州地區布置了一條100 km 的深地震反射測線(Z01)，該次深地震探測采用了“大、中、小”炮點布置方式，大炮炮點距25 km、藥量192 kg，中炮炮點距1 300 m、藥量48 kg，小炮炮點距240 m、藥量24 kg；道間距30 m，接收道數1 200 道，中間不對稱激發接收(長邊800 道，短邊400 道)，10 Hz 主頻的節點式地震儀接收，獲得的深地震反射剖面總體顯示了莫霍面及地殼結構特征，但是主要反射波的信噪比和斷裂構造的分辨率還不夠清晰。該次深地震反射探測盡管縮小了道間距，采用了大、中、小炮組合激發的方式，但由于小炮激發的原始單炮記錄信噪比較低，對中、深部區域貢獻較大的中炮和大炮間距偏大，覆蓋次數低，總體上對深部反射波信噪比的提高有限。組合井的間距對中炮和大炮的激發能量有直接關系，但是對井間距的設置沒有進行定量的分析，部分中、大炮未能達到設計預期。最大炮檢距為24 km，遠小于探測區莫霍面深度，未能獲取到更多深部區域的反射波。

在該次深地震反射探測的基礎上，2022 年布置了3 條深地震反射探測測線，包括2 條NW 向測線(L1、L2)和1 條NE 向測線(L3)，其中L1 線和Z01 線重疊15 km，目的是將2 條測線進行拼接。測線分別穿越了漳州市、龍巖市、泉州市、莆田市、三明市、福州市和寧德市共計7 個地級市，總長度為815 km。探測區表淺層地震地質條件復雜，地表植被茂密，障礙物復雜，地形起伏大，切割劇烈，探測區高程為14～1 694 m，相對高差最大超過600 m；大部分區域基巖裸露，巖漿巖出露區占比大，表層風化殼厚度從數米到十數米不等，低、降速帶橫向變化大。除志留紀?早中泥盆世地層缺失、中元古界與古近系未發現外，自古元古界至第四系均有出露，新近系和第四系厚度小，主要分布在沿海以及部分山間小盆地區域。前震旦系多為變質巖，古生界多為砂巖、泥巖以及碳酸鹽巖等，分布范圍不大。受多期次構造運動影響，大量的基性?酸性巖漿巖脈、巖體常侵入這些沉積巖中。至中生代，測區內發育大量的花崗巖，新生代在部分區域發育基性巖脈。厚層的沉積地層能夠形成較好的地震反射波，而巖漿巖發育規模大而且深，物性差異小，和深部的元古代?太古代深變質雜巖及早古生代變質巖系都難以形成好的反射波。一般來說，深變質的變質雜巖體可以作為上覆沉積地層的基底，二者的接觸面能夠形成較好的反射波。另外，地下深部賦存的大型斷裂構造的上下盤因構造拉伸、擠壓等作用，易產生波阻抗差異，從而形成斷面波，中深部地殼中也會出現較明顯的地震反射體?？傮w上探測區地震地質條件復雜，不利于地震波激發和接收，野外數據采集難度大，較難獲得高品質的原始地震資料。

2 數據采集參數及優化措施

基于漳州深地震反射探測成果，結合探測區地震地質條件特點，本次深地震反射探測重點將提高原始單炮信噪比作為采集參數優化目標。對信噪比提高貢獻最大的無疑是激發能量，提高每炮的激發藥量，增加大藥量激發點的覆蓋次數是首要方向；為了兼顧不同深度地層反射波的信噪比和分辨率，同時考慮采集成本最小化，需要對不同激發藥量的炮點進行合理布置。其次，特別考慮了組合井在深地震反射探測中的作用，對組合井的間距進行了數值模擬分析，確保大炮激發能量達到最優。深部地層及莫霍面區域因為深度大，層位地震信息一般較難獲得，一般只有更低頻的信號能夠穿透得更深更遠，從而將反射信號傳播回地表被檢波器接收到。為了提高地震數據中深部反射層的信息，采用了更低頻的主頻5 Hz 的檢波器。進一步增大最大炮檢距，使最大炮檢距超過探測區莫霍面深度，讓更遠偏移距及更深部的反射信息能夠被采集到，提高下地殼及莫霍面區域的成像效果。

