新型甲烷氣爆震源在青藏高原激發的信號特征研究

冀戰波,李宗旭,賀日政,牛 瀟,吳 蔚

中國地質科學院,北京 100037

地震波是獲取地球內部結構與物質信息最有效的工具之一(Aki,1957; Claerbout,1968; Laske and Masters,1996; Campillo and Paul,2003),被譽為照亮地下的一盞明燈(陳颙和朱日祥,2005)。為了克服被動震源的先天缺陷(陳颙等,2018),人們利用炸藥、落錘、偏心振動源、電火花等方式主動創造震源激發地震波,運用于區域結構探測、油氣能源和礦產資源勘查等領域(Lutter et al.,1999; Yamaoka et al.,2001; Mooney et al.,2002; 常旭等,2008; 王洪體等,2009),極大地提高了資源勘查和開采的準確性,現已成為區域尺度地殼結構探測的重要手段。然而,由于人類活動范圍逐漸擴大以及環保理念深入人心,激發條件日漸苛刻,上述部分主動源激發逐漸不太適應復雜地表地質條件與環境保護。為此,環保且高效的主動震源研究亟需開展。

經過近幾年的努力探索研究(陳颙和李宜晉,2007; Wang et al.,2018),適用于水環境條件下的氣槍震源(王寶善等,2016; Wang et al.,2020)及甲烷和氧氣混合形成的新型氣爆震源(Wang et al.,2019;Zhang et al.,2020; 徐善輝等,2020a,b)技術日漸成熟。甲烷和氧氣混合(以下簡稱甲烷氣爆震源),可在一定能量點火條件下發生爆轟反應,釋放大量的化學能; 該氣相爆轟反應也可產生高壓氣體,將其快速釋放形成沖擊波,作為一種新型震源產生地震波(Wang et al.,2019)。相對于幾種常見的人工震源(陳颙和李宜晉,2007),甲烷氣爆震源是一種能量大、易操作、受地形影響小的新型低成本綠色震源。與僅能在水環境條件下激發的環保型氣槍震源相比,甲烷氣爆震源更能適應復雜的陸地條件,且其能量密度遠遠高于常規以物理勢能為能源的高壓氣槍震源。在中國東部不同地表地質條件下開展的甲烷氣爆震源探測實驗(Wang et al.,2019; 徐善輝等,2020a,b)表明該氣爆震源是一種高性能的人工震源,具備服務于科研、生產等實際工作需求。特別是在江西景德鎮朱溪鎢礦區開展的包括甲烷氣爆震源在內的多種主動震源激發和觀測對比實驗(Wang et al.,2019; Zhang et al.,2020)顯示甲烷震源激發的地震波初至能量強、可追蹤性好、反射波信號清晰可辨,單次激發傳播距離可達15 km以上,具備探測上地殼淺部精細結構能力(Zhang et al.,2020)。

當前,國內的甲烷氣爆震源實驗都是在東部低海拔、高氣壓的環境下開展的,盡管已經被證明是適合地下結構探測的有效工具(Zhang et al.,2020;徐善輝等,2020a,b),但并未在高海拔、低氣壓氣溫環境下驗證,如惡劣環境的青藏高原常年處于低壓、低溫環境,晝夜溫差大,風噪高。因此,在青藏高原開展甲烷震源激發與接收工作有諸多挑戰。為了進一步探索和發展甲烷氣爆震源技術,我們于2020年10月在海拔5100 m的西藏日喀則市謝通門縣青都—娘熱礦集區開展了甲烷氣爆震源的野外實驗,并與同期施工的炸藥震源進行對比研究。本文介紹了新型氣爆震源在青藏高原腹地惡劣條件下的實驗并與同期共線實施的高能量炸藥震源對比,初步顯示了新型氣爆震源可在青藏高原地下結構探測中應用的可行性。

