特殊震源的類型及激發(fā)方式研究

摘 要:本文在震源的爆炸相關(guān)原理討論的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)于特殊震源的類型及激發(fā)方式等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討和分析。結(jié)合高分辨率勘探的特點(diǎn)，這里重點(diǎn)分析垂直延遲迭加震源、爆炸地震錘、聚能震源彈、兩彈對(duì)撞震源和細(xì)長(zhǎng)藥柱五種震源系列，最后分析了特殊震源試驗(yàn)應(yīng)用效果對(duì)比，從而說(shuō)明了特殊震源爆炸的有效性。

關(guān)鍵詞:地震勘探 震源爆炸 特殊震源 激發(fā)方式 應(yīng)用效果

中圖分類號(hào):P315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098x(2011)01(b)-0003-02

炸藥震源是目前國(guó)內(nèi)外在常規(guī)的地震勘探中最常用而較為理想的主要震源，它激發(fā)的地震波具有良好的脈沖性質(zhì)和較高的地震波能量。在陸上地震勘探中，多數(shù)情況下炸藥是在充滿水的淺井中爆炸，以激發(fā)地震波。在無(wú)法鉆井或鉆井困難的地區(qū)多采用坑中爆炸。在江河湖海勘探時(shí)采用水中爆炸。隨著勘探程度的不斷深入，勘探要求也越來(lái)越高，特別是一些特殊要求的地震勘探，如:高分辨率地震勘探、深層地震勘探、山地地震勘探等技術(shù)的推廣應(yīng)用[1-2]，普通的成型炸藥由于產(chǎn)生的震動(dòng)大，破壞作用明顯，所以，在城鎮(zhèn)、工農(nóng)業(yè)密集區(qū)，河流、鹽田、蝦池、樓房等特殊地表?xiàng)l件下激發(fā)受到限制，并且普通震源激發(fā)后信噪比低，次干擾嚴(yán)重等影響已經(jīng)不適合特殊地震勘探的要求[3]，所以人們開(kāi)始尋找更好的激發(fā)震源，以求得比較好的勘探效果。本文主要針對(duì)特殊震源的類型及激發(fā)方式等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討和分析。

1 震源的爆炸概述

在地震勘探中炸藥爆炸的瞬間壓強(qiáng)高達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)大氣壓，炸藥包附近的巖石在強(qiáng)壓力的作用下。發(fā)生永久形變(巖石被破碎、粉化)，形成一個(gè)實(shí)際的窄穴區(qū)。(隨著炸藥量的不同，這個(gè)空穴的范圍一般為1米至幾米)。在此空穴之外，壓力迅速衰減，窄穴區(qū)以外的一定范圍內(nèi)，巖石雖然不象空穴區(qū)那樣被破碎、粉化，但由于壓力仍然超過(guò)巖石的彈性限度而使巖石的形變不能全部恢復(fù)，產(chǎn)生了所謂塑性形變區(qū)。過(guò)了這個(gè)區(qū)域，壓力衰減到?jīng)]有超過(guò)巖石的彈性限度，虎克定律便得以滿足，巖石的形變就能全部恢復(fù)，即進(jìn)入彈性形變區(qū)。

實(shí)際空穴區(qū)(永久形變區(qū))和塑性形變區(qū)都不滿足虎克定律的條件，都屬于非彈性區(qū)。因此，我們把塑性區(qū)以內(nèi)的范圍稱為等效空穴區(qū)。等效窄穴區(qū)的邊緣(也就是彈性區(qū)的起始界限)所產(chǎn)生的巖石質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)才是地震波的起始擾動(dòng)，我們稱之為地震激發(fā)波。這種擾動(dòng)是一種彈性波，服從固體介質(zhì)中彈性波的傳播規(guī)律，在均勻介質(zhì)中，它的波前面是一個(gè)球面。

理想的震源信號(hào)應(yīng)當(dāng)滿足以下條件:①足夠的能量，在傳播很遠(yuǎn)之后，仍然可以檢測(cè)到;②持續(xù)時(shí)間短，可以分辨離得很近的兩個(gè)界面;③可重復(fù)性，每次激發(fā)后的波形及其頻譜差別很小;④產(chǎn)生的噪聲不影響反射波的檢測(cè)。事實(shí)上，由于地表?xiàng)l件往往十分復(fù)雜，上述條件很難同時(shí)達(dá)到，實(shí)際工作必須根據(jù)特定的勘探任務(wù)和近地表?xiàng)l件，適當(dāng)調(diào)節(jié)激發(fā)參數(shù)，獲得最佳勘探效果。