2.1 常規炮和大炮組合模式

福建大部分區域為山地地形，地形復雜，高程高差大，地表沉積物厚度以及物性差異大。為確保激發的地震波能夠穿透地殼并返回被排列內的檢波器接收到，采用大藥量激發是優先考慮的參數。探測深度大時需要增大激發藥量才能使目標深度處的反射波清晰成像，探測深度變淺時則需要降低激發藥量，以確保目標層位的分辨率。因此，在進行深地震反射探測時，為了同時兼顧淺、中及深部反射波的分辨率和信噪比，采用不同激發藥量組合布置的方式進行數據采集，特別是采用大、中、小炮組合激發，以及大井深、小道距、高覆蓋次數的組合采集方式，能夠壓制干擾波，有效拓寬地震反射波的頻帶范圍，并能夠對地殼范圍內淺、中、深部不同層次地殼結構進行高精度成像[26-27]。

深地震反射探測區地表條件復雜，“V”字形溝谷發育，激發點的布置受地形及障礙物的影響較大，如果設計的炮點距較小，大部分區域的炮點不能按照理論點進行布置，導致地震測線上覆蓋次數極不均勻。另外，在復雜山區條件下，小藥量激發的地震波能量衰減嚴重，不能很好地獲得高信噪比的反射波，地震時間剖面成像精度較差，探測深度達不到預期。和漳州深地震反射探測相比，本次深地震反射探測在設計激發點時去掉了小炮，常規炮藥量和中炮藥量相同，炮間距由1.3 km 優化至600 m，另外將大炮炮點距由25 km優化至15 km，使一個接收排列內有5 個大炮，總體上提高淺、中、深部反射波的覆蓋次數和信噪比。這種炮點布置方式使炮點在復雜山區條件下的分布更趨于均勻，獲得的時間剖面覆蓋次數也更均勻，同時加密了大藥量激發點的密度，提高每炮的激發藥量，增加了大炮的覆蓋次數(圖1)。大炮在深地震反射探測中起著重要作用，高信噪比的大炮單獨疊加處理也能夠獲得較好的深部地層及莫霍面結構信息[28]。

圖1 深地震反射探測觀測系統示意Fig.1 Schematic diagram showing the observation system of deep seismic reflection surveys

對原始單炮進行了地形靜校正處理后，獲得的小炮原始單炮記錄中在近炮點處可以看到小范圍的莫霍面反射波，向遠道區域處干擾波發育，主要反射波較難識別(圖2a)；而常規炮和大炮的有效反射波信噪比高，波組連續性好，地殼深度范圍內淺、中、深部波組結構分明，中?下地殼區域反射能量強(6～12 s 區域)，頻帶寬約46 Hz，低頻信息豐富。大炮頻譜分析圖顯示，淺部區域反射波頻帶范圍在4～46 Hz，主頻約為26 Hz；中深部區域反射波頻帶范圍在4～40 Hz，主頻范圍約為21 Hz，深部區域主頻約為12 Hz(圖2b、圖2c)。

圖2 深地震反射原始單炮記錄對比Fig.2 Comparison of original single-shot records of deep seismic reflections

總體上看，獲得的常規炮和大炮原始記錄品質高，常規炮初至受噪聲干擾小，深部莫霍面反射波組特征清楚(11～12 s 區域)，分辨率高，橫向可追蹤的反射波組豐富；大炮淺、中、深部反射波信噪比更高，莫霍面反射在整個接收排列內都比較清晰。