1 區域地質背景

印度次大陸自43 Ma以來(Mo et al.,2007)北向俯沖至位于歐亞板塊前緣的拉薩地體之下,并促使青藏高原后期快速隆升。特別是在20 Ma以來(Yin and Harrison,2000)的隆升過程中,高原表面發育了東西向伸展作用下形成的近南北向地塹(Yin and Harrison,2000),如圖1。盡管到目前為止高原隆升過程中的東西向伸展機制存在諸多爭議(賀日政和高銳,2003),但探測這些南北向地塹的深部結構特征,是深入理解陸陸碰撞過程中的地表響應機制關鍵。本次實驗區位于高原內部,幾乎全為高角度正斷層控制(吳章明等,1990; Kali,2010)的申扎—謝通門—定結裂谷(張進江等,2002; 哈廣浩,2019; 徐心悅,2019)中部,該區域不僅地震活躍(Monigle et al.,2012; 張小濤等,2020; 王永哲等,2021),而且是娘熱多金屬礦集區(李光明等,2004; 徐泰然,2018; 徐泰然等,2018)所在位置。因此,利用人工震源探測裂谷深部結構對于理解青藏高原隆升過程中東西向伸展機制(Yin and Harrison,2000; 賀日政和高銳,2003)具有重要構造意義。

2 實驗數據采集過程

為了探索在高原環境下的甲烷氣爆震源特性,并可與炸藥震源進行對比研究,我們將實驗地點選擇在西藏日喀則市謝通門縣青都—娘熱礦集區同期(2020-09-26—2020-10-05)實施的炸藥震源深地震反射測線上,并采用相同的觀測系統記錄了炸藥震源激發的地震波信號。

青都鄉位于西藏中部日喀則市謝通門縣北部,平均海拔4500 m,而此次開展實驗的地點海拔達到了5100 m,氣壓僅為0.54個標準大氣壓。本次實驗共使用了 3種型號的氣爆震源進行了 26次激發:WB-76-1700、WB-70-2000及 WB-60-500型,具體激發過程如表1。

表1 甲烷震源型號及炮點實驗參數Table 1 Methane source model and blast point test parameters

表1給出了詳細的激發條件實驗參數對比。與現場的炸藥震源比較,甲烷氣爆震源更加安全,施工靈活,方便快捷。

實驗前,沿深地震反射數據采集側線共線布設了49個EPS-2-M6Q(5s)型三分量短周期地震記錄儀,其中 Q23臺站位于甲烷震源激發點附近(見圖 1b),實驗中利用該觀測系統記錄了同期部分炸藥震源激發的地震波,甲烷氣爆震源、炸藥震源及臺站分布見圖1。

圖1 區域構造和甲烷氣爆、炸藥震源及臺站分布圖Fig.1 Regional structure and distribution of methane gaseous detonation,explosive source and seismic stations

甲烷震源的激發裝置整體為鋼制的圓柱形密封容器(圖 2a),在裝置頂端設置注氣閥門和點火起爆器(圖 2b),起爆器通過點火線路結構連接鋼瓶內部的火花塞以引爆混合氣體(圖 2a)。震源激發前,甲烷和氧氣按照反應配比在密集容器(圖2)內混合。點火后,密集容器內發生強烈化學爆轟反應,產生高壓氣體,其內部壓力可達 165 MPa。在密封容器的底端設有限壓閥門,確保主要沖擊能量定向向下傳播(圖 2b),當內部氣體壓力高于設定閾值后快速脫落,此時高壓氣體瞬間由底部釋放,形成向下沖擊產生地震波(Wang et al.,2019)。在甲烷震源激發實驗中,甲烷與氧氣反應生成水,對環境友好,同時整個爆轟反應被限制在鋼制腔體內,不會產生類似炸藥爆炸后的次生災害,例如塌方等。鉆井成本低,激發效率更高。

圖2 甲烷震源的激發裝置和激發方式示意圖Fig.2 Excitation device and excitation schematic diagram of methane detonation source

3 人工震源信號分析

通過 49個臺站記錄到的甲烷爆轟實驗產生的地震波信號,對甲烷震源當量估計、震源信號時頻、傳播特性等分析。

3.1 震源當量估計

甲烷震源的能量可由其初始壓力、氣體配比和氣室容量計算。本次實驗中,三種甲烷震源裝置(WB-76-1700、WB-70-2000及 WB-60-500型)氣室容積分別約為 7.7 L、7.7 L和 1.4 L,初始壓力為7.5 MPa、7.5 MPa和6.0 MPa,甲烷和氧氣按反應當量比1:2加入。根據甲烷/氧氣反應方程式:

g 表示氣相反應,其反應能?H= –850 kJ/mol。

理想氣體狀態方程:

其中p為壓強(Pa),V為氣體體積(m3),T為溫度(K),n為氣體的物質的量(mol),R為摩爾氣體常數(也叫普適氣體恒量,8.314 J/(mol·K))。

由公式(2)計算得知三種甲烷震源裝置(WB-76-1700、WB-70-2000及 WB-60-500型)氣體物質量分別是25.43 mol、25.43 mol、3.70 mol。爆轟反應轉化的總化學能分別為 EWB-76-1700,WB-70-2000=1/3×25.43 mol×850 kJ/mol=7.21 MJ,EWB-60-500=1/3×3.70 mol×850 kJ/mol=1.05 MJ。甲烷和氧氣爆轟反應釋放的化學能并不完全用于對外做功,這是因為其中的相當一部分能量轉化為產物氣體分子的振動和轉動。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(高榮慶,1994)。因此,如表 1所示的本次實驗所用的WB-76-1700/WB-70-2000型震源和WB-60-500型甲烷震源產生的地震波能量釋放約為 2.16 MJ和0.315 MJ,其當量分別約相當于1.72 kg及0.25 kg炸藥(同樣按總化學能的30%對外做功,1 kg炸藥釋放4187 kJ能量)。

3.2 信號特征分析

由于圖1c所示的Q23臺站距離甲烷氣爆震源較近,故將Q23臺站的記錄作為源信號開展甲烷震源的信號特征分析。

圖3展示了Q23臺站記錄到的A01、B01、C01單炮及Z11-Z13組合炮點激發的甲烷震源信號以及其震源信號的時間-頻率域能量分布。如圖 3所示,總體來說四種甲烷震源激發的地震波頻率在1～50 Hz之間,集中于5～30 Hz。同時,利用49個三分量地震計記錄到的同期共線炸藥信號,將甲烷實驗A01炮點激發的甲烷震源信號在Q23臺站及一次炸藥震源(48 kg)在Q20臺站記錄到的三分量記錄和時頻進行分析對比,結果見圖4。

圖3 Q23臺站記錄到的不同激發方式甲烷震源垂向記錄及時頻特征Fig.3 The vertical records and time-frequency characteristics of methane sources recorded at Q23 station

圖4 甲烷震源與炸藥震源時頻特征Fig.4 Time-frequency characteristics of methane source and explosive source

圖4展示了本次實驗Q20臺站記錄到的炸藥震源(48 kg)時間-頻率域特征的頻率范圍為0.1～25 Hz,主頻在20 Hz以下。炸藥的當量(48 kg)較實驗所用甲烷震源當量(分別為1.72 kg,1.72 kg和0.25 kg)大,激發出的地震波信號頻率更低。

3.3 甲烷震源信號聚類分析

為了分析不同當量、不同激發方式、不同震源型號對激發的地震波信號持續時間、頻譜特征等方面可能產生的影響,采用了基于相似度距離的層次聚類方法(王偉濤和王寶善,2012; 蘇金波等,2017)分析了Q23臺站記錄的甲烷震源三分量信號。對于N組事件的地震波記錄,首先選取合適震相窗口計算兩兩事件i和j的相關系數Cij,定義其相似度距離為 Dij=1–Cij,從而構建所有事件的相似度距離矩陣M。層次聚類分析方法首先將每個事件劃為一類,共 N類,同時定義為第一層; 然后將相似度距離最小的兩個事件合并為一類,此時共分為 N–1類,定義為第二層; 以此類推,直到所有事件歸為一類。基于相似度距離層次聚類方法的甲烷震源信號記錄分類結果及每類波形記錄見圖5。

圖5 Q23臺站記錄的甲烷震源信號聚類分析結果Fig.5 Cluster analysis results of methane source signals recorded by Q23 station