2 特殊殊震源的類型及激發(fā)方式

通過(guò)對(duì)震源的激發(fā)機(jī)制的研究，結(jié)合高分辨率勘探的特點(diǎn)，這里重點(diǎn)分析垂直延遲迭加震源、爆炸地震錘、聚能震源彈、兩彈對(duì)撞震源和細(xì)長(zhǎng)藥柱五種震源系列。

2.1 垂直延遲迭加震源

按照高分辨率和深層地震勘探的要求研制成的地質(zhì)勘探定向爆炸延遲迭加震源，是由多個(gè)單元定向爆炸，并且從頂端起爆，從從而使爆炸各單元之間的延遲速度可近似于地震波在周?chē)橘|(zhì)的傳播速度，依次爆炸，使在垂直向下方向上爆炸各單元產(chǎn)生的波前而重合，而垂直向上方向上，波前面相差較大距離，從而加強(qiáng)了向下能量，壓制了上傳能量。有效地壓制了向上的面波和虛反射;并且采用了高爆速、高猛度、大威力炸藥和厚壁高強(qiáng)度金屬外殼，以及先進(jìn)的激發(fā)傳爆機(jī)理，提高了爆炸后形成地震波的頻率。該震源還可以根據(jù)不同地質(zhì)情況的需要，調(diào)整各單元激發(fā)震源之間傳爆延遲時(shí)間，并可根據(jù)不同要求進(jìn)行二單元、三單元、多單元的組合，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，增加了使用靈活性。

2.2 爆炸地震錘

聚能震源彈僅使炸藥爆炸產(chǎn)生的射流物質(zhì)沿軸線匯集向F射擊地層，而真正能夠轉(zhuǎn)換成地震波的能量不大，該種聚能震源彈雖有聚能向下的作用，但產(chǎn)生的能量大部分用米以穿透地層，只有爆炸產(chǎn)物射擊地層時(shí)的摩擦力產(chǎn)生地震波，能量利用很小一部分。為了研制一種充分利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量來(lái)轉(zhuǎn)換成地震波的震源，并且能夠解決特殊地震勘探中在復(fù)雜地表區(qū)的激發(fā)問(wèn)題，同時(shí)激發(fā)的地震波要具有較高的頻率，研制爆炸地震錘震源，它可以使得爆炸射流拋射錘頭撞擊地層，產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生地震波。

2.3 聚能震源彈

為了降低或消除炸藥爆炸瞬間對(duì)周?chē)橘|(zhì)的強(qiáng)烈沖擊而造成的破壞;以及減緩地表質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，從而保證在樓房建筑近距離使用該震源有絕對(duì)的安全性，同時(shí)又可保證使用能獲取較為理想的地質(zhì)資料。要實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)思要求爆炸必須增加下傳能量(有效信號(hào))，減少對(duì)地面的沖擊。要達(dá)到這種激發(fā)效果，經(jīng)過(guò)分析研究，采用了定向聚能的原理，研制出了定向聚能彈，使激發(fā)的能量集中向下，減少了對(duì)地面設(shè)施的沖擊，達(dá)到最初的目的。特殊震源聚能彈主要由護(hù)蓋，密封圈，裝藥彈體，密封槽，密封蓋幾部分組成。

2.4 兩彈對(duì)撞震源

為了充分利用震源爆炸后產(chǎn)生的激發(fā)地震波的能量，采用聚能的原理在震源的兩端同時(shí)激發(fā)兩個(gè)藥包，產(chǎn)生射流在震源中間聚合產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，從而提高高頻能量。

2.5 低爆速細(xì)長(zhǎng)藥柱

點(diǎn)狀震源能在瞬間放出巨大的能量，對(duì)周?chē)鷰r土的破壞性大，轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸩ǖ哪芰肯鄬?duì)減少，但是，由于這種震源是在瞬間完成的，所以激發(fā)頻譜相對(duì)較寬。另外，還具有能量在球面上分布均勻的特點(diǎn)。