2.2 組合井最佳間距

炸藥震源是地震探測最佳的激發方式，它激發的地震波能量強、頻率豐富。地震探測常用的震源藥柱因性能穩定、爆速高以及使用方便等優點而得到廣泛應用，當需要大藥量激發時(大炮)，常采用組合井方式，把總激發藥量分散埋置在數個間距不大的鉆井中組合激發。對于組合井的布置方式，一般要求井口高度差限制在亞米級，井間距主要根據激發介質和激發環境的不同，以不造成淺層介質破碎為準，沒有開展定量的數值分析。組合井的井間距和激發的藥量有直接關系。炸藥在鉆井中爆炸產生高溫高壓氣體及沖擊波，在膨脹的過程中壓縮周圍介質向各個方向做功并產生地震波。根據反射法地震探測原理，地震波在向下方向的傳播才能起到彈性反射的效果，因此，炸藥在起爆后沖擊波中只有垂直向下方做功的能量才是有效能量。采用組合井進行激發時，各激發點在水平方向上傳播的沖擊波會疊加，當井間距過小時沖擊波會大量破碎周圍巖層做機械功，降低了沖擊波的整體做功能力；當井間距過大時，整體激發能量會過于分散，達不到聚焦激發的效果。因此，組合井的間距對炸藥激發有效做功有著重要制約作用，合適的組合井間距才能發揮出炸藥激發的最大能效。本次深地震反射探測研究中，通過漳州深地震反射實踐經驗以及現場試驗確定了激發井深為30 m，該深度在山區部位大部分處于中風化花崗巖層中，單井激發藥量確定為48 kg。采用ANSYS/LSDYNA 有限元分析軟件進行雙井組合爆破數值建模與分析[29-32]，算法采用Euler-Lagrange 流固耦合算法，巖石本構模型采用德國Ernst-Mach 研究所(EMI)提出的RHT 本構模型(表2)，炸藥材料模型采用ANSYS/LSDYNA 常用的“MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_ BURN”，JWL 裝藥參數見表3，分別對井間距為3、4、5 和6 m的爆破效能進行了數值分析。通過模擬分析，在井間距為3 m 時，兩井之間圍巖有貫通破碎現象；井間距為4 m 時，兩井之間圍巖在爆破后應力波疊加區有拉伸破壞現象；而當井間距為5～6 m 時，井間巖層沒有出現貫通或破碎，大大減少了炸藥激發所做的機械功。圖3a 和圖3b 分別為井間距5 m 爆破時0 ms 和24 ms的爆破模型圖，圖3c 和圖3d 分別為井間距5 和6 m時的爆破模型壓力時距曲線，模擬顯示水平壓應力約在24 ms 時達到峰值，垂直壓應力約在20 ms 時達到峰值，因篇幅有限，本文不在此詳細敘述模擬全部過程。爆破模擬壓力時距曲線數值顯示：井間距分別為5、6 m時，爆破垂直方向單元受到的最大壓應力分別為1.140、0.908 MPa，水平方向單元受到的最大壓應力分別為6.430、7.640 MPa，垂直壓應力在井間距為5 m 時更大，因此確定井組合間距為5 m(圖3)。

圖3 組合井爆破模型及壓力時距曲線Fig.3 Combined borehole blasting models and pressure-time curves

表2 圍巖巖石力學參數Table 2 Rock mechanical parameters of surrounding rocks

表3 炸藥參數Table 3 Parameters of explosive

2.3 降低檢波器主頻

檢波器是地震數據采集中的一個重要因素，合理選擇檢波器類型能夠提高地震資料的信噪比和分辨率。深地震反射探測深度大、反射波頻率低，因此，常使用主頻較低的檢波器(10～13 Hz)進行數據采集[33]。檢波器的主頻以下為檢波器的壓制區，處于壓制區內成分的能量將受到壓制。檢波器主頻越低，壓制范圍越小，接收到的反射波更豐富，頻率域更寬，且會保留更多的低頻域成分，因此，能夠對深部反射層進行更好的成像。近年來，低頻節點式地震儀以其頻帶范圍寬和在復雜山區布設方便的優勢，廣泛應用于地震數據采集[34-37]，在深地震反射探測中能夠獲得頻率更低的反射數據，從而提高中下地殼、莫霍面等深層反射界面的成像精度。漳州深地震反射探測采用10 Hz 主頻節點式地震儀，本次深地震反射探測采用主頻為5 Hz 的節點式地震儀進行數據采集，從2 次測線重疊區域的原始單炮頻譜對比圖(圖4)中可以看出：在同一區域單炮記錄上兩者淺、中、深部的反射波特征總體一致，但是5 Hz檢波器獲得的原始單炮記錄中反射波頻帶更寬，在6～12 s 的中深部反射層信噪比更高。由此可以看出，檢波器主頻降低至5 Hz 時獲得的地震資料效果更好。