在本次分析中,將甲烷震源信號的相似度距離閾值設為0.25(對應相關系數為0.75),得到7類事件波形(圖5)明確顯示甲烷震源信號的持續事件。根據甲烷震源信號的能量分布(圖 3),分別嘗試對信號進行 5–30 Hz、10–30 Hz 和 15–25 Hz,在相關系數閾值同為0.75的條件下,10–30 Hz濾波后聚類分類結果與未濾波時聚類分類結果一致,5–30 Hz和15–25 Hz濾波后聚類分類反而要多一類。整體來說,濾波未能改善聚類分析效果。能量頻率分布與當量大小及震源類型、組合激發方式無直接關系,推測與震中距及隨機爆轟激發過程有關。甲烷震源信號的持續時間會隨著震中距的增加而增加,同時高頻信號強度衰減(Wang et al.,2019)。

3.4 傳播距離

分別選取了 A01、B01、C01單炮和 Z11-Z13組合炮點位甲烷激發及一個小當量炸藥(48 kg)的地震波記錄,原始記錄如圖6。

由圖3可知甲烷震源信號主頻范圍為5～30 Hz,考慮到高頻地震波衰減較快,故對甲烷震源信號實施了5～25 Hz的帶通濾波。圖4顯示炸藥震源信號低于25 Hz,其頻帶主要在1～25 Hz之間,所以對炸藥震源信號進行1～25 Hz的帶通濾波。

經過適當的帶通頻率濾波,可以看到圖7中所有的記錄信噪比均有所提高。甲烷氣爆震源在井下10 m深、7.5 MPa注氣壓力的條件下WB-76-1700和WB-70-2000型震源信號傳播距離由2.8 km提高到6.5 km(圖6a,b和圖7a,b); 在井深2 m、注氣壓力6.0 MPa的條件下單個WB-60-500型震源信號傳播距離由1.0 km提高到1.5 km,另外Z11-Z13組合震源信號傳播距離由1.8 km提高到2.5 km。為了進一步提高信噪比并獲得清晰的甲烷震源信號,對臺站記錄分別進行了線性疊加和相位加權疊加(Zeng and Thurber,2016)。相對于線性疊加方法(圖8a),相位加權疊加方法(圖8b)顯著提高信噪比。經過線性疊加,臺站記錄的甲烷震源信號信噪比明顯得到提升,而相位加權疊加進一步提高了信噪比,使得信號的傳播距離甚至超過10 km(圖8b)。

圖6 A01、B01、C01單炮、Z11-Z13組合炮點及小當量炸藥(48 kg)原始記錄(甲烷震源相關激發參數見表1)Fig.6 Original records of A01,B01,C01 single shot,Z11-Z13 combined shot point and small equivalent explosive (48 kg)(see Table 1 for relevant parameters)

圖7 A01、B01、C01單炮、Z11-Z13組合炮點(5–25 Hz濾波)及小當量炸藥(48 kg,1–25 Hz)記錄Fig.7 A01,B01,C01 single shot,Z11-Z13 combined shot point (5–25 Hz filtering) and small explosive (48 kg,1–25 Hz) records

圖8 甲烷氣爆震源記錄開展線性疊加(a)與相位加權疊加(b)對比Fig.8 Comparison between linear stack (a) and phase weighted stack (b) of methane explosion source records

3.5 甲烷信號傳播特征分析

本節挑選了所有垂向分量記錄到的甲烷震源 P波到時(圖9)。通過線性擬合得到甲烷震源的P波視速度為2.92 km/s,拾取的P波到時較為收斂。進一步,可以利用甲烷震源體波到時信息反演地下速度結構。

圖9 垂向分量甲烷震源信號P波震相到時(2.92 km/s)Fig.9 P-wave phase arrival time of vertical component methane source signal (2.92 km/s)

此外,在距離甲烷震源較近的幾個臺站明顯記錄到了淺層面波(垂向、徑向Rayleigh波和切向Love波),如圖10。淺層面波特征(圖10)突出顯示了甲烷震源和炸藥震源記錄中Rayleigh波的群速度頻散特征,面波的頻率范圍在0.08～0.7 s之間,速度范圍為0.25～0.65 km/s。若通過面波與體波走時聯合成像方法(張超等,2020),不僅有助于探測裂谷內部結構,而且更適合于探測金屬礦集區的復雜三維結構。

圖10 甲烷震源與爆炸震源面波頻散特征Fig.10 Surface wave dispersion characteristics of methane source and explosion source