對(duì)長(zhǎng)藥柱采用頂端起爆的正向激發(fā)方式，可把它簡(jiǎn)化為多個(gè)等藥包的組合爆炸，當(dāng)爆速等于藥柱附近介質(zhì)速度時(shí)，各藥包的波前面在垂直向F的方向上是同相疊加的，垂向應(yīng)力成倍增加，而在其他方向上各藥包波前為異相，顯示出很強(qiáng)的定向性，有利于縱波的激發(fā)和傳播。因此可以說(shuō)藥柱愈長(zhǎng)，定向效應(yīng)愈明顯。根據(jù)長(zhǎng)藥柱的定向性可以計(jì)算應(yīng)力分布。θ為藥柱與向下傳播射線的夾角，稱為觀測(cè)方位角，當(dāng)波的傳播時(shí)差等于激發(fā)延遲時(shí)，可得:。

θ角也是波前包線與水平線的夾角，即強(qiáng)應(yīng)力區(qū)位于與水平線夾角波前共切線上，θ角速度差變小，夾角也越來(lái)越小，直到v1=v2，θ角為零度，此時(shí)長(zhǎng)藥柱激發(fā)后達(dá)到的同相迭加性最好。

細(xì)長(zhǎng)藥柱呈線狀形式，分布范圍較大。采用正向激發(fā)方式，震源的爆速v1與介質(zhì)的速度v2相等時(shí)，藥柱越長(zhǎng)，垂直向下的應(yīng)力越強(qiáng)，定向性越好，越有利于縱波的激發(fā)和傳播，頻率成分豐富，越利于突出中、深層的反射，也越利于壓制面波、虛反射及表層環(huán)境噪聲，可提高信噪比與分辨率;反之如反向起爆，應(yīng)力集中向上，將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的干擾。

當(dāng)震源的爆速v1與介質(zhì)的速度v2相等時(shí)，藥柱總的爆炸時(shí)差為零，不會(huì)產(chǎn)生低頻響應(yīng)，隨著爆速v1越大于介質(zhì)的速度v2，定向性越差，低頻響應(yīng)也越嚴(yán)重。因此，細(xì)長(zhǎng)藥柱的使用效果，關(guān)鍵在于選擇合適的藥柱長(zhǎng)度和爆速。

3 特殊震源試驗(yàn)應(yīng)用效果對(duì)比

3.1 垂直延遲迭加震源和普通炸藥震源對(duì)比

通過(guò)在不同地區(qū)的試驗(yàn)資料對(duì)比分析，普通炸藥單井記錄上面波較強(qiáng)，垂直延遲迭加震源記錄面波較弱。

從反射層的能量、連續(xù)性、記錄背景以及反射波的頻寬等品質(zhì)來(lái)看，垂直延遲迭加震源的信噪比和分辨率都比普通炸藥有明顯的提高，垂直延遲迭加震源激發(fā)后獲得地震信號(hào)高頻成分豐富，波組特征明顯。

從兩種震源的激發(fā)能量上看出，垂直延遲迭加震源由于采用延遲迭加和利用小藥量激發(fā)與大藥量的普通炸約激發(fā)相比在能量上有明顯的差異，垂直延遲迭加震源比普通震源能量強(qiáng)，頻率也有很大的提高，從整體面貌上來(lái)看，信噪比有了明顯提高。

垂直延遲迭加震源的子波窄，而普通震源的子波比垂直延遲迭加震源寬。

因此，垂直延遲迭加震源激發(fā)后可以獲得高頻豐富的地震波。影響延遲爆炸激發(fā)效果的一個(gè)重要參數(shù)是炸藥之間的垂向距離，即極間距，實(shí)際試驗(yàn)資料表明，相同藥量和激發(fā)方式下，不同的極間距會(huì)使地震波的主頻和頻寬產(chǎn)生變化。

3.2 聚能震源彈和普通炸藥震源對(duì)比

根據(jù)普通震源與聚能震源彈對(duì)比記錄上分析，聚能震源彈獲得資料的高頻成分豐富，中淺層的地信號(hào)的信噪比明顯比普通震源高，波組關(guān)系清楚，250g的震源彈效果最好。從激發(fā)后對(duì)地表的破壞作用效果來(lái)看，聚能震源彈由于采用了聚能的特點(diǎn)，充分利用了爆炸的下傳能量，壓制上傳的能量，所以對(duì)地表的震動(dòng)小，獲得的地震信號(hào)的信噪比和頻率提高。利用聚能震源彈解決了城鎮(zhèn)、工農(nóng)業(yè)密集區(qū)等復(fù)雜地表的地震勘探，使得勝利油田的野外采集已經(jīng)具有在復(fù)雜地表不放空炮的水平。