圖4 不同主頻檢波器原始單炮記錄對比Fig.4 Comparison of original single-shot records of geophones with different dominant frequencies

2.4 增大炮檢距

接收道數是重要的地震數據采集參數，在道距保持不變的情況下，增加接收道數能夠獲得更深部區域的反射層信息，更大的炮檢距能夠提高深層資料的信噪比[38-39]。深地震反射數據處理實踐表明，采用大偏移距時縱波穿透深度更深，對近地表速度結構的反演更準確，由此可以提高數據處理效果和時間剖面質量[40]。另外，炮檢距與動校拉伸、速度分析精度以及噪聲和多次波壓制有密切關系，也是確定最大炮檢距的重要因素。因此，在進行深地震反射探測時，較大的炮檢距是優先選擇。一般情況下，最大炮檢距盡量與主要目的層深度相當，這樣可以保證入射角度范圍達到更合適的寬度。地震勘探實踐經驗表明，大的接收排列長度對深部資料獲取更有利[41]。

本次深地震反射探測采用道間距30 m、2 400 道中間激發對稱接收，最大炮檢距為36 km，根據已知地震地質資料，排列長度大于區域莫霍面深度(30～33 km)，滿足以上分析要求。為了分析該區炮檢距對中深部地震資料的影響，對近、中、遠炮檢距道集進行了分段疊加，處理得到了3 種不同炮檢距的疊加剖面段，圖5為3 種不同炮檢距(距激發點200～300 道、600～700 道和1 000～1 100 道)的部分疊加剖面。從獲得的地震時間剖面來看，從近道向遠道整體反射波振幅有逐漸變小趨勢。淺部區域(小于5 s)反射波在200～300 道時信噪比較高，遠道600～700 道以及1 000～1 100 道區域處信噪比降低明顯，而中深部區域(6～11 s)由近及遠信噪比變化相對較小。在1 000～1 100 道區域處(圖5c)，由于淺部區域反射波振幅的明顯下降而凸顯出中深部區域反射波分辨率更高。由此可以看出，1 000～1 100道區域可以獲得信噪比較高的中深部反射波，從而能夠對整體地震時間剖面高精度成像起到積極作用，增大炮檢距的效果明顯。

圖5 炮檢距分段處理疊加時間剖面圖Fig.5 Seismic time-stacked sections from the segmented processing of offset

對最大炮檢距分別為36 km 和18 km 的道集進行全地震數據疊加處理(圖6)。由圖6 看出，最大炮檢距為36 km 時的疊加剖面信噪比更高(2～11 s，圖6a)；對于莫霍面形態，2 種疊加剖面則顯示的特征一致。在處理工作站上對2 種剖面3～11 s 區域的信噪比比值進行了提取，將比值進行了曲線擬合(圖6c)，總體數值顯示，2 種炮檢距的疊加剖面信噪比都大于2，最大比值接近5，36 km 偏移距的信噪比值在大部分區域略高，在矩形對比區域差異更大。

圖6 不同炮檢距疊加時間剖面對比Fig.6 Comparison of seismic time-stacked sections under different offsets

3 結論

a.采用常規炮和大炮組合的炮點布置方式，加大激發藥量、縮小大炮炮點距、提高中?深部區域覆蓋次數，能夠獲得高質量的原始單炮記錄和地震時間剖面。

b.在福建復雜地形條件下，采用5 m 的組合炮炮點距能夠獲得激發下傳的最大能量，從而獲得高信噪比的原始地震單炮資料。采用主頻5 Hz 的節點式地震儀對提高地殼中?深部區域反射波的信噪比和分辨率效果明顯。在深地震反射探測中增加接收道數、增大最大炮檢距對地殼中?深層區域反射波信噪比提高明顯。

c.深地震探測采集參數的優化對剖面品質的提高有積極作用，獲得的采集參數可以對類似地區開展深地震探測提供參考。同時，采集參數的優化還需要和采集成本相結合才能達到最佳應用效果。