4 討論與結論

利用新型環保震源探測地下速度結構成為近年來的一個發展趨勢。甲烷和氧氣在封閉空間內點火發生爆轟反應,釋放大量化學能量,產生高壓氣體定向激發地震波。相比于炸藥震源,因甲烷和氧氣的爆轟反應的產物是二氧化碳和水,對環境友好沒有污染,而且整個爆轟反應被限制在一個高強度腔體內,僅通過腔體底部的限壓閥門定向對外釋放能量激發地震波,不會產生類似炸藥震源爆炸留下的井壁坍塌。此外,甲烷震源反應腔體(圖 2a)可以回收重復使用,大大降低了地震波激發成本。而對于高壓氣槍震源(陳颙和李宜晉,2007; Wang et al.,2018),甲烷震源實驗中的爆轟反應釋放大量化學能,激發效率優于以釋放物理勢能為主的氣槍震源(Wang et al.,2019),且其無需水體和大型空氣壓縮機等大型配套設備。因此,甲烷氣爆震源具有便捷、安全、應用場景靈活的優點。Zhang et al.(2020)利用密集短周期臺陣記錄到的氣爆震源、氣槍和震源車等人工源激發的地震波信號對朱溪銅鎢多金屬礦區的近地表速度結構成像,表明利用甲烷氣爆震源與短周期地震儀相結合的主動源地震探測是針對固體礦產資源探測的有效手段,這對查明控礦構造及成礦背景具有明確的示范效果。同時,定向激發的設計使得激發效率更高,目前國內已經開展了城市地區斷層結構的探測(徐善輝等,2020a,b)。

總之,本文中首次介紹了在高海拔低氣壓的青藏高原實施的甲烷爆轟實驗過程及地震波信號特征。通過實驗分析顯示甲烷氣爆震源在下井深10 m、注氣壓力7.5 MPa的條件下WB-76-1700和WB-70-2000型震源(折合 1.72 kg TNT)至少傳播6.5 km; 在下井深2 m、注氣壓力6.0 MPa的條件下WB-60-500型震源(折合 0.25 kg TNT)可以傳播1.5 km。甲烷震源的激發頻率在1～50 Hz之間,主頻為5～30 Hz。較高的信號頻率有助于開展淺層地殼的速度結構探測。在今后的實驗中,我們將繼續探索大當量震源不同井深、激發環境下的激發效果。另外由于此次實驗中所用甲烷震源當量均為小當量震源(WB-76-1700,WB-70-2000及WB-60-500型震源當量分別為1.72 kg,1.72 kg和0.25 kg炸藥),爆轟過程持續時間短,產生的信號頻率高,適合小尺度淺層結構探測。如果增大甲烷震源中甲烷和氧氣容量,爆轟過程持續時間長,可能會產生低頻率地震波信號,有利于開展更大距離和更深尺度結構探測。不同當量、型號甲烷震源結合起來使用有望提高區域尺度結構探測效率和精度。同期共線接收到的炸藥(48 kg TNT)震源信號的頻率在25 Hz以下,明顯低于甲烷震源頻率。通過基于相似度距離的聚類分析,本次實驗中所使用的四種種類型的甲烷震源信號與當量大小暫時未看到有直接關系,更可能與臺站與甲烷震源的距離和隨機爆轟激發過程有關。通過疊加相關系數高的激發記錄有望提高甲烷震源信號的信噪比,在更遠的距離上觀測到信號。甲烷震源被證明是一種有效的新型綠色環保型人工震源,對于探測區域地下結構提供有力支持。

為了增加探測距離及探測深度,如何在青藏高原提高甲烷氣爆震源當量是未來的進一步工作。

致謝:感謝四川偉博震源科技有限公司郝貴生等工作人員的辛勤付出; 感謝中國工程物理研究院王翔、孟川民、董石研究員和中國地震局地球物理研究所王偉濤研究員、楊微研究員和徐善輝副研究員的指導和幫助; 更感謝中國地質科學院地質研究所李文輝博士提供的炸藥震源信息和中石化石油工程地球物理有限公司南方分公司提供的野外實驗幫助。感謝匿名審稿人的認真審閱及寶貴意見。

Acknowledgements:

This study was supported by Minsitry of Science and Technology of the People's Republic of China (No.2018YFC0604102),Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No.JKY202015),National Natural Science Foundation of China (No.42074112),and China Geological Survey (No.DD20190015).