3.3 地震錘和普通震源對(duì)比

從地震錘系列試驗(yàn)的效果來(lái)看;隨著地震錘的藥量的增加反射波的能量也增強(qiáng)。通過(guò)地震錘與普通震源的單炮對(duì)比記錄和頻譜、能量對(duì)比記錄，從記錄對(duì)比效果分析，定向地震錘激發(fā)后獲得資料的信噪比較高，增加了有效地震波的能量，減弱了爆炸帶來(lái)的干擾和對(duì)地面的破壞作用，提高了信噪比，這種震源在礫石區(qū)等一些特殊地表?xiàng)l件的地震勘探中具有較好的效果。

3.4 兩彈對(duì)撞震源與普通震源對(duì)比

對(duì)撞震源與普通的炸藥震源的試驗(yàn)效果分析，對(duì)撞震源激發(fā)后轉(zhuǎn)換為地震波的能量比普通震源激發(fā)后能量高，分別對(duì)2kg藥量的對(duì)撞震源和普通炸藥震源激發(fā)后獲得對(duì)比記錄，從記錄上可以看出，對(duì)撞震源激發(fā)后獲得剖面的信噪比分辨率有明顯的提高，在1.6～1.7s處對(duì)撞震源剖面上的反射層的能量、同相軸連續(xù)性、記錄的背景等品質(zhì)比較好。通過(guò)兩種震源的頻譜和能量的對(duì)比分析，對(duì)撞震源在總能量和高頻端的能量比普通震源有優(yōu)勢(shì)。

3.5 細(xì)長(zhǎng)藥柱震源與普通震源對(duì)比

通過(guò)對(duì)于6kg藥量的不同細(xì)長(zhǎng)藥柱與6kg藥量的普通震源對(duì)比實(shí)驗(yàn)記錄，細(xì)長(zhǎng)藥柱是采用正向激發(fā)方式，震源的爆速與周?chē)鷩鷰r的速度相等。從對(duì)比記錄上分析，細(xì)長(zhǎng)藥柱激發(fā)后獲得的剖面信噪比和分辨率明顯比普通震源好。在1.0～1.2s處普通震源激發(fā)后獲得記錄背景噪音干擾嚴(yán)重，同相軸連續(xù)性差。

因此，藥柱越長(zhǎng)越細(xì)，垂直向下的應(yīng)力越強(qiáng)，定向性越好，有利于縱波的激發(fā)和傳播，有利于突出中、深層的反射，壓制虛反射降低表層環(huán)境噪音的影響程度，提高資料的信噪比和分辨率。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著勘探程度的不斷提高及人們對(duì)勘探精度要求的提高，需要野外地震生產(chǎn)能夠采集到高品質(zhì)、寬頻帶的地震資料。對(duì)震源激發(fā)機(jī)制的研究，并結(jié)合地震勘探的需要而研制的特殊震源已經(jīng)在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)揮了較好的作用。

特殊激發(fā)震源充分利用炸藥爆炸效應(yīng)，提高了總的激發(fā)能量，將更多的能量向下傳遞，增加有效波的高頻成份，減少爆炸對(duì)地面的不利影響，抑制了虛反射，降低了野外大藥量激發(fā)后的破壞作用。提高下傳地震波的頻率，增加了有效波頻帶寬度，在有效頻帶范圍內(nèi)振幅向高頻方向增強(qiáng)，性能穩(wěn)定，提高了分辨率和信噪比。其次解決地震勘探在復(fù)雜地表區(qū)的激發(fā)問(wèn)題，在城鎮(zhèn)、樓房區(qū)、河流壩體以及工農(nóng)業(yè)密集區(qū)特殊地表激發(fā)，最近的安全距離為0.5m，避免了在特殊地表的空炮現(xiàn)象，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]朱偉強(qiáng)，王明星，徐錦璽，等.炸藥震源和可控震源資料相位差異校正方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，30(6).

[2]崔汝國(guó)，王尚旭，寧鵬鵬，等.炸藥震源在濟(jì)陽(yáng)坳陷粘土介質(zhì)中的激發(fā)理論初探[J].石油物探，2009，48(6).

[3]張智，劉財(cái)，邵志剛.地震勘探中的炸藥震源藥量理論與實(shí)驗(yàn)分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2003，18(4).